虛擬儀器技術(shù)的飛躍

虛擬儀器技術(shù)的飛躍

　測(cè)試測(cè)量行業(yè)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

　　儀器系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一段很長(zhǎng)的歷史。在其早期發(fā)展階段，儀器系統(tǒng)指的是“純粹”的模擬儀器測(cè)量設(shè)備，例如EEG記錄系統(tǒng)或示波器。作為一種完全封閉的專用系統(tǒng)，它們包括電源、傳感器、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器和顯示器等，并且需要手動(dòng)進(jìn)行設(shè)置，將數(shù)據(jù)顯示到標(biāo)度盤、轉(zhuǎn)換器，或者采取將數(shù)據(jù)打印在紙張上等各種形式。在那個(gè)時(shí)候，如果要進(jìn)一步使用數(shù)據(jù)，需要操作人員手動(dòng)地將數(shù)據(jù)復(fù)寫到筆記本上。由于所有的事情都必須要人工去操作，所以要對(duì)實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析、或者集成復(fù)雜的/自動(dòng)化的測(cè)試步驟是很復(fù)雜、甚至是不可能完成的工作。一直到80年代，那些復(fù)雜的系統(tǒng)，例如化學(xué)處理控制應(yīng)用等，才終于不需要占用到多臺(tái)獨(dú)立臺(tái)式儀器一起連接到一個(gè)中央控制面板，這個(gè)控制面板由一系列物理數(shù)據(jù)顯示設(shè)備，例如標(biāo)度盤、轉(zhuǎn)換器等，以及多套開關(guān)、旋鈕和按鍵組成，并專用于儀器的控制。

　　“虛擬儀器技術(shù)”這個(gè)概念緣起于20世紀(jì)70年代末。在當(dāng)時(shí)微處理器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以通過改變?cè)O(shè)備的軟件來輕松地實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的變化，所以要在測(cè)量系統(tǒng)中集成分析算法已經(jīng)成為可能，因此虛擬

儀器技術(shù)的概念將會(huì)去改變整個(gè)的測(cè)試測(cè)量行業(yè)。在那  
個(gè)時(shí)候，當(dāng)傳統(tǒng)儀器的供應(yīng)商們還在將微處理器和廠商定義的算法嵌入到他們提供的封閉式專用系統(tǒng)中，同時(shí)，一個(gè)全新的趨勢(shì)——即打開測(cè)量系統(tǒng)、允許用戶自己定義分析算法并且配置數(shù)據(jù)的顯示方式——已經(jīng)開始形成。就這樣，虛擬儀器技術(shù)的概念誕生了。

　　虛擬儀器系統(tǒng)在早期面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。那個(gè)時(shí)候通用接口總線(GPIB, IEEE 488)已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)方式去連接儀器和計(jì)算機(jī)、將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理器、執(zhí)行分析功能并且顯示結(jié)果。不過，市場(chǎng)上的各個(gè)儀器廠商都使用各自的命令集來控制各自的產(chǎn)品，同時(shí)虛擬儀器技術(shù)的編程對(duì)于那些習(xí)慣用BASIC等文本語言來編程的專業(yè)人員來說是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。很明顯，市場(chǎng)需要一種更高層更強(qiáng)大的工具，但是這個(gè)工具到底是什么，當(dāng)時(shí)卻并不明朗。

　　轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在1984年，那一年蘋果公司推出了帶有圖形化功能的Macintosh計(jì)算機(jī)。較之以往鍵入命令行，人們通過使用鼠標(biāo)和圖標(biāo)大大提高了創(chuàng)造性和工作效率，同時(shí)，Macintosh的這種圖形化操作方式也激發(fā)了NI創(chuàng)始人之一Jeff Kodosky的靈感。

　　1985年6月，Jeff Kodosky領(lǐng)導(dǎo)著一組工程師開始了圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW的編程工作，他們的研發(fā)成果就是推出了LabVIEW 1.0版本。在20年后的今天看來，這個(gè)產(chǎn)品的誕生大大超越了當(dāng)時(shí)業(yè)界的理念，具有深遠(yuǎn)的前瞻意義。

