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虚拟仪器技术常见问题解答


虚拟仪器技术常见问题解答(FAQ)
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虚拟仪器和 NI 为什么虚拟仪器技术十分必要? 什么是虚拟仪器技术? 为什么虚拟仪器技术如此成功? 什么使得 NI 在虚拟仪器领域处于领先地位? 什么使得 NI 区别于其他虚拟仪器技术公司? 谁在使用 NI 的虚拟仪器产品?

虚拟仪器和传统仪器的比较 什么是虚拟仪器?它和传统仪器有什么区别? 如何比较虚拟仪器和传统仪器硬件性能 虚拟仪器和传统仪器兼容吗? 虚拟仪器和综合性仪器的区别是什么? 虚拟仪器应用领域 虚拟仪器在过去的 25 年里是如何发展的? 虚拟仪器给自动测试应用带来的益处是什么? 虚拟仪器如何应用于控制和工业应用? 虚拟仪器给设计带来的益处是什么? 虚拟仪器软件 为什么软件对于虚拟仪器如此重要? 什么使得 LabVIEW 对于虚拟仪器如此完美? 什么是测量服务软件? NI 虚拟仪器产品支持哪些操作系统(OS)?

虚拟仪器硬件 虚拟仪器软件运行于什么硬件 I/O 和平台? 新的总线技术如 USB 2.0 和 PCI Express 如何提高虚拟仪器的性能? 以太网给虚拟仪器带来的益处是什么?

虚拟仪器技术和 NI
为什么虚拟仪器技术十分必要? 虚拟仪器十分必要是因为它给予了仪器快速的适应能力,这是当今的观念、产品、过程设计、开发和配送所要 求的。只有虚拟仪器可以使得工程师和科学家能够创建用户定义的仪器以与世界的需要同步。 为了满足更快地革新和传递观念与产品这个不断增长的需要,科学家和工程师正转向先进的电子元件、处理器 和软件。以现代的手机为例,大多数具有上一代的最新特性,包括音频、电话本和文本消息性能。新的版本包 括摄像机、MP3播放器、蓝牙网络和因特网浏览功能。 由于设备变得越来越以软件为中心,所以先进的电子元件提高功能是可能的。工程师和科学家无需改变硬件就 可以给设备添加新功能,这就造成了无需花费昂贵的硬件成本就可以提高观念和产品。这延长了产品的生命和

使用期限并且减少了产品交付时间。工程师和科学家可以通过软件提高功能而不用为了一个特定的工作开发专 门的电子元件。 然而,这种功能的提高却付出了代价。升级的功能引入了不可见的相互作用或错误的可能性。因此,正如设备 级的软件有助于快速开发和扩展功能一样,设计和测试仪器也必须改变以检验改进的性能。 满足这些需要的唯一方式就是利用测试和控制体系结构(也是软件为中心的)。由于利用了高效率的软件、模 块化I/O和商用平台,所以虚拟仪器专门定位在与最新观念和产品开发速率同步。NI的LabVIEW,一个领先的虚 拟仪器图形化开发环境,使用符号或图形表示来加速开发。软件使用符号表示功能,通过快速地配置图形块来 巩固功能进一步加速了开发。 另一个虚拟仪器组成部分是模块化I/O,它设计成可以迅速地以任何顺序或数量进行组合来确保虚拟仪器能够监 视和控制任意一个开发方面。使用为模块化I/O精心设计的软件驱动,工程师和科学家可以在并行操作期间快速 地获得功能。 虚拟仪器第三个组成部分——商用平台使用(经常由于精确同步而得到增强)——确保了虚拟仪器利用了最新 的计算机性能和数据传输技术。这使得虚拟仪器建立在一个长期的技术基础之上,这个基础与在处理器、总线 等方面的高额投资成比例关系。 总而言之,随着革新要求软件利用加速新的观念和产品开发,它也要求仪器迅速适应新功能。由于虚拟仪器使 用了软件、模块化 I/O 和商用平台,它使得仪器格外的符合保持与当今观念和产品开发同步的要求。 什么是虚拟仪器技术? 使用虚拟仪器技术,基于用户需求的软件定义了通用目的的测量和控制硬件功能。虚拟仪器将主流的商用技术 如 PC 和灵活性的软件以及广泛的测量和控制硬件结合到一起,因此工程师和科学家能够创建完全满足他们需 要的用户定义的系统。利用虚拟仪器,工程师和科学家缩短了开发时间,设计出了更高质量的产品并且减少了 设计成本。

