虚拟仪器技术的飞跃

虚拟仪器技术

成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架。

在这个技术日新月异的时代，虚拟仪器技术为用户带来的灵活性和可扩展性已经不再是一种奢求，而是必需。Clayton Christensen在《Innovators Dilemma》一书中是这样描述这一现象的：当一个市场领导者面临着同行/竞争对手推出更新、更先进的技术之后，他们往往就要丧失原先的领导地位了，因此技术领导者(即革新者)们也面临了新的技术革新所带来的困境。一方面，技术革新为公司赢得市场立足点，以及扩大市场份额的机会。但另一方面，随着市场的成熟，这个加速公司成长的竞争优势却难以长久维持，因为竞争会使产品逐渐商品化、大众化，原先该产品上与众不同的地方会逐渐变得普通，需要有新的技术革新带来新的产品亮点。于是革新反而就开始成为一种责任，迫使公司为了保持在市场上既有的领导地位，持续不断地进行技术革新，并且要以最短的时间将革新成果推向市场。

随着产品开发时间不断缩短，带给仪器供应商的压力也越大。厂商定义的解决方案能否满足用户不断提出的新要求、新标准和新特性？

我们看到现在产品的体积越来越小，同时需要集成的特性越来越多，这就要求有更多的仪器进行测量，从而确保产品质量，因此，不同仪器I/O之间的同步变得至关重要，测量空间的因素也需要考虑在内。面对这样的情况，越来越多的工程师开始转向虚拟仪器技术这一解决方案，不单是快速发展的消费电子、通讯等市场，甚至是一贯保守的美国国防部也加入了这一行列，他们使用“综合性仪器(Synthetic Instrument)”这样相似的概念名词来预示着大规模的行业应用。在向国会提交的报告中，国防部指出：“在开发综合性仪器时，采用新近的商业化技术实时地配置仪器，从而实现各种测试功能......单个综合性仪器可以代替多个独立仪器的功能，从而减小了后勤装备的体积并解决了设备过时的问题。”[摘自2002年2月，国防部技术改进办公室向国会提交的报告]。

虚拟仪器技术，以及其他实质相似的概念，为增加灵活性、降低投资成本、提高测试系统使用寿命，同时确保可靠性等要求，提供了一个理想的解决方案。

超越测试测量范畴

工程师眼下面对的挑战与20年前的截然不同——现在已经不再是单纯的自动化方面的考虑了，而是在于复杂性。系统的复杂性急速增加，越来越多的特性功能集成到单一的设备中，并且每年不断有新技术涌现出来以确保公司在市场上的竞争力。这种复杂性的增加迫使工程师们要去尽快学习和采用新的工具应对挑战。

举两个典型的例子：多核处理器和FPGA。

多核处理器解决了传统方式下功耗的限制，并遵循摩尔定律继续推进处理器技术的发展。这种方式的光明前景让Intel在其发展蓝图上规划了2010年推出32核处理器的目标。正因为有许多应用能够从并行执行的方式中受益颇多，所以多核技术正在为工业应用带来巨大的机会。

同样的，FPGA是另一个很好的范例。虽然FPGA称不上是一个新兴技术，不过近几年来它在诸多领域得到了快速广泛的采用(如图1所示)。究其原因正是因为上文提到的行业挑战，随着产品复杂性的增加，通过编程去快速改变硬件功能的方式让工程师不再需要重新设计硬件，就可以增加额外的特性。  



图1 FPGA得到快速广泛的采用

以上举例的这两种以及其他一些技术都可以很好地帮助工程师工作，当然其前提是他们能很快学习这些技术并使用起来。我们看到一个多年不变的原则是：工程师都需要一个创新的工具进行工作，而这个原则与20年前相呼应的是，图形化的编程方式正是这样一个理想的解决方案。自LabVIEW 1.0发布的20年间，有一系列重大升级版本的推出，每一次的升级均包括新的特性(如图2所示)，但是其核心概念始终保持不变，充分表明这些创始之初即形成的核心概念的根本和强大。 　



图2 LabVIEW的20年发展

与顺序的文本编程语言不同，LabVIEW结构化的数据流语言在本质上具有并行的特性，并且自1998年LabVIEW 5开始即可为多处理器机器提供预先设置的多线程支持功能。这意味着，工程师们可以将他们的程序从单核处理器转换到多核处理器机器，并且实现更快速的自动运行。LabVIEW另一个具有里程碑意义的发布是2003年的LabVIEW FPGA，LabVIEW FPGA的问世让不具备VHDL编程经验的人也同样可以进行硬件设计，并且LabVIEW数据流并行性本质上非常符合FPGA的并行电路特性。(如图3所示)　



图3 LabVIEW数据流并行性本质上非常符合FPGA的并行电路特性

现在，以LabVIEW为核心的虚拟仪器技术已经成为测试测量行业的主流，同时LabVIEW正在向一个更高的阶段跃进——即贯穿从设计、原型、测试到生产全过程的“图形化系统设计(Graphical System Design)”平台。

上文提及LabVIEW在本质上具有并行的特性，工程师们可以使用这些他们最熟悉的方式(例如进行建模、仿真的基于文本的数学方式，和程序框图等)进行开发。LabVIEW还支持与C代码、DLL和.NET技术的连接性。LabVIEW图形化开发平台还能实现测量的快速集成；大大减少系统的设置和配置时间，让工程师们可以将更多的精力放在应用本身。最后，LabVIEW能为发布到现成即用商业平台提供支持。