　　LabVIEW有三個(gè)圖形化面板：其一，前面板，即用戶界面，用來讓工程師去創(chuàng)建交互式的測(cè)量程序，這些面板可以與實(shí)際儀器的面板非常相似，或者也可以是按照工程師們的思維創(chuàng)新而定義的。其二，程序框圖，即代碼，同樣也是圖形化的界面，其執(zhí)行順序由數(shù)據(jù)流來決定，這一點(diǎn)在軟件開發(fā)中是至關(guān)重要的。最后是函數(shù)面板，顧名思義，它包括了一系列即選即用的函數(shù)庫(根據(jù)virtual instruments縮寫為VI)，供用戶在他們的測(cè)量項(xiàng)目中使用，能夠極大地提高他們的工作效率。

　　初始版本發(fā)布后，讓創(chuàng)始人Jeff Kodosky頗感驚喜的是，用戶們使用這一工具開發(fā)的應(yīng)用不單單局限于測(cè)試測(cè)量，并且擴(kuò)展到控制、建模和仿真領(lǐng)域。在工程師方面，他們也受到LabVIEW這一創(chuàng)新工具的啟發(fā)和鼓舞，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW的發(fā)布為不同領(lǐng)域的工程師開拓了創(chuàng)新的空間，為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用提供可能，而在此之前，這些應(yīng)用都是他們從未去嘗試過的。至此，LabVIEW就確立了在虛擬儀器技術(shù)中的基礎(chǔ)和核心地位。

　　在LabVIEW發(fā)展的同時(shí)，其他一些重要的技術(shù)也在迅猛發(fā)展中。1990年Microsoft發(fā)布了Windows 3.0圖形化操作系統(tǒng)，處理器和半導(dǎo)體行業(yè)也開始蓬勃起步。在其后的20年間，我們看到PC行業(yè)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。例如，目前的3 GHz PC就可用來進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通信測(cè)試應(yīng)用。回到1990年的時(shí)候，用當(dāng)時(shí)的PC(Intel 386/16)處理65,000個(gè)點(diǎn)的FFT(快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本測(cè)量)需要1100秒時(shí)間，而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench, John Walker]。相應(yīng)地，硬盤、顯示器和總線帶寬也獲得了性能上的提高。新一代的高速PC總線--PCI Express能提供高達(dá)3.2 GBytes/s的帶寬，從而可以基于PC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超高帶寬的測(cè)量。同樣的，半導(dǎo)體行業(yè)正不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、以及現(xiàn)成即用的商業(yè)ADC和DAC的標(biāo)準(zhǔn)，使得這些技術(shù)可以像在傳統(tǒng)廠商定義的儀器上使用一樣，在模塊化儀器上得到應(yīng)用，并為開放的平臺(tái)提供更多的優(yōu)勢(shì)，在用戶需求改變的情況下，讓終端用戶無需替換整個(gè)系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)元件的升級(jí)，并擁有自定義配置的功能。

技術(shù)發(fā)展到這一步，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)不再單純是一個(gè)概念性的名詞，而是成為了一個(gè)實(shí)際可行的解決方案，不但能為用戶帶去廣泛的靈活性和可擴(kuò)展性，而且可以實(shí)現(xiàn)成本上的節(jié)約。

　　虛擬儀器技術(shù)

　　成熟的虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成：高效的軟件編程環(huán)境、模塊化儀器和一個(gè)支持模塊化I/O集成的開放的硬件構(gòu)架。

　　在這個(gè)技術(shù)日新月異的時(shí)代，虛擬儀器技術(shù)為用戶帶來的靈活性和可擴(kuò)展性已經(jīng)不再是一種奢求，而是必需。Clayton Christensen在《Innovators Dilemma》一書中是這樣描述這一現(xiàn)象的：當(dāng)一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者面臨著同行/競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手推出更新、更先進(jìn)的技術(shù)之后，他們往往就要喪失原先的領(lǐng)導(dǎo)地位了，因此技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者(即革新者)們也面臨了新的技術(shù)革新所帶來的困境。一方面，技術(shù)革新為公司贏得市場(chǎng)立足點(diǎn)，以及擴(kuò)大市場(chǎng)份額的機(jī)會(huì)。但另一方面，隨著市場(chǎng)的成熟，這個(gè)加速公司成長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)卻難以長(zhǎng)久維

