2011年6月19日，第二稿
1.6 虚拟仪器技术
通过前面的内容介绍，相信大家对虚拟仪器已经有了基本的了解。甚至会产生在自己的工程项目中使用虚拟仪器的想法。可是如何应用虚拟仪器呢？
获得虚拟仪器，通常有两种途径：
一是，由专业的虚拟仪器系统集成商提供。他们具有丰富的、专业的虚拟仪器开发技能和经验。他们会按照你的要求为你专门设计开发虚拟仪器，并可提供长期专业级的维护和升级。这种方式特别适合仪器综合技术性能要求高、专业性比较强的情况下。
二是，利用虚拟仪器技术自行设计解决一些实际工程上常见的需求问题。只要掌握了一定的虚拟仪器技术，就可以按项目要求自行设计虚拟仪器。并通过不断学习和实践将自己塑造成为具有专业水准的虚拟仪器开发者。条件一旦成熟，甚至也可以发展成为专业级的虚拟仪器系统集成商。
那么，什么是虚拟仪器技术呢？虚拟仪器技术与虚拟仪器之间又是什么关系呢？
获得虚拟仪器，通常有两种途径：
一是，由专业的虚拟仪器系统集成商提供。他们具有丰富的、专业的虚拟仪器开发技能和经验。他们会按照你的要求为你专门设计开发虚拟仪器，并可提供长期专业级的维护和升级。这种方式特别适合仪器综合技术性能要求高、专业性比较强的情况下。
二是，利用虚拟仪器技术自行设计解决一些实际工程上常见的需求问题。只要掌握了一定的虚拟仪器技术，就可以按项目要求自行设计虚拟仪器。并通过不断学习和实践将自己塑造成为具有专业水准的虚拟仪器开发者。条件一旦成熟，甚至也可以发展成为专业级的虚拟仪器系统集成商。
那么，什么是虚拟仪器技术呢？虚拟仪器技术与虚拟仪器之间又是什么关系呢？
1.6.1 虚拟仪器技术——概述
首先需要说明的是：在此之前，我们所谈到的“虚拟仪器”和这里所要介绍的“虚拟仪器技术”是两个完全不同的概念。
虚拟仪器——指虚拟仪器技术的具体应用实例。通俗地讲：“虚拟仪器”是“虚拟仪器技术”的产物或结果。
虚拟仪器技术——指实现虚拟仪器的设计方法和高效的软件开发环境以及硬件体系架构，包括软、硬件之间的有效连接，是一整套很复杂的现代技术集合。
事实上，美国NI公司在创建虚拟仪器概念的同时还创造、发明了一整套虚拟仪器设计制造方法——被称之为：虚拟仪器技术。其中包了括：图形化编程语言和一个开放的、灵活的虚拟仪器软件开发环境以及与软件平台相适应的硬件体系架构和管理体系。
NI公司在创建虚拟仪器技术之初，最美好的愿景是：提供完整的与现代科学技术同步发展的虚拟仪器技术，让所有科学家和工程师都能够通过虚拟仪器技术来轻松地参与并主宰工业自动化测量和应用。简单的讲，采用虚拟仪器技术将会降低科学家和工程师在工业自动化测量和应用方面的门槛。
20多年来NI公司始终保持着这样的愿景，从来未发生过动摇和改变。目前，NI公司也是全球唯一一个即可提供图形化系统设计开发平台，又可提供各种硬件模块支持的虚拟仪器技术专业制造、开发商。这种软、硬件都来自同一个公司的好处是：软件和硬件之间是无缝链接的，可以充分发挥和利用软、硬件的全部技术特性。当然，最大的受益者应该还是它的使用者。
现在，世界上众多的科学家和工程师借助于NI公司的图形化系统设计平台，彻底的改变了测试、测量与控制应用程序的设计开发。无论是否有相关的经验，工程师和科学家都能够迅速、高效地连接测量与控制硬件、分析数据、共享结果并发布最新的应用系统。
虚拟仪器技术发展到今天，NI公司的宗旨就是结合现代科学技术不断的改进和提高虚拟仪器技术，并充分利用各种方式宣传、指导和推广虚拟仪器技术的应用。比如：利用网络资源无偿的提供视频技术讲座、技术文档（技术白皮书）、实例代码、开办社区论坛等。广大工程师和科学家充分利用这些资源深入探讨、交流虚拟仪器技术实例代码和应用案例，从而更加促进了虚拟仪器技术的不断发展。
