LabVIEW——北方客栈

2010年4月18，第一稿
2011年6月17日，第二稿

    虚拟仪器是基于计算机的测试测量仪器。毫无疑问，它必将充分利用和发挥现代商业计算机上的所有的软硬件资源。
 

    目前所有商业化计算机都采用的是可视化的操作系统，比如Windows、Mac OS、Linux。    这些可视化操作系统是基于鼠标、键盘等事件响应。依据事件响应的处理方式或者弹出交互式窗口或者是对话框，与用户进行交互式的人机对话。
    这种操作形式恰恰也是虚拟仪器所期待的最佳的操作方式，当然也是虚拟仪器使用者所十分熟悉的操作方式。

    借助于可视化操作系统平台，完全可以实现虚拟仪器的独立开发和发布运行。

    借助于可视化操作系统平台，虚拟仪器可将传统仪器面板上的硬件部件，比如按键、开关、图形指示器等，用软件的方法设计在应用软件的面板上（界面上）。这些软件面板的逼真度看起来与真实的传统仪器面板几乎没有太大的区别。并且可以通过鼠标或键盘来操纵和控制这些形象逼真的仪器部件。请记住，这些部件都是“永不磨损”的！修改和更换仅需通过软件的重新编程来实现。

    商业化计算机作为应用平台有众多的应用软件，比如Word、Excel、浏览器、数据库等等。虚拟仪器完全可以充分地利用这些现成有效的资源。
    尽管可视化操作系统的运行环境十分强大，但它还是有不尽如人意的地方。比如它的实时性就远不如嵌入式系统好。在测控系统中对实时性的要求往往是一个比较突出的问题，为解决这个问题，NI也提供了对实时操作系统（RT）的支持。

    虚拟仪器是建立和运行在商业化计算机上，这使得虚拟仪器天生就具有得天独厚的硬件运行环境。随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器的运行环境也会得到不断地提升。

    虚拟仪器凭借着现代计算机的多核技术（目前8核CPU已商业化）、以nGHz为单位的超高速执行速度、数据吞吐超强的总线带宽（PCIe）以及以数GB字节为单位的数据存储能力，使得基于计算机的测量向着多通道同步采集和实时数据分析处理等方面迈出了坚实的一步。
    借助于商业计算机，虚拟仪器测量能力和运算处理能力上的提升是其它智能化仪器系统和嵌入式系统所无法赶超和比拟的。所以说虚拟仪器的运行引擎是最强大的。

    现代计算机本身已经配备有丰富的硬件接口资源，虚拟仪器完全可以充分利用这些现成的接口资源。
    作为虚拟仪器的缔造者，NI公司已经为这些接口设计了众多的数据采集模块。这些总线不同、功能各异的数据采集模块，为虚拟仪器设计提供了丰富的、可选择的硬件资源。
    特别是，最近几年NI先后推出了基于USB接口的NI CompactDAQ数据采集平台、基于NI CompactRIO的数据采集平台、基于Ethernet DAQ的数据采集模块、基于无线通讯的Wi－Fi数据采集模块。为虚拟仪器应用提供了更多的选择模式。

    现代电子测量仪器是离不开供电电源的，在有些应用场合寻找合适的供电电源的确是一件很麻烦的事。
    我们曾在一个现场便携式应变测量仪的设计方案中，选择了基于USB接口的NI USB 9237数据采集模块，选择该模块不仅解决了信号调理的问题（模块自带供桥电源），同时它通过USB接口与MacBook笔记本电脑相连还解决了模块的供电的问题。
    经验证，在同时为笔记本和数据采集模块供电的情况下，其电池的续航能力不低于5个小时。

    现代计算机具有高分辨力、色彩逼真、超大显示面积的高清显示器，相对于虚拟仪器这种完全基于交互式图形用户界面的测量仪器而言，无论是设计还是应用都堪称是最佳的工作环境。
    现代计算机具有不同的构成模式，如台式机、笔记本、上网本等。这些无疑对虚拟仪器的应用提供了更加灵活的、方便的选择。

    作为虚拟仪器的设计者和使用者，我们根本无须考虑对计算机本身的改进和提高，只需将精力和注意力放到测量任务本身上。因为现代计算机只是虚拟仪器的运行平台，我们只不过是在使用和利用这个平台。现代计算机是由第三方来制造的，我们大可不必关心如何提高它的技术性能，这些应该由计算机设计者和制造商来充分考虑。我们只需尽情享受和利用这些性能越来越好的产品。

    NI提供了近乎满足工程测试分析所需的绝大部分函数和内置VI（图形化程序代码），这些函数和内置VI经过多年来的使用证明是非常可靠的。虚拟仪器设计并非是要我们去设计这些函数（当然有这个能力会更好），而是重点考虑应用程序的软件设计和开发。这一点与嵌入式智能仪器设计完全不一样，尽管它们可能都是基于数据采集原理的，嵌入式系统则需要自行设计这些复杂的函数。