持，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)會(huì)使產(chǎn)品逐漸商品化、大眾化，原先該產(chǎn)品上與眾不同的地方會(huì)逐漸變得普通，需要有新的技術(shù)革新帶來新的產(chǎn)品亮點(diǎn)。于是革新反而就開始成為一種責(zé)任，迫使公司為了保持在市場(chǎng)上既有的領(lǐng)導(dǎo)地位，持續(xù)不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，并且要以最短的時(shí)間將革新成果推向市場(chǎng)。

　　隨著產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間不斷縮短，帶給儀器供應(yīng)商的壓力也越大。廠商定義的解決方案能否滿足用戶不斷提出的新要求、新標(biāo)準(zhǔn)和新特性？

　　我們看到現(xiàn)在產(chǎn)品的體積越來越小，同時(shí)需要集成的特性越來越多，這就要求有更多的儀器進(jìn)行測(cè)量，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，因此，不同儀器I/O之間的同步變得至關(guān)重要，測(cè)量空間的因素也需要考慮在內(nèi)。面對(duì)這樣的情況，越來越多的工程師開始轉(zhuǎn)向虛擬儀器技術(shù)這一解決方案，不單是快速發(fā)展的消費(fèi)電子、通訊等市場(chǎng)，甚至是一貫保守的美國(guó)國(guó)防部也加入了這一行列，他們使用“綜合性儀器(Synthetic Instrument)”這樣相似的概念名詞來預(yù)示著大規(guī)模的行業(yè)應(yīng)用。在向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告中，國(guó)防部指出：“在開發(fā)綜合性儀器時(shí)，采用新近的商業(yè)化技術(shù)實(shí)時(shí)地配置儀器，從而實(shí)現(xiàn)各種測(cè)試功能......單個(gè)綜合性儀器可以代替多個(gè)獨(dú)立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設(shè)備過時(shí)的問題。”[摘自2002年2月，國(guó)防部技術(shù)改進(jìn)辦公室向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告]。

　　虛擬儀器技術(shù)，以及其他實(shí)質(zhì)相似的概念，為增加靈活性、降低投資成本、提高測(cè)試系統(tǒng)使用壽命，同時(shí)確�？煽啃缘纫�求，提供了一個(gè)理想的解決方案。

　　超越測(cè)試測(cè)量范疇

　　工程師眼下面對(duì)的挑戰(zhàn)與20年前的截然不同——現(xiàn)在已經(jīng)不再是單純的自動(dòng)化方面的考慮了，而是在于復(fù)雜性。系統(tǒng)的復(fù)雜性急速增加，越來越多的特性功能集成到單一的設(shè)備中，并且每年不斷有新技術(shù)涌現(xiàn)出來以確保公司在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。這種復(fù)雜性的增加迫使工程師們要去盡快學(xué)習(xí)和采用新的工具應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

　　舉兩個(gè)典型的例子：多核處理器和FPGA。

　　多核處理器解決了傳統(tǒng)方式下功耗的限制，并遵循摩爾定律繼續(xù)推進(jìn)處理器技術(shù)的發(fā)展。這種方式的光明前景讓Intel在其發(fā)展藍(lán)圖上規(guī)劃了2010年推出32核處理器的目標(biāo)。正因?yàn)橛性S多應(yīng)用能夠從并行執(zhí)行的方式中受益頗多，所以多核技術(shù)正在為工業(yè)應(yīng)用帶來巨大的機(jī)會(huì)。