图 1.虚拟仪器结合了高效的软件、模块化 I/O 和可扩展的平台 NI 在 15 余年前引入了虚拟仪器技术,从而改变了工程师和科学家测量身边的世界和使之自动化的方式。2004 年,NI 在 90 个国家销售了超过 6 百万套虚拟仪器。今天,虚拟仪器已经得到了主流的接受而且在全世界数以 千计的工业应用中使用,从汽车到消费电子,再到石油和燃气。

为什么虚拟仪器技术如此成功? 虚拟仪器技术通过提供一种建立测量和自动系统的崭新模型而得到主流的采用。它成功的关键包括迅速的 PC 发展,爆炸性的低成本、高性能的数据转换发展(半导体)以及系统设计软件的出现。这些因素使得虚拟仪器 系统能够接近广泛的用户。 尤其是 PC 性能在过去的 20 年间增长了 10,000 多倍。通过使用每个新一代的 PC 处理器、显示和 I/O 总线分 析测量和解决新的应用挑战,虚拟仪器充分利用了 PC 性能的提高。这些快速的发展,以及学校更早地开始专 业技术和计算机知识的普及这一普遍趋势,都促成了基于计算机的虚拟仪器的成功应用。

图 2,PC 10,000 倍的性能提高有助于驱使虚拟仪器系统性能提高 虚拟仪器另一个驱动器是高性能、低成本的模拟—数字(ADC)和数字—模拟(DAC)转换器的发展。诸如无 线通信和高清晰度视频的应用不断地影响着这些技术。当传统专有转换技术趋于缓慢发展时,商用半导体技术 却趋于遵从摩尔定律——每 18 个月性能翻一番。虚拟仪器硬件使用广泛可得的半导体来提供高性能的测量前沿 产品。 最后,提供了设计自定义仪器系统直观界面的系统设计软件进一步促进了虚拟仪器的发展。LabVIEW 正是这类 软件的一个例子。LabVIEW 图形化开发环境提供了编程语言的性能和灵活性,以及专为测量和自动化应用设计 的高层功能和配置功能。

图 3.在 LabVIEW 图形化开发环境里开发的范例代码

什么使得 NI 在虚拟仪器领域处于领先地位? 简而言之,答案是软件。软件使得工程师和科学家能够创建用户自定义的仪器。

任一虚拟仪器的核心就是灵活的软件,而 NI 发明了世界上最好的虚拟仪器软件平台之一——LabVIEW。 LabVIEW 是一个强大的图形化开发环境,用于信号采集、测量分析和数据显示,无需传统开发工具的复杂性就 给予了编程语言的灵活性。自 1986 年 NI 引入适用 Macintosh 操作系统的 LabVIEW 以来,它就迅速且始终如 一地吸引那些寻求一种高效且强大的编程语言来用于测试、控制和设计应用的工程师和科学家。今天, LabVIEW 是数以千计的工程师和科学家首选的图形化开发环境。 对于那些偏爱基于文本编程的工程师,NI 也提供了针对 ANSI C 和 LabWindows/CVI 的应用程序开发环境,以 及使用 Visual Studio .NET 和 Measurement Studio 进行虚拟仪器开发的工具。

图 4.LabVIEW 是用于基于 PC 数据采集和仪器控制领域的领先应用软件

虽然软件是每个虚拟仪器的核心,然而几乎所有的虚拟仪器都需要测量硬件精确地取得测量结果。由于独立于 所选择的编程环境,所以虚拟仪器软件必须提供出色的与系统测量硬件的结合。NI 的软件,包括 LabVIEW, 提供了与来自上千家第三方硬件厂商数以万计产品的开放式连接,如传感器、摄像机、执行器、传统仪器和插 入式设备(USB、PCI 等)。 2004 年,NI 测量硬件提供给客户超过 6, 000,000 套虚拟仪器测量设备。从低成本的 USB 数据采集到图像采集 和过程控制视觉系统,再到 2.7GHz 的 RF 测量和 GPIB 总线通信,NI 已经在 25,000 多家公司面前展示了它可 以提供完成虚拟仪器所需要的测量硬件和可扩展的硬件平台。 什么使得 NI 区别于其他虚拟仪器公司? 25 年来,NI 一直是虚拟仪器领域的领导者。这种领导力通过持续且一贯的创新而不断发展并延续。 由于 NI 发明并革新了#1 虚拟仪器图形化开发环境 LabVIEW,它吸引了数以千计的工程师和科学家建立虚拟仪 器。通过理解客户项目开发需求,NI 一贯地提供跳跃式的软件革新,包括 Express 技术、LabVIEW 实时模块 和 LabVIEW PDA 模块,以及 NI SignalExpress: 1. Express 技术 2003 年,NI 为 LabVIEW、LabWindow/CVI 和 Measurement Studio 创建了 Express 技术,在保留强 大的功能的同时减少代码复杂性。今天,超过 50%的数据采集客户使用 DAQ 助手来简化数据采集任 务。

