虚拟仪器:软件将使硬件“消失”

虚拟仪器是测量仪器的一个重要发展方向,其灵活性、易配置的优势和性能的不断提升使之得到了快速的发展。

“我们曾经用过‘软件就是仪器’的表述,但考虑到目前在这个领域我们取得的进步,我将从另一个不同的角度来陈述一种观点,那就是使硬件消失。”National Instruments(国家仪器)公司CEO James Truchard博士在于美国德州Austin召开的2003 NIWeek的主题演讲上这样表达了他对未来虚拟仪器发展方向的论断。

作为虚拟仪器的主要制造商,NI的举动至关重要,其在NIWeek上推出的新概念和新产品也预示着虚拟仪器技术的未来,让我们再次走进NIWeek去捕捉虚拟仪器的技术动态和发展方向。

使硬件“消失”

在NIWeek中新推出的虚拟仪器平台中包括了位于最上层的系统管理软件 TestStand 3.0,用于测试管理和数据管理。而位于中间属于用户界面层的软件工具则是NIWeek的重头戏:LabVIEW 7 Express(于2003年5月推出)、 LabWindows/CVI 7.0和Measurement Studio 7.0。 同时新推出的产品还涉及了相关的底层硬件部分,包括性能已达到100MS/s的多款模块。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="NI公司CEO James Truchard博士:软件将使硬件消失。">

“用户现在仅需面对的是软件和软件接口,硬件的限制在消失。”Truchard博士对他的硬件消失理论进行了解释。在他的理论中,硬件将会成为一种类似于PC的标准配置,他说:“用户不必关心硬件在做什么,开发硬件也不是用户关心的主要问题,他们只需要面对软件界面来定义自己所需的功能,并去配置它们,同时,硬件与软件的兼容性会越来越好。”

总结Truchard博士的主题演讲,虚拟仪器的优势主要体现在:1. 用户可自行定义测量和控制面板,代替了传统测量仪器的面板；2. 分析功能软件在明显增加；3. LabVIEW 开始具备支持FPGA可编程能力,使其更具灵活性；4. 数据采集和控制功能更加完善和易于使用；5.机箱和硬件的尺寸在不断缩小。

正是因为软件功能的不断加强和硬件接口的不断标准化,使Truchard博士做出了软件将“使硬件消失”的形象论断。

三大发展方向

“测量设备的投入已成为投资的最大部分之一,”Truchard博士表示,“虚拟仪器可以通过改变软件的设置,实现不同的测量功能,从整体上节省了这方面的投资。同时,它未来的应用也将得到很大的扩展。”

按照他的陈述,虚拟仪器今后的发展将主要体现在以下三个方面:第一,虚拟仪器将增加更多的功能,同时在测量速度和分辨率上也会有很大提高；第二,控制、处理和通信能力将大大加强,体现在对数据的快速联网处理、FPGA编程能力的实现、以及甚至采用专用的DSP芯片提高处理性能；第三,虚拟仪器将更多地扩充到设计、仿真、测量、控制、生产的连续化环境中,而完全冲破了传统上只提供测试功能的应用局限。

图形化开发环境显优势

我认为图形化开发环境是NI的虚拟仪器最具吸引力的特色之一。

LabVIEW 7 Express相对其早期版本的一项重大改进和特性是提供了Express VI(虚拟仪器程序)。在LabVIEW 7 Express中增加了40多个功能强大的Express VI, 将一些常用的测量功能以图标形式提供给用户,而用户只需调用这些图标,并使用属性设置页面就可配置系统的采集、分析与显示功能。“工程师清晰的了解所要开发系统的要求,但不见得每个工程师都会采用具体的语言进行编程、描述。”NI负责软件产品的Norma Dorst表示,“LabVIEW 7 Express所采用的图标式语言在这方面提供了更灵活和方便的编程能力。” LabVIEW 7 Express较以前版本的主要差异见表1。

LabVIEW的图形化应用模块在某种程度上已属于高级的系统描述语言和交互式语言,工程师只需要充分了解对系统的要求,利用直观的图形语言就可以方便地实现特定的功能。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图2:利用LabVIEW 7 Express和NI-DAQ 7可实现更快速的测量功能">