NI公司的商业运作模式是为系统集成商及科学家和工程师提供完整的虚拟仪器技术，并为虚拟仪器技术的应用提供全方位的技术支持。当然，这其中包括一些收费的技术培训和开发资质认证工作。换句话说，NI公司在提供虚拟仪器技术服务的同时，并不参加虚拟仪器系统集成的具体业务。这完全符合虚拟仪器的基本特点，由用户来定义或设计虚拟仪器的测量功能。
几年来，我们通过在图形化系统设计平台不断进行虚拟仪器设计和开发的实践，已经明显感觉到自身技术实力得到稳定地提升。其实，除了努力学习之外，找到一个理想的、适合的工具——图形化系统设计平台无疑是十分重要的一个因素。
实事求是的讲，虚拟仪器技术是一门综合性很强的工程设计应用开发技术，是多种现代科学技术的完美融合。正是有了NI公司所提供的完整的虚拟仪器技术作为全面的支撑，虚拟仪器才有了今天的广泛应用。
世界上也有许多公司同样提供虚拟仪器技术，比如各种硬件模块、分析处理软件等，但是综合性能最好的、连接最有效的、系统级的只有美国NI公司。
虚拟仪器技术可以简单的分解为以下几个主要部分：
虚拟仪器——指虚拟仪器技术的具体应用实例。通俗地讲：“虚拟仪器”是“虚拟仪器技术”的产物或结果。
虚拟仪器技术——指实现虚拟仪器的设计方法和高效的软件开发环境以及硬件体系架构，包括软、硬件之间的有效连接，是一整套很复杂的现代技术集合。
事实上，美国NI公司在创建虚拟仪器概念的同时还创造、发明了一整套虚拟仪器设计制造方法——被称之为：虚拟仪器技术。其中包了括：图形化编程语言和一个开放的、灵活的虚拟仪器软件开发环境以及与软件平台相适应的硬件体系架构和管理体系。
NI公司在创建虚拟仪器技术之初，最美好的愿景是：提供完整的与现代科学技术同步发展的虚拟仪器技术，让所有科学家和工程师都能够通过虚拟仪器技术来轻松地参与并主宰工业自动化测量和应用。简单的讲，采用虚拟仪器技术将会降低科学家和工程师在工业自动化测量和应用方面的门槛。
20多年来NI公司始终保持着这样的愿景，从来未发生过动摇和改变。目前，NI公司也是全球唯一一个即可提供图形化系统设计开发平台，又可提供各种硬件模块支持的虚拟仪器技术专业制造、开发商。这种软、硬件都来自同一个公司的好处是：软件和硬件之间是无缝链接的，可以充分发挥和利用软、硬件的全部技术特性。当然，最大的受益者应该还是它的使用者。
现在，世界上众多的科学家和工程师借助于NI公司的图形化系统设计平台，彻底的改变了测试、测量与控制应用程序的设计开发。无论是否有相关的经验，工程师和科学家都能够迅速、高效地连接测量与控制硬件、分析数据、共享结果并发布最新的应用系统。
虚拟仪器技术发展到今天，NI公司的宗旨就是结合现代科学技术不断的改进和提高虚拟仪器技术，并充分利用各种方式宣传、指导和推广虚拟仪器技术的应用。比如：利用网络资源无偿的提供视频技术讲座、技术文档（技术白皮书）、实例代码、开办社区论坛等。广大工程师和科学家充分利用这些资源深入探讨、交流虚拟仪器技术实例代码和应用案例，从而更加促进了虚拟仪器技术的不断发展。
NI公司的商业运作模式是为系统集成商及科学家和工程师提供完整的虚拟仪器技术，并为虚拟仪器技术的应用提供全方位的技术支持。当然，这其中包括一些收费的技术培训和开发资质认证工作。换句话说，NI公司在提供虚拟仪器技术服务的同时，并不参加虚拟仪器系统集成的具体业务。这完全符合虚拟仪器的基本特点，由用户来定义或设计虚拟仪器的测量功能。
几年来，我们通过在图形化系统设计平台不断进行虚拟仪器设计和开发的实践，已经明显感觉到自身技术实力得到稳定地提升。其实，除了努力学习之外，找到一个理想的、适合的工具——图形化系统设计平台无疑是十分重要的一个因素。
实事求是的讲，虚拟仪器技术是一门综合性很强的工程设计应用开发技术，是多种现代科学技术的完美融合。正是有了NI公司所提供的完整的虚拟仪器技术作为全面的支撑，虚拟仪器才有了今天的广泛应用。
世界上也有许多公司同样提供虚拟仪器技术，比如各种硬件模块、分析处理软件等，但是综合性能最好的、连接最有效的、系统级的只有美国NI公司。
