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虚拟仪器和NI
为什么虚拟仪器技术十分必要？
什么是虚拟仪器技术？
为什么虚拟仪器技术如此成功
什么使得NI在虚拟仪器领域处于领先地位
什么使得NI区别于其他虚拟仪器技术公司？
什么用户使用NI的虚拟仪器产品？
虚拟仪器和传统仪器的比较
什么是虚拟仪器？它和传统仪器有什么区别
如何比较虚拟仪器和传统仪器硬件性能
虚拟仪器和传统仪器兼容吗？
虚拟仪器和综合性仪器的区别是什么？
虚拟仪器应用领域
虚拟仪器在过去的25年里是如何发展的？
虚拟仪器给自动测试应用带来的益处是什么？
虚拟仪器如何应用于控制和工业应用？
虚拟仪器给设计带来的益处是什么？
虚拟仪器软件问题
为什么软件对于虚拟仪器如此重要？
什么使得LabVIEW对于虚拟仪器如此完美？
虚拟仪器是如何利用最新的软件趋势？
什么是测量服务软件？
虚拟仪器硬件问题
虚拟仪器软件运行于什么硬件I/O和平台？
新的总线技术如USB 2.0和PCI Express如何提高虚拟仪器的性能？
以太网给虚拟仪器带来的益处是什么？
虚拟仪器技术和NI
为什么虚拟仪器技术十分必要？
虚拟仪器十分必要是因为它给予了仪器快速的适应能力，这是当今的观念、产品、过程设计、开发和配送所要求的。只有虚拟仪器可以使得工程师和科学家能够创建用户定义的仪器以与世界的需要同步。
为了满足更快地革新和传递观念与产品这个不断增长的需要，科学家和工程师正转向先进的电子元件、处理器和软件。以现代的手机为例，大多数具有上一代的最新特性，包括音频、电话本和文本消息性能。新的版本包括摄像机、MP3播放器、蓝牙网络和因特网浏览功能。
由于设备变得越来越以软件为中心，所以先进的电子元件提高功能是可能的。工程师和科学家无需改变硬件就可以给设备添加新功能，这就造成了无需花费昂贵的硬件成本就可以提高观念和产品。这延长了产品的生命和使用期限并且减少了产品交付时间。工程师和科学家可以通过软件提高功能而不用为了一个特定的工作开发专门的电子元件。
然而，这种功能的提高却付出了代价。升级的功能引入了不可见的相互作用或错误的可能性。因此，正如设备级的软件有助于快速开发和扩展功能一样，设计和测试仪器也必须改变以检验改进的性能。
满足这些需要的唯一方式就是利用测试和控制体系结构（也是软件为中心的）。由于利用了高效率的软件、模块化I/O和商用平台，所以虚拟仪器专门定位在与最新观念和产品开发速率同步。NI的LabVIEW，一个领先的虚拟仪器图形化开发环境，使用符号或图形表示来加速开发。软件使用符号表示功能，通过快速地配置图形块来巩固功能进一步加速了开发。
另一个虚拟仪器组成部分是模块化I/O，它设计成可以迅速地以任何顺序或数量进行组合来确保虚拟仪器能够监视和控制任意一个开发方面。使用为模块化I/O精心设计的软件驱动，工程师和科学家可以在并行操作期间快速地获得功能。
虚拟仪器第三个组成部分——商用平台使用（经常由于精确同步而得到增强）——确保了虚拟仪器利用了最新的计算机性能和数据传输技术。这使得虚拟仪器建立在一个长期的技术基础之上，这个基础与在处理器、总线等方面的高额投资成比例关系。
总而言之，随着革新要求软件利用加速新的观念和产品开发，它也要求仪器迅速适应新功能。由于虚拟仪器使用了软件、模块化I/O和商用平台，它使得仪器格外的符合保持与当今观念和产品开发同步的要求。
什么是虚拟仪器技术?