2. LabVIEW 实时模块和 LabVIEW PDA 模块 NI 为使用 LabVIEW 实时模块完成确定性执行扩展了 LabVIEW,并且开发了与之匹配的硬件平台使得 嵌入式应用程序运行成为现实。LabVIEW PDA 模块将虚拟仪器和 LabVIEW 平台扩展至手持设备。 3. NI SignalExpress 设计和测试工程师要求 NI 提供虚拟仪器软件来交互式测量和分析数据。作为回应,NI 创建了 SignalExpress——一个拖放且无需编程的完美环境用来经进行试探性测量。 除了强大的软件优势,NI 是众多虚拟仪器公司中提供了最为广泛和创新性的 I/O 选择。为了帮助工程师和科学 家满足不断激增的需求,NI 不断地发布产品以进一步扩展产品的宽度。一些最近的硬件革新例子包括 NI USB DAQ 设备,NI M 系列 DAQ 设备和 NI CompactRIO: 1. USB DAQ 设备 在最近的调查中,70%的 NI 数据采集(DAQ)客户表示他们希望在不久的将来购买多功能的 USB DAQ 设备。在那个月,NI 发布了 NI USB-6008,价格定为 $145US(这是多功能 DAQ 设备最新的低 价点)。 2. M 系列 DAQ 设备 NI 在 2004 年后期发布 M 系列 DAQ 设备产品线之时确立了在插入式数据采集领域的领导地位。第一个 18 位的 PCI 设备,第一个具有最高吞吐量达六个 DMA 通道的 PCI 数据采集设备以及即将得到专利的 设备校准方案等等这些都只是这个设备系列与众不同的特性中的一小部分。 3. NI CompactRIO 可配置的控制和 I/O NI I/O 产品中最有创新性的新增功能之一就是 CompactRIO。通过一个位于 I/O 平台核心的 FPGA 芯 片,工程师利用 LabVIEW FPGA 可以创建自定义的硬件并且可以不断得重复自定义。

什么用户使用 NI 的虚拟仪器产品? NI 的客户包括工程师、科学家和许多工业领域的专业技术人士。从测试 DVD 录像机导研究先进的医药,他们 都使用 NI 的软件和硬件以开发用户定义的仪器并且以更快的速度、更低的成本提供各种产品和服务。 这里是一些客户如何使用 NI 虚拟仪器产品的例子: 1. AP Racing——建立 Formula 1 测径器和刹车测试测力计 30 多年来,AP Racing 一直是世界上刹车测径器和赛车离合器技术及生产方面的领导者。AP Racing 认为使用一个新的特殊的测力计可以带来显著的优势,而且使用 NI 的 DAQ 设备和 LabVIEW 所构建的 虚拟仪器提供了它所需要的灵活性以在市场中革新。 2. Lexmark——墨盒电气性能测试 Lexmark International 公司的 Ed Coleman 说:“随着使用基于 PC 的模块化仪器和工业标准软件来以 最少的开发时间继续改善我们的测试系统从而满足最新的要求,并且升级至 NI 5122、NI 6552 和 LabVIEW 7 Express,因而我们提高了产品的质量和产量同时以最小的开发费用提高了我们的测试性 能。 3. Texas Instruments——RF 和无线组件特性测试 德州仪器(TI)拥有将近 40 亿美元的收益,是领先的无线 IC 提供者之一。为了简化特性测试过程,TI 创建了由 NI TestStand 和 LabVIEW 驱使的测试开发、管理和自动化软件。通过使用 NI 产品,TI 扩大 了市场同时没有损失质量和资源。 4. Drivven——摩托车引擎控制单元(ECU)原型设计

在过去的项目中,Drivven 至少要花费 2 人-年(man-year)和$500,000 来使用自定义的硬件开发 ECU 原型。对于这个项目,设备成本(包括摩托车和 CompactRIO)总计$15,000,而且开发时间只花费了 将近 3 人-月(man-month)。基于 FPGA 的可重复配置的硬件、CompactRIO 和 LabVIEW 实时模块 提供了可靠性和精确的定时资源,而且系统十分稳定,足以承受极高的操作环境温度和振动。

如想了解并阅读更多关于客户解决方案的信息,请访问 ni.com/china/solutions.

