虛擬儀器和傳統儀器有何不同

作為全球虛擬儀器技術的領導者，NI僅在2004年就為客戶提供了超過6,000,000套虛擬儀器測量設備。25年來，工程師使用虛擬儀器技術將靈活的軟件以及PC技術的強大功能引入測試、控制和設計應用，從而使得在直流（DC）至2.7GHz的范圍內可以進行精確的模擬和數字測量。本文闡述了虛擬儀器技術和傳統儀器之間的兼容性和區別。

什么是虛擬儀器？它與傳統儀器有何不同？
虛擬儀器由用戶定義，而傳統儀器則功能固定且由廠商定義。



圖1、傳統儀器（左圖）和基于軟件的虛擬儀器（右圖）具有許多相同的結構組件，但是在體系結構原理上完全不同

每一個虛擬儀器系統都由兩部分組成——軟件和硬件。對于當前的測量任務，虛擬儀器系統的價格與具有相似功能的傳統儀器相差無幾，甚至比它少很多倍。而且，由于虛擬儀器在測量任務需要改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節省的成本也不斷累計。

不使用廠商定義的、預封裝好的軟件和硬件，工程師和科學家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統提供的則是完成測量或控制任務所需的所有軟件和硬件設備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器技術，工程師和科學家們還可以使用高效且功能強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。

這里有一些體現虛擬儀器靈活性的例子：

1.一個應用，不同的設備
在這個例子中， 一位工程師正在實驗室的臺式計算機PCI總線上使用NI LabVIEW和M系列DAQ設備開發一個應用程序，以創建一個直流（DC）電壓和溫度測量應用。在完成了系統構建之后，他需要在一個生產層PXI系統上配置應用程序以完成新產品的測試。或者，他可能需要應用程序具有便攜性，所以他選擇了NI USB DAQ產品來完成任務。在這個例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在同一個程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。



圖2、在許多設備上使用同樣的應用程序之時升級硬件十分輕松

2.許多應用程序，一個設備
假設有另外一個工程師，剛剛完成了一個利用最新的M系列DAQ設備和積分編碼器測量電機位置的項目。他的下一個項目是監視和記錄這個電機的功率。即使任務完全不同他也可以重用同樣的M系列DAQ 設備。他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發出新的應用程序。此外，如果需要的話，項目既可以與一個單一的應用程序結合也可以運行在一個單一的M系列DAQ設備。



圖3、通過為許多應用程序重復使用硬件減少成本

與傳統儀器相比，虛擬儀器硬件性能如何？
NI致力于使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的商業可用技術：NI使用Microsoft在操作系統(OS)和開發工具方面的諸多技術；在硬件方面，NI則基于Analog Devices在A/D轉換器方面的研究成果。

基本上，虛擬儀器系統是基于軟件的，所以如果只要是可以數字化的東西，就可以對它進行測量。因此，測量硬件可在通過兩根坐標軸進行評估，即分辨率（位）和頻率。參考下圖可以看出虛擬儀器硬件測量性能與傳統儀器的比較。NI的目標就是將曲線在頻率和分辨率上延伸并且在曲線內進行不斷推陳出新。



圖4、虛擬儀器硬件與傳統儀器的比較

虛擬儀器和傳統儀器能夠兼容嗎？
許多工程師和科學家都在實驗室里將虛擬儀器和傳統儀器結合使用。除此之外，一些傳統儀器提供了特定的測量，工程師和科學家寧愿廠商定義也不愿自己定義。這就引出了一個問題，“虛擬儀器和傳統儀器能夠兼容嗎？”

虛擬儀器可與傳統儀器完全兼容，無一例外。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線 (如GPIB、串行總線和以太網) 相連接的函數庫。

除了提供庫之外，200多家儀器廠商也為NI儀器驅動庫提供了4000余種儀器驅動。儀器驅動提供了一套高層且可讀的函數以及儀器接口。每一個儀器驅動都專為儀器某一特定的模型而設計，從而為它獨特的性能提供接口。

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虛擬儀器和綜合性儀器有何不同？
自動測試工業中一個基本的趨勢就是往基于軟件的測試系統的重大轉變。例如，美國國防部（DoD）是世界上最大的自動測試設備（ATE）客戶之一。為了減少測試系統的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計劃已經確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復配置的軟件基礎上的體系結構，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統標準和規范的重大發展，并且反映出可重復配置的軟件處于將來系統的核心地位這一基本轉變。基于軟件測試系統的成功應用，例如綜合性儀器，需要對硬件平臺和市場上軟件工具的理解，以及對系統級體系結構和儀器級體系結構之間區別的理解。

綜合性儀器執行團體將綜合性儀器定義為“一個可重復配置的系統，它通過標準化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發生信號或者使用數值處理技術進行測量”。這與虛擬儀器的許多性質相同，虛擬儀器是“一個軟件定義的系統，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測量硬件的功能”。兩種定義享有共同的性質，即運行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。通過將測量功能轉向用戶可接觸并可重復配置的硬件，那些采用這種體系結構的儀器從具有更大靈活性和可重復配置功能的系統中受益，而且這些系統反過來又提高了性能同時減少了成本。