使用虚拟仪器技术，基于用户需求的软件定义了通用目的的测量和控制硬件功能。虚拟仪器将主流的商用技术如PC和灵活性的软件以及广泛的测量和控制硬件结合到一起，因此工程师和科学家能够创建完全满足他们需要的用户定义的系统。利用虚拟仪器，工程师和科学家缩短了开发时间，设计出了更高质量的产品并且减少了设计成本。
图1.虚拟仪器结合了高效的软件、模块化I/O和可扩展的平台
NI在15余年前引入了虚拟仪器技术，从而改变了工程师和科学家测量身边的世界和使之自动化的方式。2004年，NI在90个国家销售了超过6百万套虚拟仪器。今天，虚拟仪器已经得到了主流的接受而且在全世界数以千计的工业应用中使用，从汽车到消费电子，再到石油和燃气。
为什么虚拟仪器技术如此成功？
虚拟仪器技术通过提供一种建立测量和自动系统的崭新模型而得到主流的采用。它成功的关键包括迅速的PC发展，爆炸性的低成本、高性能的数据转换发展（半导体）以及系统设计软件的出现。这些因素使得虚拟仪器系统能够接近广泛的用户。
尤其是PC性能在过去的20年间增长了10,000多倍。通过使用每个新一代的PC 处理器、显示和I/O总线分析测量和解决新的应用挑战，虚拟仪器充分利用了PC性能的提高。这些快速的发展，以及学校更早地开始专业技术和计算机知识的普及这一普遍趋势，都促成了基于计算机的虚拟仪器的成功应用。
图2,PC 10,000倍的性能提高有助于驱使虚拟仪器系统性能提高
虚拟仪器另一个驱动器是高性能、低成本的模拟—数字（ADC）和数字—模拟（DAC）转换器的发展。诸如无线通信和高清晰度视频的应用不断地影响着这些技术。当传统专有转换技术趋于缓慢发展时，商用半导体技术却趋于遵从摩尔定律——每18个月性能翻一番。虚拟仪器硬件使用广泛可得的半导体来提供高性能的测量前沿产品。
最后，提供了设计自定义仪器系统直观界面的系统设计软件进一步促进了虚拟仪器的发展。LabVIEW正是这类软件的一个例子。LabVIEW图形化开发环境提供了编程语言的性能和灵活性，以及专为测量和自动化应用设计的高层功能和配置功能。
图3.在LabVIEW图形化开发环境里开发的范例代码
什么使得NI在虚拟仪器领域处于领先地位？
简而言之，答案是软件。软件使得工程师和科学家能够创建用户自定义的仪器。
任一虚拟仪器的核心就是灵活的软件，而NI发明了世界上最好的虚拟仪器软件平台之一——LabVIEW。LabVIEW是一个强大的图形化开发环境，用于信号采集、测量分析和数据显示，无需传统开发工具的复杂性就给予了编程语言的灵活性。自1986年NI引入适用Macintosh操作系统的LabVIEW以来，它就迅速且始终如一地吸引那些寻求一种高效且强大的编程语言来用于测试、控制和设计应用的工程师和科学家。今天，LabVIEW是数以千计的工程师和科学家首选的图形化开发环境。
对于那些偏爱基于文本编程的工程师，NI也提供了针对ANSI C和LabWindows/CVI的应用程序开发环境，以及使用Visual Studio .NET和Measurement Studio进行虚拟仪器开发的工具。
图4.LabVIEW是用于基于PC数据采集和仪器控制领域的领先应用软件
虽然软件是每个虚拟仪器的核心，然而几乎所有的虚拟仪器都需要测量硬件精确地取得测量结果。由于独立于所选择的编程环境，所以虚拟仪器软件必须提供出色的与系统测量硬件的结合。NI的软件，包括LabVIEW，提供了与来自上千家第三方硬件厂商数以万计产品的开放式连接，如传感器、摄像机、执行器、传统仪器和插入式设备（USB、PCI等）。
2004年，NI测量硬件提供给客户超过6,000,000套虚拟仪器测量设备。从低成本的USB数据采集到图像采集和过程控制视觉系统，再到2.7GHz的RF测量和GPIB总线通信，NI已经在25,000多家公司面前展示了它可以提供完成虚拟仪器所需要的测量硬件和可扩展的硬件平台。
什么使得NI区别于其他虚拟仪器公司？
25年来，NI一直是虚拟仪器领域的领导者。这种领导力通过持续且一贯的创新而不断发展并延续。
由于NI发明并革新了#1虚拟仪器图形化开发环境LabVIEW，它吸引了数以千计的工程师和科学家建立虚拟仪器。通过理解客户项目开发需求，NI一贯地提供跳跃式的软件革新，包括Express技术、LabVIEW实时模块和LabVIEW PDA模块，以及NI SignalExpress：