虚拟仪器和传统仪器的比较
什么是虚拟仪器?它和传统仪器有什么区别? 虚拟仪器是由用户定义,而传统仪器的功能是固定的且由厂商定义。
GPIB, ENET, USB,… Proprietary Processor, OS

VI Development Software

GPIB, ENET, USB,…

PC Processor, OS

Fixed User Interface

Firmware PCI Bus
Timing and Control

Software User Interface PCI/PXI Bus
Timing and Control (FPGA)

Measurement Subsystem Power Supply

Modular Hardware

Shared Power Supply

图 5.传统仪器(左图)和基于软件的虚拟仪器(右图)具有许多相同的结构组件, 但是在体系结构原理上完全不同 每一个虚拟仪器都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务,虚拟仪器的标价与具有相似功能的传 统仪器相差无几,甚至比它少许多倍。然而,由于虚拟仪器在测量任务改变时具有更大的灵活性,因而随着时 间的流逝,节省的成本不断累计。 通过不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件,工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器 把所有软件和测量电路封装在一起的产品提供给他们,这是以使用仪器前面板而损失一定固定功能作为代价 的。而虚拟仪器则是提供完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件。此外,利用虚拟仪器,工程师和科学家 可以使用高效且强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。 这里是实际中显现灵活性的一些例子: 1. 一个应用程序,不同的设备 考虑这样一个特殊的例子,一位工程师正在实验室的台式计算机 PCI 总线上使用 LabVIEW 和 M 系列 DAQ 设备开发一个应用程序,以创建一个直流(DC)电压和温度测量应用。在完成了系统构建之后, 他需要在一个生产层 PXI 系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者,他可能需要应用程序具有 便携性,所以他选择了 NI USB DAQ 产品来完成任务。在这个例子中,无论是何种选择,在这三种情 况下,他都可以仅在一个程序中使用虚拟仪器而无需改变代码。

图 6.在许多设备使用同样的应用程序之时升级硬件十分轻松 2. 许多应用程序,一个设备 考虑另外一个工程师,刚刚完成了一个利用最新的 M 系列 DAQ 设备和积分编码器测量电机位置的项 目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同她也可以重用同样的 M 系列 DAQ 设备。他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外,如果需要的话,项目既 可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的 M 系列 DAQ 设备。

图 7.通过为许多应用程序重用硬件减少成本

如何比较虚拟仪器和传统仪器硬件性能? 虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。NI 致力于适应或使用诸如 Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx 以及其他公司的高投入技术。NI 使用 Microsoft 在操作系统(OS) 和开发工具方面的巨大投资。在硬件方面,NI 基于 Analog Devices 在 A/D 转换器方面的投资。 由于虚拟仪器是基于软件的,所以基本上如果你可以对它数字化,就可以对它进行测量。因此,测量硬件可在 两个坐标轴上观察,即分辨率(位)和频率。参考下图可以看出虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。NI 的目标就是将曲线在频率和分辨率上延伸并且在曲线内进行创新。

图 8.虚拟仪器硬件与传统仪器的比较

虚拟仪器和传统仪器兼容吗? 许多工程师和科学家都在实验室里将虚拟仪器和传统仪器相结合。除此之外,一些传统仪器提供了特定的测 量,即工程师和科学家宁愿厂商定义而不愿自定义的测量。这就引出了一个问题,“虚拟仪器和传统仪器兼容 吗?” 虚拟仪器无一例外地与传统仪器相兼容。虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线相连接的库,例如 GPIB、串行总线和以太网。 除了提供库之外,200 多家仪器厂商向 NI 仪器驱动库提供了 4000 余种的仪器驱动。仪器驱动提供了一套高层 且人工可读的函数以与仪器接口。每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计,从而为它独特的性能提 供接口。 欲寻求仪器驱动或了解如何为仪器创建驱动,请访问 ni.com/idnet

虚拟仪器和综合性仪器的区别是什么? 自动测试工业里一个基本的趋势就是向基于软件的测试系统的重大转变。例如,美国国防部(DoD)是世界上 最大的自动测试设备(ATE)客户之一。为了减少测试系统的成本并提高重用率,DoD 通过海军的 NxTest 计 划已经确定:将来的 ATE 要使用建立在模块化硬件和可重复配置的软件之上的体系结构,称为综合性仪器。采 用综合性仪器代表了将来军用 ATE 系统标准和规范的重大发展,并且反映出可重复配置的软件处于将来系统核 心地位这一基本转变。基于软件测试系统的成功应用,例如综合性仪器,需要对硬件平台和市场上软件工具的 理解,以及对系统级体系结构和仪器级体系结构之间区别的理解。 综合性仪器执行团体将综合性仪器定义为“一个可重复配置的系统,它通过标准化的接口连接一系列基本硬件 和软件组件,从而产生信号或者使用数值处理技术进行测量”。这与虚拟仪器的许多性质相同,虚拟仪器是 “一个软件定义的系统,其中基于用户需要的软件定义了通用测量硬件的功能”。两种定义享有共同的性质, 即运行于商用硬件之上的可自定义软件的仪器。通过将测量功能转向用户可接触并可重复配置的硬件,那些采 用这种体系结构的仪器从具有更大灵活性和可重复配置功能的系统中受益,而且这些系统反过来又提高了性能 同时减少了成本。

