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21世纪虚拟仪器的发展趋势展望
National Instruments(美国国家仪器有限公司)在业界率先提出“虚拟仪器”(Virtual Instrumentation)概念至今已有15年了。在这15年里,NI逐步改变了全世界工程师和科学家们对于测量和自动化的方法。今天,全世界的工程师和科学家们正在成千上万个应用系统中使用“虚拟仪器技术”,从而达到缩短开发时间、提高产品品质并降低生产成本的共同目的。同时,虚拟仪器技术也正逐渐趋于成熟和完善的境界。
   虚拟仪器系统的基本构架包括功能强大的软件、模块化的测量硬件及标准商业科技(如个人计算机和网际网络)。虚拟仪器技术包含了专为控制应用设计的软件及针对不同频率与精确度范围的通用测量硬件,因此,工程师可以在测试或控制应用中自行定义测量功能。这些软硬件工程工具能紧密地与开放式的商业计算机平台整合使用,充分利用不断进步的计算机科技以获取高效率、高性能及低成本的利益。同时,其应用范围极其广泛,从汽车到消费电子,从石油到燃料能源,横跨数百个工业领域。
   随着莫尔定律的持续发展及个人计算机技术的日新月异,虚拟仪器系统的功能也越来越强大。个人计算机的内存、影像处理、输入输出及中央处理单元的性能每年都在提高,而这些技术都有利于“虚拟”的测量和自动化系统的发展。从25年前个人计算机的出现至今,其性能已提高了10000倍,而其价格却不断地下降,因此,这些功能强大、性能可靠、成本低廉的计算机系统被广泛应用到实验室的产品研发及生产线上产品的制程中。个人计算机的不断发展进步不仅使得虚拟仪器系统成为一种低成本、高弹性的解决方案,更大大提升了企业生产率,而这是传统独立的仪器设备所无法比拟的优势。
简化开发过程
   托马斯·爱迪生(Thomas Edison)以其留声机和电灯的创新发明而闻名于世,当时和他一起工作并取得这些成功的人数并不多。反观今日,R&D(研发)团队已然成为大型企业、项目研究的主要栋梁,涉及的工程师和科学家不计其数,如此庞大的团队却没有人能够完全了解所致力于研究和开发的项目。最近,虚拟仪器系统提高了工程师们的工作效率,为公司创造突破性革新技术的小组格局,同时大大提高了整个企业的生产率。个人计算机的强大处理功能、模块化硬设备的多功能性以及专为工程师们设计的现成即用的软件使小组成员有机会充分发挥他们的创造力,从而为各种应用建置完善、先进的系统。
   虚拟仪器技术帮助工程师们更容易了解并掌握测量系统。例如,以往工程师们总是使用几台单独的仪器设备分别进行各种物理量的测量,然后以手动方式进行初步的运算和分析;而现在,利用分析软件与简单的测量硬设备,就可以毫不费力地建置一套成本低廉且具有各种仪器功能的系统。
   功能强大、现成即用的软件使整个过程自动进行。工程师们使用个人计算机轻易就能完成整个资料撷取、分析和显示的工作,同时却不影响到测量系统的性能或功能。例如,NI LabVIEW简易的流程图编辑程序风格使得工程师们可以快速建置符合自己特定要求的应用程序,不管他是否有过编辑程序的经验。NI LabVIEW正是一个革命性的软件工具,它为工程师们提供的帮助就好像电子制表软件简化财务会计们繁重的工作量一样。而且,与硬设备的紧密整合使它更简单地实现测量和控制自动化,同时能充分利用个人计算机的分析、显示和网络连接功能。
   随着测量和控制应用领域对系统性能和灵活性要求的不断提高,软件的设计功能也日渐重要。购置工程应用开发平台并拥有其最佳性能,可以使企业大大缩短开发时间并提高每个工程师的工作效率。配备了这样强有力的工具,企业才能在剧烈的竞争中赢得最终胜利。这一方法使得工程师们可以专注于应用系统的开发而非花大量的时间去迎合操作系统的升级或网络的转移等变化,从而实现工程资源的有效利用,确保您的投资。
   测量系统历来被称为“自动化的荒岛”,因为您必须为每个单一的应用专门设计一套独立的系统。有了虚拟仪器系统,模块化的硬件组成及开放式的工程应用软件可以帮助您简单地使一套系统同时符合各种测量应用的要求。

   软件标准如OPC(OLE for Process Control),IVI(Interchangeable Virtual Instruments)保证了软硬件紧密的整合及硬设备的可互换性。工程师们不用再花上几个星期实现资料撷取软件与测量硬设备之间的通信。OPC为应用软件与各种硬件之间的通信问题设定了标准,使来自不同供货商的应用软件都符合这一标准。正如OPC提高了设备互用性,IVI也为互换使用不同生产商提供的硬件定义了一套方法——使用同一软件。在实验室自动化中,当整个系统的寿命比一台仪器长得多时;在生产测试中,当您需要为新的生产线更改测量设备以符合应用要求时,这一特性尤为重要。
   为了满足您的测试系统不断变化的需要,开放式的平台如PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)可以简单地将来自不同生产厂商的测量设备整合到一个共同的系统中,并在新的技术出现或者应用系统需要发生改变时可以方便地将其进行修改或扩展。使用PXI系统,您可以将一些常用的测量应用如机器视觉、运动控制和资料撷取快速整合,且不需花费过多宝贵的开发时间即可建置多功能的应用系统。开放式的PXI平台将工业标准科技如Compact/PCI、Windows操作系统与嵌入式的触发结合在一起,提供一个比个人计算机更耐用、更具有确定性的系统。同时,因为它是建立在熟悉的PC软硬件基础上,且可以与各种现成即用的开发软件整合使用,因而简化并加速复杂应用系统的开发过程。
超越了PC的功能
   虚拟仪器技术融合了PC技术及商业科技如网际网络,促进测量和自动化技术的发展。现在,虚拟仪器技术正在利用PC范畴以外的最新的技术革新。例如,实时控制与嵌入式控制器也早已属于特殊程序开发的范围。现在,工业标准科技的发展,利用更可靠的操作系统、功能更强大的处理器将更高一级的控制和确定性引入到虚拟仪器系统中。这意味着更多的测试和控制工程师们将有新的机会开发更加完善的实时的嵌入式系统。如NI LabVIEW RT(实时控制)的软件即可以进行PC上的开发,又可以实现实时控制的嵌入式应用系统的开发。工程师们无需苦于学习即可将自己的知识面扩展到新的应用领域,因为开发软件本身已包容了新兴的计算机技术。
   网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段,加速了虚拟仪器的网络技术及远程监控技术的发展,而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪器技术可利用网际网络的功能,将来自测量或控制设备中的资料直接传送到web网页上,或是用掌上型的数字工具读取资料,甚至还可以将数据传输到手机上。使用虚拟仪器技术,您可以使用网际网络的强大功能远距离控制仪器设备,或是与远在其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。
21世纪的虚拟仪器技术
   未来的这种连通水平将会更高,届时将赋予模块化新的定义。随着网际网络和无线技术的不断发展,工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分,还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验——巩固开发过程每个阶段工程师们的努力成果。
   商业科技的发展浪潮将会继续,同时也将虚拟仪器技术推向新的领域。因此,性能的提高将节省宝贵的开发及系统整合时间,同时又比传统仪器测量方案成倍降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度,但可以肯定的是——PC与其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心。
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