虚拟仪器技术可以简单的分解为以下几个主要部分：
- 虚拟仪器软件开发环境
- 虚拟仪器硬件体系架构
- 虚拟仪器管理体系架构
1.6.2 虚拟仪器技术之一——虚拟仪器软件开发环境
虚拟仪器技术中的软件开发环境是指针对某种计算机语言的程序设计、调试、发布等一系列编程环境。
其实，虚拟仪器程序设计，并非一定要局限在使用那种特定的计算机语言。现有的多种计算机语言，比如象C++、C、C#、Java、VB、VC等都可以实现虚拟仪器的程序设计。但是纵观虚拟仪器的发展历史，可以说，用于虚拟仪器程序设计的最方便、最好的编程环境还应该是——NI LabVIEW，当然也包括NI所提供的硬件体系。这一点早已经获得业界的一致公认。
NI LabVIEW
NI LabVIEW——是NI公司25年前推出的一个虚拟仪器软件开发环境，现在已发展成为一个符合工业标准的多平台、多语言、多用途、一体化的系统级虚拟仪器技术软、硬件开发环境。
这其中包括了LabVIEW 图形化编程语言在内的虚拟仪器应用项目管理、调试、运行、发布等等一整套环节。
其实，虚拟仪器程序设计，并非一定要局限在使用那种特定的计算机语言。现有的多种计算机语言，比如象C++、C、C#、Java、VB、VC等都可以实现虚拟仪器的程序设计。但是纵观虚拟仪器的发展历史，可以说，用于虚拟仪器程序设计的最方便、最好的编程环境还应该是——NI LabVIEW，当然也包括NI所提供的硬件体系。这一点早已经获得业界的一致公认。
NI LabVIEW
NI LabVIEW——是NI公司25年前推出的一个虚拟仪器软件开发环境，现在已发展成为一个符合工业标准的多平台、多语言、多用途、一体化的系统级虚拟仪器技术软、硬件开发环境。
这其中包括了LabVIEW 图形化编程语言在内的虚拟仪器应用项目管理、调试、运行、发布等等一整套环节。
表1－2
NI LabVIEW是NI公司的旗舰产品，是一种图形化的虚拟仪器开发环境。全世界数万名工程师和科学家们使用NI LabVIEW图形化编程环境，借助于直观的图标和连线方法来开发复杂且类似流程图的测量、测试和控制系统。
NI LabVIEW无可比拟地集成了数千款硬件设备驱动，并通过上百个内置库实现高级分析和数据处理的可视化。LabVIEW平台可在多个目标平台和操作系统中扩展，所以自1986年推出后便成为行业中的领袖。
NI LabVIEW无可比拟地集成了数千款硬件设备驱动，并通过上百个内置库实现高级分析和数据处理的可视化。LabVIEW平台可在多个目标平台和操作系统中扩展，所以自1986年推出后便成为行业中的领袖。
图 1－16 LabVIEW图形化编程
在LabVIEW诞生之前，人们习惯的将计算机工程应用划分为两个体系，软件设计和硬件设计。虚拟仪器的出现淡化了这两部分之间的界限，因为虚拟仪器的设计者似乎无须再关注如何进行硬件设计，设计工作的重点已经转向了通过软件设计实现项目的需求。
基于文本的软件设计对那些过去一直从事硬件电路设计的工程师而言是一个很难接受的任务，因为他们十分惧怕这样的计算机程序设计，那些任务通常是由专业的软件开发人员来完成。
现在，基于图形化的编程语言——LabVIEW的发明者帮助他们解决了这个问题。这种图形化的编程方法很适合工程师和科学家，很适合他们的工程应用工作。特别是它在与硬件模块（NI的硬件模块）进行有效连接方面给于了更有力的支持。
在这样一个图形化平台下，我们所缺乏的应该是高效实现测量任务的“想像力”。换句话说，现在我们将关心的重点放在了测量任务的本身，而不是如何搭建硬件测量系统。
NI Developer Suite（NI 开发者套件）
NI Developer Suite（NI 开发者套件）应该是一个最有效的、开放的、灵活的、适应多种需求的虚拟仪器软件开发平台。