- Express 技术
2003年，NI为LabVIEW、LabWindow/CVI和Measurement Studio创建了Express技术，在保留强大的功能的同时减少代码复杂性。今天，超过50%的数据采集客户使用DAQ 助手来简化数据采集任务。
- LabVIEW实时模块和 LabVIEW PDA模块
NI为使用LabVIEW实时模块完成确定性执行扩展了LabVIEW，并且开发了与之匹配的硬件平台使得嵌入式应用程序运行成为现实。LabVIEW PDA模块将虚拟仪器和LabVIEW平台扩展至手持设备。
- NI SignalExpress
设计和测试工程师要求NI提供虚拟仪器软件来交互式测量和分析数据。作为回应，NI创建了SignalExpress——一个拖放且无需编程的完美环境用来经进行试探性测量。
除了强大的软件优势，NI是众多虚拟仪器公司中提供了最为广泛和创新性的I/O选择。为了帮助工程师和科学家满足不断激增的需求，NI不断地发布产品以进一步扩展产品的宽度。一些最近的硬件革新例子包括NI USB DAQ设备，NI M系列DAQ设备和NI CompactRIO：
- USB DAQ 设备
在最近的调查中，70%的NI数据采集（DAQ）客户表示他们希望在不久的将来购买多功能的USB DAQ设备。在那个月，NI发布了NI USB-6008，价格定为 $145US（这是多功能DAQ设备最新的低价点）。
- M 系列DAQ设备
NI在2004年后期发布M系列DAQ设备产品线之时确立了在插入式数据采集领域的领导地位。第一个18位的PCI设备，第一个具有最高吞吐量达六个DMA通道的PCI数据采集设备以及即将得到专利的设备校准方案等等这些都只是这个设备系列与众不同的特性中的一小部分。
- NI CompactRIO 可配置的控制和I/O
NI I/O产品中最有创新性的新增功能之一就是CompactRIO。通过一个位于I/O平台核心的FPGA芯片，工程师利用LabVIEW FPGA可以创建自定义的硬件并且可以不断得重复自定义。
什么用户使用NI的虚拟仪器产品？
NI的客户包括工程师、科学家和许多工业领域的专业技术人士。从测试DVD录像机导研究先进的医药，他们都使用NI的软件和硬件以开发用户定义的仪器并且以更快的速度、更低的成本提供各种产品和服务。
这里是一些客户如何使用NI虚拟仪器产品的例子：
- AP Racing——建立Formula 1测径器和刹车测试测力计
30多年来，AP Racing一直是世界上刹车测径器和赛车离合器技术及生产方面的领导者。AP Racing认为使用一个新的特殊的测力计可以带来显著的优势，而且使用NI的DAQ设备和LabVIEW所构建的虚拟仪器提供了它所需要的灵活性以在市场中革新。
- Lexmark——墨盒电气性能测试
Lexmark International公司的Ed Coleman说：“随着使用基于PC的模块化仪器和工业标准软件来以最少的开发时间继续改善我们的测试系统从而满足最新的要求，并且升级至NI 5122、NI 6552和 LabVIEW 7 Express，因而我们提高了产品的质量和产量同时以最小的开发费用提高了我们的测试性能。
- Texas Instruments——RF和无线组件特性测试
德州仪器（TI）拥有将近40亿美元的收益，是领先的无线IC提供者之一。为了简化特性测试过程，TI创建了由NI TestStand和LabVIEW驱使的测试开发、管理和自动化软件。通过使用NI产品，TI扩大了市场同时没有损失质量和资源。
- Drivven——摩托车引擎控制单元（ECU）原型设计
在过去的项目中，Drivven至少要花费2人-年（man-year）和$500,000来使用自定义的硬件开发ECU原型。对于这个项目，设备成本（包括摩托车和CompactRIO）总计$15,000，而且开发时间只花费了将近3人-月（man-month）。基于FPGA的可重复配置的硬件、CompactRIO和LabVIEW实时模块提供了可靠性和精确的定时资源，而且系统十分稳定，足以承受极高的操作环境温度和振动。
如想了解并阅读更多关于客户解决方案的信息，请访问ni.com/success.
