虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器有何不同

作為全球虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，NI僅在2004年就為客戶提供了超過6,000,000套虛擬儀器測量設(shè)備。25年來，工程師使用虛擬儀器技術(shù)將靈活的軟件以及PC技術(shù)的強大功能引入測試、控制和設(shè)計應(yīng)用，從而使得在直流（DC）至2.7GHz的范圍內(nèi)可以進行精確的模擬和數(shù)字測量。本文闡述了虛擬儀器技術(shù)和傳統(tǒng)儀器之間的兼容性和區(qū)別。

什么是虛擬儀器？它與傳統(tǒng)儀器有何不同？
虛擬儀器由用戶定義，而傳統(tǒng)儀器則功能固定且由廠商定義。



圖1、傳統(tǒng)儀器（左圖）和基于軟件的虛擬儀器（右圖）具有許多相同的結(jié)構(gòu)組件，但是在體系結(jié)構(gòu)原理上完全不同

每一個虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成——軟件和硬件。對于當(dāng)前的測量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無幾，甚至比它少很多倍。而且，由于虛擬儀器在測量任務(wù)需要改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節(jié)省的成本也不斷累計。

不使用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器技術(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。

這里有一些體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子：

1.一個應(yīng)用，不同的設(shè)備
在這個例子中， 一位工程師正在實驗室的臺式計算機PCI總線上使用NI LabVIEW和M系列DAQ設(shè)備開發(fā)一個應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個直流（DC）電壓和溫度測量應(yīng)用。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測試?；蛘?，他可能需要應(yīng)用程序具有便攜性，所以他選擇了NI USB DAQ產(chǎn)品來完成任務(wù)。在這個例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在同一個程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。



圖2、在許多設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序之時升級硬件十分輕松

2.許多應(yīng)用程序，一個設(shè)備
假設(shè)有另外一個工程師，剛剛完成了一個利用最新的M系列DAQ設(shè)備和積分編碼器測量電機位置的項目。他的下一個項目是監(jiān)視和記錄這個電機的功率。即使任務(wù)完全不同他也可以重用同樣的M系列DAQ 設(shè)備。他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應(yīng)用程序。此外，如果需要的話，項目既可以與一個單一的應(yīng)用程序結(jié)合也可以運行在一個單一的M系列DAQ設(shè)備。



圖3、通過為許多應(yīng)用程序重復(fù)使用硬件減少成本

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器硬件性能如何？
NI致力于使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的商業(yè)可用技術(shù)：NI使用Microsoft在操作系統(tǒng)(OS)和開發(fā)工具方面的諸多技術(shù)；在硬件方面，NI則基于Analog Devices在A/D轉(zhuǎn)換器方面的研究成果。

基本上，虛擬儀器系統(tǒng)是基于軟件的，所以如果只要是可以數(shù)字化的東西，就可以對它進行測量。因此，測量硬件可在通過兩根坐標(biāo)軸進行評估，即分辨率（位）和頻率。參考下圖可以看出虛擬儀器硬件測量性能與傳統(tǒng)儀器的比較。NI的目標(biāo)就是將曲線在頻率和分辨率上延伸并且在曲線內(nèi)進行不斷推陳出新。



圖4、虛擬儀器硬件與傳統(tǒng)儀器的比較

虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器能夠兼容嗎？
許多工程師和科學(xué)家都在實驗室里將虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器結(jié)合使用。除此之外，一些傳統(tǒng)儀器提供了特定的測量，工程師和科學(xué)家寧愿廠商定義也不愿自己定義。這就引出了一個問題，“虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器能夠兼容嗎？”

虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無一例外。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線 (如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)) 相連接的函數(shù)庫。

除了提供庫之外，200多家儀器廠商也為NI儀器驅(qū)動庫提供了4000余種儀器驅(qū)動。儀器驅(qū)動提供了一套高層且可讀的函數(shù)以及儀器接口。每一個儀器驅(qū)動都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計，從而為它獨特的性能提供接口。

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虛擬儀器和綜合性儀器有何不同？
自動測試工業(yè)中一個基本的趨勢就是往基于軟件的測試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。例如，美國國防部（DoD）是世界上最大的自動測試設(shè)備（ATE）客戶之一。為了減少測試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計劃已經(jīng)確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復(fù)配置的軟件處于將來系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變?；谲浖y試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要對硬件平臺和市場上軟件工具的理解，以及對系統(tǒng)級體系結(jié)構(gòu)和儀器級體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。

綜合性儀器執(zhí)行團體將綜合性儀器定義為“一個可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號或者使用數(shù)值處理技術(shù)進行測量”。這與虛擬儀器的許多性質(zhì)相同，虛擬儀器是“一個軟件定義的系統(tǒng)，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測量硬件的功能”。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。通過將測量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過來又提高了性能同時減少了成本。