NI Developer Suite 中包括三种不同的计算机语言编程环境：
——NI LabVIEW
NI LabVIEW是NI公司的旗舰产品。是强大、开放、图形化的虚拟仪器软件开发环境（也是本书要介绍的主要内容）。由于LabVIEW采用的是图形化的编程方法，所以无论是否有过编程经验的工程师或科学家使用它时都可以快速、高效地与测量和控制硬件通信，并进行复杂的数据分析及处理。
——NI LabWindows/CVI
它是一种久经验证的ANSIC集成开发环境，专为习惯使用C语言的工程师和科学家提供用于创建测试和控制应用的全套编程工具。NI LabWindows/CVI兼有ANSIC的耐用性、复用性和特定的工程性能，并适用于于仪器控制、数据采集、分析和用户界面的开发。
——Measurement Studio
NI Measurement Studio是一个专为Visual Studio 2005、Visual Studio .NET 2003和Visual Studio 6.0使用者设计的集成式套件，它包括用于测试、测量和自动化等应用的大量函数类和控件。Measurement Studio提供专为工程师们所设计的.NET和ActiveX用户界面控件、先进的科学分析和为测试应用而优化的数据采集(DAQ)和仪器控制类库等，从而大大缩短了应用程序的开发时间。
NI Developer Suite中还包括其它核心组件和一些可定制的专业工具包：
NI LabVIEW Signal Express
Database Connectivity 工具包
Internet 工具包
Report Generation for MS Office 工具包
Advanced Signal Processing 工具包
Digital Filter Design 工具包
PID and Fuzzy Logic 工具包
Data Finder 工具包
虽然NI公司提供了多种虚拟仪器开发环境NI LabVIEW，LabWindows/CVI， Measurement Studio。但是本书还是以图形化化编程语言LabVIEW作为表述主体。
基于文本的软件设计对那些过去一直从事硬件电路设计的工程师而言是一个很难接受的任务，因为他们十分惧怕这样的计算机程序设计，那些任务通常是由专业的软件开发人员来完成。
现在，基于图形化的编程语言——LabVIEW的发明者帮助他们解决了这个问题。这种图形化的编程方法很适合工程师和科学家，很适合他们的工程应用工作。特别是它在与硬件模块（NI的硬件模块）进行有效连接方面给于了更有力的支持。
在这样一个图形化平台下，我们所缺乏的应该是高效实现测量任务的“想像力”。换句话说，现在我们将关心的重点放在了测量任务的本身，而不是如何搭建硬件测量系统。
NI Developer Suite（NI 开发者套件）
NI Developer Suite（NI 开发者套件）应该是一个最有效的、开放的、灵活的、适应多种需求的虚拟仪器软件开发平台。
NI Developer Suite 中包括三种不同的计算机语言编程环境：
——NI LabVIEW
NI LabVIEW是NI公司的旗舰产品。是强大、开放、图形化的虚拟仪器软件开发环境（也是本书要介绍的主要内容）。由于LabVIEW采用的是图形化的编程方法，所以无论是否有过编程经验的工程师或科学家使用它时都可以快速、高效地与测量和控制硬件通信，并进行复杂的数据分析及处理。
——NI LabWindows/CVI
它是一种久经验证的ANSIC集成开发环境，专为习惯使用C语言的工程师和科学家提供用于创建测试和控制应用的全套编程工具。NI LabWindows/CVI兼有ANSIC的耐用性、复用性和特定的工程性能，并适用于于仪器控制、数据采集、分析和用户界面的开发。
