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虛擬儀器:在開放架構基礎上製作用戶定義的測試系統

上網時間: 2005年03月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:虛擬儀器  測試  控制  電腦  示波器 

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體、PC即插即用板之類的高性價比硬體和驅動軟體的電腦組成,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體為主的儀器系統向以軟體為主的系統的根本性轉移,它能充分發揮現代電腦強大的運算能力、產能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和積體電路技術在過去二十年裡有了長足的進步,但是是軟體在這些強大的硬體架構上設立起了虛擬儀器,並提供了更好的革新方式,大幅降低了成本。工程師和科學家可以利用虛擬儀器設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

示波器和波形產生器這樣的獨立傳統儀器有著非常強大的功能,但價格也比較昂貴,主要設計用於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製。儀器上的旋鈕、按鍵、內建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。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

而基於電腦的虛擬儀器具有能夠充分利用現有電腦中整合的最新技術的優勢。這些技術和性能上的優勢包括像P4這樣功能強大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋果公司的Mac OS X等作業系統和技術等。除了整合有強大的性能外,這些平台也具有非常容易存取網際網路等強大的特性。傳統儀器還經常缺少可攜性,而執行在筆記型電腦上的虛擬儀器則自動整合了可攜特性。

對於那些要求、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製作他們自己的解決方案。他們可以採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體和即插即用硬體俯拾皆是。以模組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,同時加速產品上市時間和提高自己產品的品質。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。

虛擬儀器中的軟體

軟體是虛擬儀器中最重要的組成部份。工程師和科學家透過合適的軟體工具設計和整合某個特殊過程所需的程序,就能夠有效地製作他們自己的應用程式。他們還可以製作正確的用戶介面,以滿足應用目的和互動使用的需求。他們可以定義應用軟體如何和何時從設備獲取數據、如何處理或分析數據、管理和儲存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體在儀器中製作智慧和決策能力。軟體所具有的另外一個重要優勢是模組化特性。在處理大型計畫時,工程師和科學家可以將整個計畫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,因而減少了可能引起預料外行為的可能性。

虛擬儀器並不侷限於一台獨立的電腦。事實上,隨著近來網路技術和網際網路的蓬勃發展,儀器使用強大的互連功能進行任務的分配將越來越普遍。典型例子包括超級電腦、分散式監控和控制設備,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提供了一個易於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,是虛擬儀器內整合的一個組成部份。

圖2. LabVIEW虛擬儀器架構圖

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定製設計虛擬儀器,在電腦螢幕上製作圖形化用戶介面,並通過這個介面作業儀器程式、控制選中的硬體、分析擷取的數據並顯示結果。

用戶還可以用旋鈕、按鍵、撥號器和圖形等元件定製虛擬儀器的面板來模擬傳統儀器的控制面板、製作定製的測試面板或以可視化的方式表達控制和作業過程。標準流程圖和圖形化程式之間的相似性縮短了與基於文本的傳統語言相關的學習過程。

將圖標連接在一起製作出方塊圖就可以決定虛擬儀器的行為,這也是科學家和工程師們較為自然的設計理念。通過圖形化編程可以比傳統編程更快地開發出系統,同時還能保留製作各種不同應用所需的功能和靈活性。

虛擬儀器在工程過程中的各個階段(從研究、設計到製造測試)都具有巨大的優勢。

在研究和設計階段,工程師和科學家需要快速的開發和原型設立能力。而利用虛擬儀器可以快速開發程式,並在同一個儀器上測試原型、分析結果,所需時間只是傳統儀器測試時間的很少一部份。

研發(R&D)應用要求無縫地整合軟體和硬體。不管是否需要通過GPIB與一台獨立的儀器相連,是否需要通過數據擷取板和訊號調節硬體將訊號直接送入電腦,LabVIEW都能非常簡捷地將軟硬體連接起來。利用虛擬儀器可以使測試流程實現自動化,消除可能的手工作業錯誤,而且由於不會引起未知或預料之外的變化,因此可以確保結果的一致性。