虚拟仪器应用领域
虚拟仪器技术在过去的 25 年里是如何发展的? 虚拟仪器技术一直在测试和测量领域广泛使用。而且,通过不断的 LabVIEW 革新和数以百计的测量硬件设 备,虚拟仪器技术逐渐扩大了它所触及的应用范围。今天,NI 率先将这一技术扩展到控制和设计部分。曾促进 了测试发展的益处正开始加速控制和设计的发展。工程师和科学家不断提高对虚拟仪器的要求,以希望有效地 满足世界范围的需要,他们正是这一加速背后的驱动力。 近来 NI 加速测试、控制和设计创新的一个例子就是使用 LabVIEW FPGA 进行编程的基于 FPGA 的硬件。如果 工程师需要一个新的硬件性能,如板载 DSP,或者新的触发模式,您甚至可以在同样的软件中定义这种性能并 且将它应用在板载的 FPGA 上。工程师和科学家一直可以通过使用 LabVIEW 和模块化 I/O 来创建高度集成的 用户自定义系统,而现在他们也可以将可自定义配置能力扩展至硬件本身。这种用户可配置能力和透明度将会 改变工程师建立测试系统的方式。

图 9.LabVIEW 使用户定义的仪器和可自定义的硬件成为可能

虚拟仪器给自动测试应用带来的益处是什么? 测试一直是虚拟仪器长期应用的领域。超过 25,000 家公司(大部分是测试和测量公司)使用 NI 的虚拟仪器。 现在,许多公司都迅速地采用了具有高达 200MS/s 数字化性能的产品。PXI 系统联盟拥有 60 多个成员,提供 了数以百计的产品,而且数以万计的 R&D、验证和产品测试工程师和科学家正在使用成千上万的仪器驱动。 而且,现在对于测试的需要越来越大。随着创新的步伐越来越快,希望新的不同的产品更快地进入市场的压力 越来越大。消费者的期望在不断的增加。以电子市场为例,消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小 的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要,但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业 成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。 所有这些条件都驱使新的验证、检验和生产测试需要。一个能与创新保持同步的测试平台不是或有或无的,而 是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速

上市和高效生产产品的需要要求高吞吐量的测试。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品需要精确的同步测 量能力,而且随着公司不断地结合创新以提供不同的产品,测试系统必须快速地调整以测试这些新特性。 虚拟仪器是对这些挑战的一种革新性解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建 用户定义的测试系统。虚拟仪器提供了: 用于快速测试开发的直观软件工具 基于创新商用技术的快速、精确的模块化 I/O 具有集成同步功能的基于 PC 的平台,以实现高精确度和高吞吐量

虚拟仪器技术如何应用于控制和工业应用? PC 和 PLC 在控制和工业应用中都发挥着十分重要的作用。PC 带来了更大的软件灵活性和更多的性能,而 PLC 则提供了优良的稳定性和可靠性。但是随着控制需求越来越复杂,加速性能并同时保持稳定性和可靠性就 成为公认的需要。 独立的工业专家已经意识到了对工具的需要,这种工具应该能够满足不断增长的对更加复杂、动态、自适应和 基于算法控制的需要。PAC 正是工业的需求也是虚拟仪器的回答。 一个独立的研究公司定义了可编程自动控制器(PAC)来解决这个问题。ARC 研究机构的 Craig Resnick 将 PAC 定义成: 1. 多领域功能(逻辑、运动、驱动和过程)——这个概念支持多种 I/O 类型。逻辑、运动和其他功能的集 成是不断增长的负责控制方法的要求。 2. 单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种 I/O 和控制方案 3. 用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作。 4. 一组 de facto 网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术。 5. 开放式、模块化体系结构——设计和技术标准与规范必须是在实现中开放的、模块化的和可结合的。 PAC 给 PC 软件的灵活性增添了 PLC 的稳定性和可靠性。LabVIEW 软件和稳定、实时的控制硬件平台对于创 建 PAC 是十分完美的。

虚拟仪器技术给设计带来的益处是什么? 使用各种软件设计工具的设计工程师必须使用硬件来测试原型。通常,在设计阶段和测试/验证阶段之间没有一 个良好的接口,这就意味着设计必须经历一个完成阶段而后进入测试/验证阶段。测试阶段发现的问题需要不断 反复设计阶段。