    这种基于软件的处理方式被称为数字信号处理技术（离散数据处理），数字信号处理技术就是基于计算机的信号处理方法，也就是基于软件的信号处理方法。
    在这种处理方法中，我们所熟悉和常见的许多模拟电路都不见了，包括运算电路、滤波器电路等（如果你曾设计过这样的模拟电路，就会清楚设计和调试中会有多少麻烦），取而代之的是那些基于软件的分析处理函数。正因为如此，强调软件在虚拟仪器中的重要性是必要的。由于传统仪器中许多硬件电路都被软件取代了。所以原来硬件电路所固有的一些非理想特性也都随之消失。比如非线性、温度漂移、转换系数误差的问题等等。可以说此时的测量特性仅仅取决于数据采集模块的技术性能。而计算机所带来的运算误差是完全可以忽略不计。

    虚拟仪器的测量功能是可以灵活的根据需要来选择确定。灵活性还体现在它可以任意减少和添加测量功能，因为这些完全是通过软件编程来实现的。比如测量任务要求做信号中的有效值分析，那么就选择有效值测量分析的函数；如果需要测量分析信号中的谐波分量，那就选择使用谐波分析函数来进行处理。这些分析处理函数都是通过图形化程序来实现的。

    强调软件在虚拟仪器中的作用，并不意味着硬件就不重要了。上面曾谈到过测量结果的好坏取决于数据采集模块的技术性能，这点是毋庸置疑的。由于硬件的技术特性是确定性的无法再变更的，而软件处理则显得相对灵活些，所以会显得软件的作用似乎更大。事实上，就虚拟仪器本身而言，软件和硬件的重要性是同等的。这也是为什么目前人们不再过分强调“软件就是仪器”的主要原因之一。

    虚拟仪器所使用的硬件模块并不局限在一个虚拟仪器上使用，同一个数据采集模块可以配置不同测量分析功能的应用程序使用在不同的测量项目上。甚至可以为一种数据采集模块开发建立一个应用软件库，用来实现不同的测量任务需求。换句话说，硬件是可以被重复使用的。例如，NI 6251数据采集模块就可以即用于多通道模拟测量、又可以用于多通道信号生成、还可以被用于扫频信号的生成和测量，而同样也可以实现数字信号测量和生成，似乎唯一的不足就是无法实现同步模拟测量。这样一个模块加若干应用软件就完全可以组建一个小型的虚拟仪器实验室。

    数据采集模块通常是以通用系列的形式出现的，并明显带有时代的标记。比如象NI的E系列、S系列、M系列、C系列、X系列数据采集模块。从测量准确度的角度看X系列还没有M系列的好，但X系列中提供了同步采集模块，而M系列则不具备同步采集功能。而大部分C系列模块却显得专用性更强些。现在E系列和S系列模块明显有被淘汰的趋势。
    NI也专门为数据采集模块设计了图形化的驱动程序库DAQmx。

    虚拟仪器是一种面对需求的测量仪器，它具备什么样的测量功能完全取决于用户的需求或项目的需求，测量功能的实现基本依赖于软件的设计。这就使我们可以在一种总线架构上实现多种测量仪器的组合。比如在一个标准PXI机箱中，插入不同的数据采集模块，组建成更复杂的自动化测试系统。
    利用虚拟仪器中模块化仪器的功能，我们甚至在PXI平台上可以实现基于虚拟仪器技术的数字万用表、任意波形发生器、示波器、数字频率计、可编程电源和源测量单元、动态信号测量、RF无线电信号采集和发生与分析、开关、数字波形发生器/分析仪等通用仪器。
    基本在一个平台上就可以实现一个通用实验室所需的主要的实验仪器。

    虚拟仪器在一些特殊要求的测试任务中也时常可以发扬出它的优势。我们曾遇到一个承担国家重点项目的用户，在他所设计的大地振动测量仪中，由于缺少甚低频信号源而无法标定。信号源的输出频率至少要低达0.02Hz，同时还要求小信号时幅值也稳定。根据用户的需求我们现场就设计出基于虚拟仪器技术的信号发生器，用户实际测试认为效果非常好。同时发现该大地测震仪在低频段有明显的衰减现象。

    笔者的实验室几乎没有什么传统的仪器设备，因为完全可以根据测试需求自行设计试验所需的设备。比如在做功率、电能表的项目论证时，就曾自行设计了三相工频谐波标准信号发生器，经测试试验和上级计量部门检定其技术性能完全满足设计要求，并且使用它验证了三相功率、电能表的谐波测量特性。

    总而言之，虚拟仪器可以快速、及时的为工程测量提供有效的方法和手段。当然，虚拟仪器设计需要对硬件有充分的了解，甚至需要有一定的模电知识作为基础。作为工程应用还要对传感器有充分的了解。