開發測試和可用性

利用虛擬儀器的靈活性和強大功能可以很容易地設立複雜的測試過程。針對自動的設計驗證測試,用戶可以在LabVIEW中設立測試程序,並與測試管理軟體整合在一起,比如與具有強大測試管理功能的TestStand整合在一起。

減少測試時間和簡化測試過程的開發是製造測試中最基本的努力目標,而虛擬儀器提供的高性能則可以滿足這些要求。這些基於個人電腦的工具具有能夠平行執行多重測試序列的高速、多執行緒引擎,因此可以完全滿足嚴格的吞吐量要求。NI公司的TestStand能夠在用LabVIEW編寫的程序上非常方便地管理測試序列、測試執行和測試報告。

製造應用要求軟體必須是可靠的、高性能的和可互通作業的。虛擬儀器具有所有這些優勢,它整合了諸如警示、歷史數據發展趨勢、安全、網路、產業I/O和企業互連等性能。用戶可以利用這些功能方便地連接許多類型的產業設備,如PLC、產業網路、分散式I/O以及插入式數據擷取板。

虛擬儀器不止是個人電腦

近來商用PC技術已經開始向嵌入式系統轉移,例如用於嵌入式開發的Windows CE、基於Intel x86的處理器、PCI和CompactPCI匯流排和乙太網路技術等。為了實現成本和性能的優勢,虛擬儀器採用的也是商用技術,這些商用技術同樣也在增加嵌入式和即時功能。例如,LabVIEW既可執行於Linux,也可針對特殊嵌入式目標執行於VenturCom提供的嵌入式ETS即時作業系統。如將虛擬儀器作為從桌上型電腦擴展到嵌入式設備的可升級框架,那麼應該把虛擬儀器看作是嵌入式系統開發者的完整工具箱中的工具之一。

顯著影響嵌入式系統開發的技術變化是網路和Web。乙太網路已經成為全球各個公司使用的標準網路架構。此外,PC領域中Web介面的普及也已經漫延到了行動電話、PDA以及目前的產業數據擷取和控制系統的開發。

由於虛擬儀器軟體可以利用交叉平台編譯技術將桌上型電腦和即時系統整合在一個開發環境中,用戶現在就可以利用內建Web伺服器和台式軟體的易用網路功能,並將它移植至即時和嵌入式系統中。例如,可以利用LabVIEW簡單地配置內建Web伺服器,並向網路上定義好的安全機器輸出windows上的應用介面,然後透過該介面下載應用並執行於手持裝置中的傻瓜式嵌入式系統上。整個過程無需嵌入式系統所要求的額外編程。

嵌入式系統開發是發展最快的工程領域之一,在可預見的未來將繼續得到發展,因為消費者需要更聰明的汽車、設備、家用設備等等。這些商用技術的革新將有力地推進虛擬儀器的普及。提供虛擬儀器軟體和硬體工具的領先企業需要在專業技術和產品開發上加大投資,以更好地服務這一領域。例如針對NI旗艦產品虛擬儀器軟體平台LabVIEW,NI公司描繪的發展前景是這樣的:從針對桌上型作業系統的開發向嵌入式即時系統、向手持式個人數位助理、向基於FPGA的硬體、甚至向智慧感應器轉移。

整合在一起的軟硬體、靈活的模組化工具、商用技術的使用等一系列虛擬儀器概念共同形成了一個基礎架構,在該架構上工程師或科學家們可以快速完成他們的系統開發並維持很長一段時間。由於虛擬儀器可以在嵌入式開發中提供許多可選項和功能,因此非常有助於嵌入式開發者理解和閱覽這些工具。

本文小結

虛擬儀器採用了越來越先進的電腦技術,可以在開放架構基礎上製作用戶定義的系統。這一概念不僅可以確保用戶遠離供應商定義的系統,還可確保今天的系統能夠平滑得到升級以滿足明天的需求。

作者:Chandran Nair


Managing Director, National Instruments-South East Asia





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