虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器間的關(guān)系

1.5 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器間的關(guān)系

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多年來，虛擬儀器的概念已經(jīng)被更多的科學(xué)家和工程師及院校的師生所熟知。虛擬儀器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、工業(yè)過程監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化測量領(lǐng)域。

虛擬儀器是實(shí)實(shí)在在的電子測量儀器，虛擬的含義主要體現(xiàn)在將儀器的部分硬件功能及數(shù)據(jù)分析處理功能以軟件的形式被虛擬化。這與網(wǎng)絡(luò)世界中虛擬的概念是完全不同的，網(wǎng)絡(luò)世界中的虛擬表現(xiàn)出的是一種不存在的虛幻。

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1.5.1 虛擬儀器會(huì)取代傳統(tǒng)儀器嗎？如何看待虛擬儀器，它與傳統(tǒng)儀器間會(huì)有什么不同之處？它會(huì)取代傳統(tǒng)儀器嗎？

正像當(dāng)年數(shù)字式儀表剛剛出現(xiàn)時(shí)，也曾有過類似的問題提出：數(shù)字式儀表會(huì)取代模擬式儀表嗎？當(dāng)時(shí)可謂是眾說紛紜，看法不一?？墒?，直到今天數(shù)字式儀表也未能 完全取代模擬式儀表。但是，數(shù)字化肯定是儀器儀表的發(fā)展趨勢。比如：民用電度表、手機(jī)、電視、照相機(jī)等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化了！

可以說，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，虛擬儀器還不會(huì)取代傳統(tǒng)儀器，因?yàn)樗鼈冇懈髯缘奶攸c(diǎn)和各自的優(yōu)勢。
不管未來會(huì)發(fā)生什么樣的變化，現(xiàn)在還是一起來看看虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器間的差別，參見表1－1。表 1－1傳統(tǒng)儀器的發(fā)展已經(jīng)近百年了，虛擬儀器的出現(xiàn)不過才短短的二十多年。正是由于它們之間存在著各自不同的特點(diǎn)和特性，所以目前還不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關(guān)系仍舊是良好的一種互補(bǔ)關(guān)系。

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1.5.2 模擬電子技術(shù)仍主導(dǎo)著虛擬儀器的未來在此之前，我們一直強(qiáng)調(diào)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測量儀器，軟件在虛擬儀器中起著重要作用。的確如此，但是也千萬不要忽視這樣一個(gè)基本事實(shí)：模擬電子技術(shù)在虛擬儀器硬件（IC）中也同樣承擔(dān)的非常非常重要的作用。

虛擬儀器的測量原理是基于數(shù)據(jù)采集模塊，而數(shù)據(jù)采集模塊中最核心部件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。可以說，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特性決定了數(shù)據(jù)采集模塊的特性，而數(shù)據(jù)采集卡的特性決定了整個(gè)測量儀器的基本特性。
工業(yè)自動(dòng)化測量需要的是定量測量，測量結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本特性有關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度特性決定了數(shù)據(jù)采集模塊的使用環(huán)境，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 長期穩(wěn)定性決定了數(shù)據(jù)采集模塊校準(zhǔn)周期。當(dāng)然，模塊的設(shè)計(jì)者可以通過其它技術(shù)手段來保證數(shù)據(jù)采集模塊的技術(shù)性能。比如NI的數(shù)據(jù)采集模塊從E系列發(fā)展到M 系列，其技術(shù)性能的提升完全取決于模擬電子技術(shù)的進(jìn)步所致，其中包括了：高速16－18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)置基準(zhǔn)源的等設(shè)計(jì)手段。從而使M系列的數(shù)據(jù)采集模 塊校準(zhǔn)周期定為2年。

筆者的一塊NI PXI 6251數(shù)據(jù)采集模塊，已經(jīng)使用了4年，最近對它測試表明其準(zhǔn)確度還保持在出廠時(shí)的校準(zhǔn)水平。

還有，C系列模塊的功能多樣性恰恰是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的多樣性所帶來的。

縱觀NI的數(shù)據(jù)采集模塊，絕大多數(shù)都是使用商品化的模數(shù)轉(zhuǎn)換IC。未來，只有模擬電子技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，才會(huì)給虛擬儀器的發(fā)展帶來更多的新機(jī)會(huì)。

正是NI公司在軟、硬件設(shè)計(jì)上具有個(gè)性鮮明的特點(diǎn)和連通性，才會(huì)使它成為虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威專業(yè)制造商和領(lǐng)跑者。