图 10.测试在当今电子设备的设计和生产中发挥着重要的作用

事实上,开发过程有两个完全不同且分离的阶段——设计和测试是两个单独的实体。在设计方面,EDA 工具厂 商承受着巨大的压力与不断增长的半导体设计和生产集团复杂要求相互作用。工程师和科学家要求随着产品从 原理图设计到仿真再到物理层,EDA 应具有从一个工具到其他的工具可重复使用设计的能力。相似地,测试系 统开发正朝模块化方式发展。这两个世界之间的间隙在传统上一直被忽视,直到在新的产品原型设计阶段才第 一次引起注意。传统上,这一阶段是产品设计者使用台式仪器将物理原型与他们的设计对照,进行完整性检查 以获得正确性。设计者手工地进行测量,在他们的仪器上探测电路并监测信号以发现问题或性能局限。随着设 计反复地经历建立-测量-调整-重建立这个过程,设计者再次需要同样的测量。此外,这些测量可能十分复 杂——需要频率、幅值和温度自始至终地随所采集和分析的数据而变动。由于工程师注重于设计工具,所以他 们不愿意学习如何将他们的测试自动化。 具有内在集成属性的系统容易扩展并且能适应不断增长的产品功能。一旦需要新的测试,工程师只需要简单地 给平台添加新的模块以完成测量。虚拟仪器软件的灵活性和虚拟仪器硬件的模块化使得虚拟仪器成为加速开发 周期的必需。

虚拟仪器软件问题
为什么软件对于虚拟仪器如此重要? 每一个虚拟仪器都建立在灵活和强大的软件之上,这是通过具有创新精神的工程师或科学家应用所在领域的专 业知识来自定义测量和控制应用来实现。 虚拟仪器软件可以划分成几种不同的类别。大部分人马上想到就是应用软件层。这是为建立一个应用所需的首 要开发环境。它所包含的软件诸如 LabVIEW、NI LabWindows/CVI(ANSI C)和 NI Measurement Studio (Visual Studio 编程语言)。在此之上是测试执行层,一个集成了应用程序层开发的所有功能并提供系统范围 数据管理的环境。下一层通常被忽略但是对于维持软件开发效率却十分重要。测量和控制服务层包括与所有硬 件通信的驱动。它必须能存取和保存硬件功能和性能,也必须是可交互操作的——它必须与所有其他的驱动和 可能成为解决方案一部分的众多模块化 I/O 类型协同工作。

图 11.虚拟仪器软件

什么使得 LabVIEW 对于虚拟仪器如此完美? LabVIEW 是虚拟仪器的重要部分因为它提供了一个易于使用的应用程序开发环境,专门为工程师和科学家而设 计。LabVIEW 提供了许多强大的特性使得它与广泛的硬件和其他软件轻松连接。这一易于使用和其他特性提供 了虚拟仪器软件开发环境所需的灵活性。结果就是用户定义的界面和用户定义的应用程序功能。

LabVIEW 提供的众多强大特性之一就是图形化编程环境。利用 LabVIEW,工程师和科学家可以通过在计算机 屏幕上创建一个图形化的用户界面设计自定义的虚拟仪器。通过计算机屏幕,他们可以: 操作仪器程序 控制所选择的硬件 分析所采集的数据 显示结果

他们可以使用旋钮、按钮、表盘和图表自定义 LabVIEW 用户界面,或者前面板,从而仿效传统仪器的控制面 板、创建自定义的测试面板或者可视化地表示过程控制和操作。

图 12.LabVIEW 虚拟仪器包括用户界面和应用程序逻辑

通过连接图标来创建方块图(对于工程师和科学家来说是自然设计符号)即可决定虚拟仪器的行为。利用图形 化编程,工程师和科学家可以比通常的编程语言更快地开发系统,同时保持了创建各种应用程序所需的灵活 性。LabVIEW 是一个开放式环境,它包含了即时使用的库,从串行总线、以太网和 GPIB 通信到运动控制,数 据采集和图像采集。

什么是测量服务软件? 测量服务软件相当于 I/O 驱动软件层。然而,它不仅仅是一个驱动。虽然经常被忽视,但是它是快速开发应用 程序所需的最重要元素之一。这一软件将虚拟仪器软件与用于测量和控制的硬件向连接。它包括直观的应用程 序编程界面、仪器驱动、配置工具、快速 I/O 助手和其他包含在 NI 硬件产品之中的软件。NI 测量服务软件提供 了与 NI 硬件和 NI 应用程序开发环境的优化结合。 NI-DAQmx 测量 服务软件 自动代码生成 配置管理 模拟、数字和计数测试面板 到真实信号单位的标定 各种类型的硬件和 I/O 设备使用同一个 API 开发效率 一般的数据采 集硬件驱动 -