虚拟仪器和传统仪器的比较
什么是虚拟仪器？它和传统仪器有什么区别？
虚拟仪器是由用户定义，而传统仪器的功能是固定的且由厂商定义。
图5.传统仪器（左图）和基于软件的虚拟仪器（右图）具有许多相同的结构组件，但是在体系结构原理上完全不同
每一个虚拟仪器都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器的标价与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它少许多倍。然而，由于虚拟仪器在测量任务改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本不断累计。
通过不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起的产品提供给他们，这是以使用仪器前面板而损失一定固定功能作为代价的。而虚拟仪器则是提供完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件。此外，利用虚拟仪器，工程师和科学家可以使用高效且强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。
这里是实际中显现灵活性的一些例子：
- 一个应用程序，不同的设备
考虑这样一个特殊的例子，一位工程师正在实验室的台式计算机PCI总线上使用LabVIEW和M系列DAQ设备开发一个应用程序，以创建一个直流（DC）电压和温度测量应用。在完成了系统构建之后，他需要在一个生产层PXI系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者，他可能需要应用程序具有便携性，所以他选择了NI USB DAQ产品来完成任务。在这个例子中，无论是何种选择，在这三种情况下，他都可以仅在一个程序中使用虚拟仪器而无需改变代码。
图6.在许多设备使用同样的应用程序之时升级硬件十分轻松
- 许多应用程序，一个设备
考虑另外一个工程师，刚刚完成了一个利用最新的M系列DAQ设备和积分编码器测量电机位置的项目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同她也可以重用同样的M系列DAQ 设备。他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外，如果需要的话，项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的M系列DAQ设备。
图7.通过为许多应用程序重用硬件减少成本
如何比较虚拟仪器和传统仪器硬件性能？
虚拟仪器的重要概念就是驱使实际虚拟仪器软件和硬件设备加速的策略。NI致力于适应或使用诸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的高投入技术。NI使用Microsoft在操作系统（OS）和开发工具方面的巨大投资。在硬件方面，NI基于Analog Devices在A/D转换器方面的投资。
由于虚拟仪器是基于软件的，所以基本上如果你可以对它数字化，就可以对它进行测量。因此，测量硬件可在两个坐标轴上观察，即分辨率（位）和频率。参考下图可以看出虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。NI的目标就是将曲线在频率和分辨率上延伸并且在曲线内进行创新。
图8.虚拟仪器硬件与传统仪器的比较
虚拟仪器和传统仪器兼容吗？
许多工程师和科学家都在实验室里将虚拟仪器和传统仪器相结合。除此之外，一些传统仪器提供了特定的测量，即工程师和科学家宁愿厂商定义而不愿自定义的测量。这就引出了一个问题，“虚拟仪器和传统仪器兼容吗？”
虚拟仪器无一例外地与传统仪器相兼容。虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线相连接的库，例如GPIB、串行总线和以太网。
除了提供库之外，200多家仪器厂商向NI仪器驱动库提供了4000余种的仪器驱动。仪器驱动提供了一套高层且人工可读的函数以与仪器接口。每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计，从而为它独特的性能提供接口。
欲寻求仪器驱动或了解如何为仪器创建驱动，请访问ni.com/idnet
虚拟仪器和综合性仪器的区别是什么？
自动测试工业里一个基本的趋势就是向基于软件的测试系统的重大转变。例如，美国国防部（DoD）是世界上最大的自动测试设备（ATE）客户之一。为了减少测试系统的成本并提高重用率，DoD通过海军的NxTest计划已经确定：将来的ATE要使用建立在模块化硬件和可重复配置的软件之上的体系结构，称为综合性仪器。采用综合性仪器代表了将来军用ATE系统标准和规范的重大发展，并且反映出可重复配置的软件处于将来系统核心地位这一基本转变。基于软件测试系统的成功应用，例如综合性仪器，需要对硬件平台和市场上软件工具的理解，以及对系统级体系结构和仪器级体系结构之间区别的理解。
综合性仪器执行团体将综合性仪器定义为“一个可重复配置的系统，它通过标准化的接口连接一系列基本硬件和软件组件，从而产生信号或者使用数值处理技术进行测量”。这与虚拟仪器的许多性质相同，虚拟仪器是“一个软件定义的系统，其中基于用户需要的软件定义了通用测量硬件的功能”。两种定义享有共同的性质，即运行于商用硬件之上的可自定义软件的仪器。通过将测量功能转向用户可接触并可重复配置的硬件，那些采用这种体系结构的仪器从具有更大灵活性和可重复配置功能的系统中受益，而且这些系统反过来又提高了性能同时减少了成本。
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