　　同樣的，F(xiàn)PGA是另一個(gè)很好的范例。雖然FPGA稱不上是一個(gè)新興技術(shù)，不過近幾年來它在諸多領(lǐng)域得到了快速廣泛的采用(如圖1所示)。究其原因正是因?yàn)樯衔奶岬降男袠I(yè)挑戰(zhàn)，隨著產(chǎn)品復(fù)雜性的增加，通過編程去快速改變硬件功能的方式讓工程師不再需要重新設(shè)計(jì)硬件，就可以增加額外的特性。

　　以上舉例的這兩種以及其他一些技術(shù)都可以很好地幫助工程師工作，當(dāng)然其前提是他們能很快學(xué)習(xí)這些技術(shù)并使用起來。我們看到一個(gè)多年不變的原則是：工程師都需要一個(gè)創(chuàng)新的工具進(jìn)行工作，而這個(gè)原則與20年前相呼應(yīng)的是，圖形化的編程方式正是這樣一個(gè)理想的解決方案。自LabVIEW 1.0發(fā)布的20年間，有一系列重大升級(jí)版本的推出，每一次的升級(jí)均包括新的特性(如圖2所示)，但是其核心概念始終保持不變，充分表明這些創(chuàng)始之初即形成的核心概念的根本和強(qiáng)大。

　　與順序的文本編程語言不同，LabVIEW結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流語言在本質(zhì)上具有并行的特性，并且自1998年LabVIEW 5開始即可為多處理器機(jī)器提供預(yù)先設(shè)置的多線程支持功能。這意味著，工程師們可以將他們的程序從單核處理器轉(zhuǎn)換到多核處理器機(jī)器，并且實(shí)現(xiàn)更快速的自動(dòng)運(yùn)行。LabVIEW另一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)布是2003年的LabVIEW FPGA，LabVIEW FPGA的問世讓不具備VHDL編程經(jīng)驗(yàn)的人也同樣可以進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并且LabVIEW數(shù)據(jù)流并行性本質(zhì)上非常符合FPGA的并行電路特性。
　　　現(xiàn)在，以LabVIEW為核心的虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)的主流，同時(shí)LabVIEW正在向一個(gè)更高的階段躍進(jìn)——即貫穿從設(shè)計(jì)、原型、測(cè)試到生產(chǎn)全過程的“圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Graphical System Design)”平臺(tái)。

　　上文提及LabVIEW在本質(zhì)上具有并行的特性，工程師們可以使用這些他們最熟悉的方式(例如進(jìn)行建模、仿真的基于文本的數(shù)學(xué)方式，和程序框圖等)進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW還支持與C代碼、DLL和.NET技術(shù)的連接性。LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)還能實(shí)現(xiàn)測(cè)量的快速集成；大大減少系統(tǒng)的設(shè)置和配置時(shí)間，讓工程師們可以將更多的精力放在應(yīng)用本

身。最后，LabVIEW能為發(fā)布到現(xiàn)成即用商業(yè)平臺(tái)提供支持。

　　結(jié)語

　　電子系統(tǒng)開發(fā)的全新時(shí)代已經(jīng)到來。“圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”帶來的這一軟件平臺(tái)可集成多種計(jì)算模型，盡可能縮短設(shè)計(jì)過程中的實(shí)現(xiàn)時(shí)間。通過發(fā)布到靈活的現(xiàn)成硬件原型目標(biāo)平臺(tái)，例如NI基于FPGA的CompactRIO平臺(tái)，極大地縮短了首次原型化的時(shí)間，并且減少了用來設(shè)計(jì)自定義硬件所需的時(shí)間和成本。此外，可以通過現(xiàn)實(shí)的I/O結(jié)果，在一個(gè)更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)中進(jìn)行原型化——從而在其后的產(chǎn)品開發(fā)循環(huán)中避免代價(jià)昂貴的設(shè)計(jì)失誤。最后，在同一個(gè)軟件平臺(tái)貫穿從設(shè)計(jì)到原型到最終發(fā)布目標(biāo)的全過程，可以最大化地重復(fù)使用代碼，并為最后的發(fā)布降低轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度。因此，借助LabVIEW，用戶可以擁有一個(gè)從設(shè)計(jì)、原型到發(fā)布至嵌入式系統(tǒng)的完整圖形化平臺(tái)。