> 3000 测量例程 数据记录软件 定位错误诊断 Optimized multithreaded I/O performance 优化的多线程 I/O 性能 优化的单点循环 实时性能 完整的测量路径校准   高级的设备校准   工业标准 表示最好 表示好 -表示无 表 1. NI-DAQmx 包括高性能的驱动和附加软件以提高效率

< 20 -

性能

-

NI 测量&自动化浏览器和 DAQ 助手只是 NI-DAQmx 测量服务软件(应用在许多 NI DAQ 设备上)所包含的众 多价值中的两个例子。NI 也在每个 M 系列 DAQ 设备、USB DAQ 设备以及其他许多设备上包含了免费的数据 记录软件。 诸如测量&自动化浏览器之类的配置工具可以配置和测试 I/O,以及存储、缩放、校准和收集通道混叠信息。这 些工具对于以更快时间完成首次测量、发现并解决测试系统故障以及维护是十分重要的。 I/O 助手是一个交互式工具,用来快速创建测量或刺激应用程序。以仪器 I/O 助手和 DAQ 助手为例。如下图所 示的 DAQ 助手显示了一个无需编程即可配置常用数据采集参数的面板。易于使用的助手和强大编程环境的结 合提供了快速的开发和满足广泛应用需要的能力。

图 13. NI-DAQmx 里可得的 DAQ 助手简化了数据采集任务的创建

NI 虚拟仪器支持哪些操作系统(OS)? NI 为在流行的操作系统(包括 Windows (XP/2000/NT) 、Mac OS X、Linux、 PocketPC 和 PalmOS)上开发 虚拟仪器提供了虚拟仪器软件支持和 DAQ、GPIB 及其他硬件支持。

除了这些常见的操作系统,NI 也支持运行在实时操作系统之上的确定性测量和控制系统。实时平台为应用程序 提供了框架,从而可以及时的按预期运行并具有增强的可靠性,而且无需交互作用即可单独运行。在桌面环境 里开发之后,工程师或科学家编译代码并把它应用到 NI 实时硬件对象。

虚拟仪器硬件问题
虚拟仪器软件运行于什么硬件 I/O 和平台? I/O 在虚拟仪器中发挥着重要作用。为了加速测试、控制和设计,I/O 硬件必须快速适应新的观念和产品。虚拟 仪器以在可扩展的硬件平台里的模块化的形式提供了这种能力。 NI 模块化 I/O 涵盖了各种不同的 I/O 类型,因此工程师和科学家可以在众多种类中选择 I/O,包括模拟、数字、 计数/计时、图像和运动。模块化 I/O 也包括模块化仪器,例如示波器、仪表、任意波形发生器、LCR 仪表等 等。利用各种出色的 I/O,工程师可以随意选择任意应用程序所要求的 I/O 类型。细心的工程师确保了这些不同 类型的 I/O 可以无缝地一起工作,这意味着他们可以有效地共享底板和定时资源。 包含 I/O 的标准硬件平台对于 I/O 模块化十分重要。手提和台式电脑提供了一个出色的平台,在这个平台上虚 拟仪器可以使用已有的大部分标准,如 USB、PCI、以太网和 PCMCIA 总想。通过使用这些标准总线,NI 可以 致力于测量硬件革新同时从不可避免的 PC 平台革新中受益(例如,USB2.0 和 PCI Express)。

图 14.模块化 I/O 和可扩展的平台(如 USB、PCI 和 PXI)提供了灵活性和可扩展性 除了使用标准平台之外,NI 作为 65 个厂商联盟的一部分,极力推动用于虚拟仪器的 PXI 硬件平台。PXI 是一 个建立在 PC 技术之上的模块化 I/O 标准。它在基于 PC 的体系结构上增加了集成定时和同步、工业稳定性和增 强的通道计数。今天,为 PXI 平台而创建的 1000 余种产品正在世界范围内为数以千计的公司使用。 选择合适的平台来创建虚拟仪器依赖于特定的应用要求。例如,便携性、精确的同步和采集速率都在选择平台 时起到作用。