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1.5.3 數(shù)字電子技術(shù)使得虛擬儀器設(shè)計(jì)更加靈活數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展同樣影響著虛擬儀器的性能，如：E系列6014模塊的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器為：2個(gè) 24 bits 時(shí)鐘頻率20MHz；而M系列6251的則為：2個(gè)32 bits 時(shí)鐘頻率80 MHz；X系列6320的則為：4個(gè)32 bits 時(shí)鐘頻率100 MHz。在性能不斷提高的同時(shí)，價(jià)格和功耗確在不斷的下降，原因就是數(shù)字電子技術(shù)的不斷進(jìn)步所致。

特別是NI的板載FPGA技術(shù)推出，使得一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加自主化、更加機(jī)動(dòng)靈活。我們知道，數(shù)據(jù)采集模塊的基本性能是確定性的，用戶只有按照確定性的要求 來選擇使用。當(dāng)系統(tǒng)中一旦需要一些比較特殊的要求時(shí)，我們無能為力來改進(jìn)或解決。NI R系列模塊提供了某些解決辦法，這就是對FPGA進(jìn)行在線編程實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)的軟件化。

NI R系列多功能RIO設(shè)備具有每通道專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的定時(shí)和觸發(fā)。它提供超越典型數(shù)據(jù)采集硬件功能的多種專項(xiàng)功能，如：多速率采樣和單通道觸發(fā)。NI R系列模塊提供的可編程FPGA芯片，更適合板載處理和靈活的I/O操作。
NI R系列數(shù)字RIO設(shè)備和LabVIEW FPGA，允許我們配置自定義的硬件，滿足各種應(yīng)用的需要，如：自定義數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集、高速波形生成、傳感器仿真、硬件在環(huán)(HIL)測試、自定義數(shù)字通信協(xié)議、誤碼率測試以及其它要求精確定時(shí)和控制的應(yīng)用程序。

我們可借助于NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項(xiàng)功能。該程序框圖在硬件中運(yùn)行, 有助于直接而及時(shí)地控制全部I/O信號, 實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)優(yōu)越性能, 例如:
完全控制所有信號及操作的同步和定時(shí)
具有硬件定時(shí)的速度和可靠性的自定義板載決策
百余種可個(gè)別配置的數(shù)字線, 如: 輸入、輸出、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、靈活的編碼器輸入或?qū)ｉT的通信協(xié)議

對于FPGA的編程和設(shè)計(jì)，我們根本不用重新學(xué)習(xí)VHDL編程語言，在NI LabVIEW平臺(tái)下借助NI LabVIEW FPGA模塊就可以采用圖形編程的方法設(shè)計(jì)自己所需的硬件電路。這樣不僅大大減輕和緩解了學(xué)習(xí)和應(yīng)用方面的壓力，同時(shí)還加快驗(yàn)證和發(fā)布創(chuàng)新應(yīng)用的速度。

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1.5.4 高端測量儀器領(lǐng)域傳統(tǒng)儀器仍是主宰者所謂高端測量儀器是指那些使用在精密實(shí)驗(yàn)室的測量儀器，特別是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。對這類測量儀器通常會(huì)有比較特殊的要求。比如儀器的本底噪聲要小、滿足電磁兼容 性的要求、使用環(huán)境溫度、濕度要保證在一定的范圍內(nèi)等。所以精密實(shí)驗(yàn)室的測量儀器領(lǐng)域一直被傳統(tǒng)儀器所占據(jù)著。比如8位半的數(shù)字電壓表、萬用表，數(shù)GHz 的射頻信號發(fā)生器及分析儀等。

筆者認(rèn)為：造成這樣的原因是多方面的：虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測量儀器，而計(jì)算機(jī)總線上總是會(huì)存在著一些噪聲，這對精密測試影響很大。相對而言，傳統(tǒng)儀器在設(shè)計(jì)上完全可以做到精雕細(xì)刻，力求盡善盡美，而虛擬儀器的設(shè)計(jì)很難做到這點(diǎn)。
另外，傳統(tǒng)的精密測量儀器用的大多是線性（模擬）供電電源，而虛擬儀器大多由開關(guān)電源供電。所以在抑制電源噪聲干擾方面?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的確要比虛擬儀器做得好些。

虛擬儀器在精密實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用方面的優(yōu)勢還是通過儀器的接口總線（GPIB等）構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化測試系統(tǒng)。綜上所述，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器之間不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關(guān)系仍舊是良好的一種互補(bǔ)關(guān)系。