实际上,这也是所有描述语言所追求的目标。LabVIEW 7 FPGA是一个体现,将LabVIEW图形化开发环境扩展到了FPGA应用中。利用LabVIEW的VI图标,工程师可以将功能方块图转变成HDL语言,再通过FPGA厂商的编译器转变成FPGA的门级文件,并最终在FPGA中实现这种功能。“我们在初期将更关注FPGA在测试和测量领域中的应用,”Norma Dorst表示,“工程师们可以通过对已集成在NI的I/O板卡中的FPGA进行直接编程,以实现不同的I/O接口功能。”

新版的LabVIEW 7 Express包括了四个主要功能模块:LabVIEW 7 FPGA模块、LabVIEW 7 PDA模块(用于在PDA上实现便携式测量与控制应用系统)、LabVIEW 7 Real-Time模块(用于开发实时与嵌入式控制应用系统)、以及升级版LabVIEW 7 DSC数据汇录与监控模块(用于分布式监控应用系统)。

LabWindows/CVI 7.0主要面向采用C语言的开发环境,相比6.0版,它提供了更好的集成前端环境和增强的硬件支持能力。“我们会跟踪所有业界重要的语言,并尽快地提供出相应的升级版本。”Norma Dorst说。

DAQ的进步

DAQ的性能是任何测量仪器的重要环节。NI在其虚拟产品中主要通过提高ADC的分辨率、改善温度补偿电路和克服抖动来提高性能,而虚拟仪器的一个优点是可以同时利用软件和硬件对误差进行精密补偿。

“从DAQ采集板来看,几年前主要是采用12位的ADC,现在的主流是16位,未来将向18和24位发展,”NI测量部市场总监John Hanks表示,“我们要在ADC的分辨率以及相对的采样速度之间做出折衷,用户也要做出这样的选择。”

NI最新宣布了NI-DAQ 7数据采集软件平台和6种性能已达到100MS/s基于PXI的模块,应用领域覆盖了任意波形发生器、数字化仪、100MHz的数字波形、时钟和频率发生器,以及模拟和混合信号系统源等。

在频率的覆盖范围上,“目前我们虚拟仪器的最高测量频率是2.7GHz,可覆盖了主要的应用,包括手机和主要WLAN功能的测量。”NI中国区总经理陈大庞表示,“我们的联盟伙伴已经可以提供最高5GHz以上的测量模块,用于802.11a等应用的测试。”

总线的发展

PXI总线的成功推出使虚拟仪器取得了长足的进步,并成为目前虚拟仪器的主流总线,它的优势之一在于更快的传输速度,这不仅仅体现在内部的速率,同时也影响到了数据进行外部传输时的性能。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="表1:LabVIEW 7 Express较以前版本的主要改进。">

总线技术的发展在某种程度上成为提高处理速度的一个瓶颈,目前的一种办法是加大存储器容量以提高整体速度。

“PXI总线的应用保持每年30至40%的增长率,”NI的PXI和模块仪器市场经理Eric Starkloff表示,“PCI Express是NI关注的下一代总线技术。”Intel将在未来的数月内推出这种新型总线,1GHz的速率将会大大提高仪器的整体速度,而同时,相信这也将进一步提高虚拟仪器在RF以及天线方面的测试性能。

更广泛的应用空间

虚拟仪器借助其软件能力和PXI总线的传输能力,使其应用范围已完全摆脱了传统测量仪器的应用范围。

在PDA中运行LabVIEW PDA并进行测量得到了NIweek与会者的掌声,它确实使现场测量变得更加容易。同时,NI将LabVIEW加载到一个无线小型智能传感器中实现了无线测量。

目前全球约有600家NI的联盟会员,在中国约有数十家在提供基于NI虚拟仪器的开发应用和服务。

上海维艾仪器服务中心(VI Services)就是NI的一个联盟会员,专门提供手机测试和控制解决方案。“许多公司越来越重视测量的成本和效率,”该公司邵晖博士介绍道,“我们利用NI的PXI平台和高频模块在短时间里实现了手机的性能测试平台,这将使测试效率提高数倍。”

“虚拟仪器的精髓在于用户可以根据自己的需求来定义功能和性能,同时,复杂的功能可以通过简单的方法来实现,这一点可以在中国的应用上得到体现。”NI的陈大庞表示。

作者:张毓波