PXI

台式

总线 采样率 分辨率 通道容量 便携性 实时控制 触发和同步 稳定性

CompactPCI

PCI

硬件平台 Compact 便携式 FieldPoint USB, PCMCIA, IEEE 1394 以太网、串口、无 (火线) 线、Fieldbus

CompactRIO 以太网、串 口、CAN

Feature 特性

最好

较好 好 表 2.NI 硬件平台比较

新的总线技术如 USB 2.0 和 PCI Express 如何提高虚拟仪器的性能? 与传统仪器相比,虚拟仪器利用了商业上可得的计算机技术进步来以更低的代价进行更快的、更高性能的测 量。其中的一个例子就是利用 PC 数据总线。在仪器通信接口如串口和 GPIB 数十年几乎保持不变的时候,新 的 PC 总线在带宽和易用性上提供了巨大的提高。从 20 世纪 60 年代中期开始,根据摩尔定律,PC 处理能力 几乎每 18 个月翻一番。现在,数据总线如 PCI Express 和 USB 2.0 正在速度上进行相似的跳跃。良好的虚拟 仪器软件利用了这些最新的技术同时将对虚拟仪器应用的影响最小化。 32 位、33MHz 的 PCI 总线所提供的 132MB/s 的带宽仍然存在于大多数台式 PC,这正好与 10 年前的插入式外 设形成对照,但是现在可以被单一的设备所垄断,例如串行 ATA 驱动器。而且 1G 网卡—1000mb/s—使用了 大约 95%的可从 PCI 总线获得的带宽。PCI 总线体系结构要求总线上所有的设备共享可得的 132MB/s 的带 宽,因此高带宽设备如串行 ATA 驱动器和 1G 网卡将抑制 PCI 总线上的其他设备。为了弥补这些局限,一个成 为 PCI Express 的新串行总线近来开始应用在新 PC 上。PCI Express 保持了与 PCI 的软件兼容性,但是用高 速(2.5Gb/s)的串行总线替代了物理总线。数据在被成为“信道”的发射和接收信号对以数据包的形式传送, 具有大约单向每信道 200MB/s 的带宽。多信道可以结合在一起构成 x1、x2、x4 和 x8 的信道带宽,而且与总 线上所有设备共享带宽的 PCI 不同,这个带宽是提供给系统中每个设备的。PCI Express 给虚拟仪器带来的益 处是显而易见的。插入式设备如数据采集设备和抓帧器可以利用提高的带宽来实现更快的采集和更高的吞吐 量,而且多系统设备可从有保障的带宽可用性中受益。

图 15.PC 总线技术的发展 现已作为所有新的台式和便携式 PC 上标准的 USB 2.0 也为虚拟仪器提供了显著的益处。最初时为诸如键盘和 鼠标等外设与 PC 的连接而创建的 USB 迅速地成为普遍的标准,用来向 PC 和电子设备(包括数字照相机、 MP3 播放器甚至数据采集设备)中发送和接收数据。USB 即插即用的特性使得可用性和设备的移动性十分简 单。PC 在一个新设备插入时自动检测,寻找设备识别,并且适当地配置所需的驱动。此外,USB 是热插拔 的,所以不同于其他数据总线,在添加或去除设备之前无需关机。与 USB 1.1 相比,USB 2.0 的高速度提高了 数据吞吐量,将带宽增加至 480Mb/s。 所有的 PC 都装有 USB 2.0 端口,而且 PCI Express 正在成为一种全新的插入式总线标准。正如 Intel、Dell、 HP 和其他厂商继续开发基于这些技术的系统和组件,规模经济将会继续提高性能并减少成本。虚拟仪器和 NI 产品将继续利用这些总线技术的发展来提供更低价格但更快速的测试和测量产品。

以太网给虚拟仪器技术带来的益处是什么? 虚拟仪器系统频繁地使用以太网用于远程测试系统控制、分布式 I/O 和企业数据共享。使用以太网的首要益处 就是成本。几乎在所有的情况下,以太网都处于测量系统之上,所以通常它只给测量系统本身增添极少成本。 以太网提供了一个低成本、适中吞吐量的方法来实现交换数据和远程控制命令。然而,由于基于数据包的体系 结构,以太网不是确定性的而且相对高的等待时间。对于某些应用如仪器系统,缺乏确定性和高等待时间使得 以太网成为集成邻近 I/O 模块的拙劣选择。这些情形最好使用专有总线如 PXI、VXI 和 GPIB 来实现。 通常,一个虚拟仪器系统使用其他总线与以太网配合。典型地,一个网络节点包含模块化 I/O 簇。每个簇使用 高速、低等待时间的总线在不同 I/O 模块之间交换数据。为了与相邻节点通信、向远程地点传输数据或者从远 程地点接受命令,网络节点使用以太网。

PCs PCs PCs

Ethernet
PXI, VXI, GPIB, etc

PXI, VXI, GPIB, etc

I/O Module

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图 16.基于以太网/LAN 的虚拟仪器系统实例

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