虛擬儀器：開放架構基礎上創建用戶定義

隨著技術發展、上市時間縮短，要求工程師和科學家對業界挑戰作出更快速、高效的回應。虛擬儀器概念的開發是電腦的日益普及和產業與研究領域競爭性增強的產物。本文說明虛擬儀器的概念，及其在提高產能、精確度和性能方面的優勢。

虛擬儀器主要由裝備了強大應用軟件、PC即插即用板之類的高性價比硬件和驅動軟件的計算機組成，這些配備能夠在測試和自動控制方面提供比傳統儀器更強的功能。虛擬儀器代表了以傳統硬件為主的儀器系統向以軟件為主的系統的根本性轉移，它能充分發揮現代計算機強大的計算能力、產能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和集成電路技術在過去二十年里有了長足的進步，但是是軟件在這些強大的硬件架構上建立起了虛擬儀器，并提供了更好的革新方式，極大地降低了成本。工程師和科學家可以利用虛擬儀器建立能夠完全符合他們要求的(用戶定義)測試和自動控制系統，而不再受傳統固定功能儀器(供應商定義)的限制。

與傳統儀器的對比

像示波器和波形發生器這樣的單個獨立的傳統儀器有著非常強大的功能，但價格也比較昂貴，主要設計用于執行一個或多個供應商定義好的特殊任務。用戶一般不能進行擴展或定制。儀器上的旋鈕、按鍵、內置電路以及用戶可用的功能都非常明確。另外，開發這些儀器必須使用許多專業技術和昂貴的元件，因此這些傳統儀器價格非常高，普及速度比較慢。

而基于電腦的虛擬儀器具有能夠充分利用現有電腦中集成的最新技術的優勢。這些技術和性能上的優勢包括P4這樣功能強大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋果Mac OS X等操作系統和技術等。除了整合有強大的性能外，這些平臺也非常容易訪問因特網等強大的工具。傳統儀器還經常缺少便攜性，而運行在筆記本上的虛擬儀器則自動整合了便攜特性。

對于那些要求、應用和需求改變非常快的工程師和科學家來說，需要很大的靈活性來創建他們自己的解決方案。他們可以采用虛擬儀器來滿足他們的特殊要求，而且無需替換整個設備，因為安裝在電腦上的各種應用軟件和即插即用硬件俯拾皆是。以模塊化方式定義系統的靈活性可以使工程師和科學家真正遠離昂貴的供應商定義的系統。

利用虛擬儀器解決方案可以降低資本費用、系統開發成本和系統維護成本，同時加快產品上市時間和提高自己產品的質量。虛擬儀器能讓用戶為他們的“需求”付費，而不再為從供應商定義系統被動“獲得的東西”而付費。

虛擬儀器中的軟件

軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分。工程師和科學家通過合適的軟件工具設計和集成某個特殊過程所需的例程就能夠有效地創建他們自己的應用程序。他們還可以創建正確的能夠完全滿足應用目的和交互使用要求的用戶接口。他們可以定義應用軟件如何和何時從設備獲取數據、如何處理或分析數據、管理和存儲數據以及將結果呈現給用戶。

他們還可以利用功能強大的軟件在儀器中創建智能和決策能力。軟件所具有的另外一個重要優勢是模塊化特性。在處理大型項目時，工程師和科學家可以將整個項目分成多個較易解決的功能性單元。這些子任務將更容易管理，更容易測試，從而減少了可能引起預料外行為的可能性。

虛擬儀器并不局限于一臺獨立的電腦。事實上，隨著近來網絡技術和因特網的蓬勃發展，儀器使用強大的互連功能進行任務的分配將越來越普遍。典型例子包括超級計算機、分布式監控和控制設備以及來自不同地理位置的數據或結果可視化。

國家儀器公司(NI)作為虛擬儀器的先驅推出了圖形化編程環境LabVIEW。LabVIEW提供了一個易于使用的專門設計以滿足工程師和科學家需求的應用開發環境，是虛擬儀器內集成的一個組成部分。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

圖形化編程

圖形化編程環境是LabVIEW向工程師和科學家提供的強大性能之一。用戶可以利用LabVIEW定制設計虛擬儀器，在計算機屏幕上創建圖形化用戶接口，并通過這個接口操作儀器程序、控制選中的硬件、分析捕獲的數據并顯示結果。

用戶還可以用旋鈕、按鍵、撥號器和圖形等元件定制虛擬儀器的面板來模擬傳統儀器的控制面板、創建定制的測試面板或以可視化的方式表達控制和操作過程。標準流程圖和圖形化程序之間的相似性縮短了與基于文本的傳統語言相關的學習過程。