——Measurement Studio
NI Measurement Studio是一个专为Visual Studio 2005、Visual Studio .NET 2003和Visual Studio 6.0使用者设计的集成式套件，它包括用于测试、测量和自动化等应用的大量函数类和控件。Measurement Studio提供专为工程师们所设计的.NET和ActiveX用户界面控件、先进的科学分析和为测试应用而优化的数据采集(DAQ)和仪器控制类库等，从而大大缩短了应用程序的开发时间。
NI Developer Suite中还包括其它核心组件和一些可定制的专业工具包：
NI LabVIEW Signal Express
Database Connectivity 工具包
Internet 工具包
Report Generation for MS Office 工具包
Advanced Signal Processing 工具包
Digital Filter Design 工具包
PID and Fuzzy Logic 工具包
Data Finder 工具包
虽然NI公司提供了多种虚拟仪器开发环境NI LabVIEW，LabWindows/CVI， Measurement Studio。但是本书还是以图形化化编程语言LabVIEW作为表述主体。
1.6.3 虚拟仪器技术之二——虚拟仪器硬件体系架构
在虚拟仪器技术中似乎已经回避了所有硬件设计问题，因为NI公司已经把这些工作全部承担起来。NI公司作为全球DAQ技术与市场的领先者，提供了基于各种总线的产品系列，并不断融合当代最前沿的商业技术，成功的打造一个“数据采集超市”，让工程师们根据自身应用需求选择最适合的产品，实现工程上的创新！
事实上，NI提供的硬件产品几乎涵盖了所有工业应用领域。
事实上，NI提供的硬件产品几乎涵盖了所有工业应用领域。
图 1－17 虚拟仪器硬件体系架构
1.6.4 虚拟仪器技术之三——虚拟仪器管理体系架构
NI TestStand
NI TestStand是一个简单易用的测试管理环境，用于组织、控制以及运行您的自动化原型开发、验证以及制造测试系统。
NI TestStand基于一个高速的多线程执行引擎构建，其强大的性能可以满足您最苛刻的测试吞吐量需求。同时该软件它是可完全自定义的，因此您可以对它进行修改与增强，以满足各种特殊需求， 包括自定义操作员界面、生成自定义报告以及修改序列执行需求。
NI TestStand是一个简单易用的测试管理环境，用于组织、控制以及运行您的自动化原型开发、验证以及制造测试系统。
NI TestStand基于一个高速的多线程执行引擎构建，其强大的性能可以满足您最苛刻的测试吞吐量需求。同时该软件它是可完全自定义的，因此您可以对它进行修改与增强，以满足各种特殊需求， 包括自定义操作员界面、生成自定义报告以及修改序列执行需求。
- 序列开发环境
- 调试
- 多线程并行测试
- 用户管理
- 可自定义的报告
- 可自定义的操作界面
- 源代码控制整合
- 数据库记录
图 1－18 NI TestStand
NI DIAdem
NI DIAdem提供基于配置的技术数据管理、分析以及报告生成工具，交互式地帮助您对数据进行挖掘和分析。
NI DIAdem提供基于配置的技术数据管理、分析以及报告生成工具，交互式地帮助您对数据进行挖掘和分析。
- 快速进行数据搜索和挖掘，寻找趋势和相关性
- 载入并分析包含超过1000亿个数据点的数据集
- 使用交互式可视化工具研究数据、比较测试运行、寻找异常
- 创建可重用的专业报表，共享您的结果
图 1－19 NI DIAdem
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