1.5 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器間的關(guān)系

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多年來，虛擬儀器的概念已經(jīng)被更多的科學(xué)家和工程師及院校的師生所熟知。虛擬儀器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集、儀器控制、工業(yè)過程監(jiān)控和實驗室自動化測量領(lǐng)域。

虛擬儀器是實實在在的電子測量儀器，虛擬的含義主要體現(xiàn)在將儀器的部分硬件功能及數(shù)據(jù)分析處理功能以軟件的形式被虛擬化。這與網(wǎng)絡(luò)世界中虛擬的概念是完全不同的，網(wǎng)絡(luò)世界中的虛擬表現(xiàn)出的是一種不存在的虛幻。

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1.5.1 虛擬儀器會取代傳統(tǒng)儀器嗎？如何看待虛擬儀器，它與傳統(tǒng)儀器間會有什么不同之處？它會取代傳統(tǒng)儀器嗎？

正像當(dāng)年數(shù)字式儀表剛剛出現(xiàn)時，也曾有過類似的問題提出：數(shù)字式儀表會取代模擬式儀表嗎？當(dāng)時可謂是眾說紛紜，看法不一?？墒?，直到今天數(shù)字式儀表也未能 完全取代模擬式儀表。但是，數(shù)字化肯定是儀器儀表的發(fā)展趨勢。比如：民用電度表、手機、電視、照相機等都已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化了！

可以說，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，虛擬儀器還不會取代傳統(tǒng)儀器，因為它們有各自的特點和各自的優(yōu)勢。
不管未來會發(fā)生什么樣的變化，現(xiàn)在還是一起來看看虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器間的差別，參見表1－1。表 1－1傳統(tǒng)儀器的發(fā)展已經(jīng)近百年了，虛擬儀器的出現(xiàn)不過才短短的二十多年。正是由于它們之間存在著各自不同的特點和特性，所以目前還不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關(guān)系仍舊是良好的一種互補關(guān)系。

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1.5.2 模擬電子技術(shù)仍主導(dǎo)著虛擬儀器的未來在此之前，我們一直強調(diào)虛擬儀器是基于計算機的測量儀器，軟件在虛擬儀器中起著重要作用。的確如此，但是也千萬不要忽視這樣一個基本事實：模擬電子技術(shù)在虛擬儀器硬件（IC）中也同樣承擔(dān)的非常非常重要的作用。

虛擬儀器的測量原理是基于數(shù)據(jù)采集模塊，而數(shù)據(jù)采集模塊中最核心部件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。可以說，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特性決定了數(shù)據(jù)采集模塊的特性，而數(shù)據(jù)采集卡的特性決定了整個測量儀器的基本特性。
工業(yè)自動化測量需要的是定量測量，測量結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本特性有關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度特性決定了數(shù)據(jù)采集模塊的使用環(huán)境，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 長期穩(wěn)定性決定了數(shù)據(jù)采集模塊校準(zhǔn)周期。當(dāng)然，模塊的設(shè)計者可以通過其它技術(shù)手段來保證數(shù)據(jù)采集模塊的技術(shù)性能。比如NI的數(shù)據(jù)采集模塊從E系列發(fā)展到M 系列，其技術(shù)性能的提升完全取決于模擬電子技術(shù)的進步所致，其中包括了：高速16－18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)置基準(zhǔn)源的等設(shè)計手段。從而使M系列的數(shù)據(jù)采集模 塊校準(zhǔn)周期定為2年。

筆者的一塊NI PXI 6251數(shù)據(jù)采集模塊，已經(jīng)使用了4年，最近對它測試表明其準(zhǔn)確度還保持在出廠時的校準(zhǔn)水平。

還有，C系列模塊的功能多樣性恰恰是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的多樣性所帶來的。

縱觀NI的數(shù)據(jù)采集模塊，絕大多數(shù)都是使用商品化的模數(shù)轉(zhuǎn)換IC。未來，只有模擬電子技術(shù)不斷發(fā)展進步，才會給虛擬儀器的發(fā)展帶來更多的新機會。

正是NI公司在軟、硬件設(shè)計上具有個性鮮明的特點和連通性，才會使它成為虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威專業(yè)制造商和領(lǐng)跑者。

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1.5.3 數(shù)字電子技術(shù)使得虛擬儀器設(shè)計更加靈活數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展同樣影響著虛擬儀器的性能，如：E系列6014模塊的計數(shù)器和定時器為：2個 24 bits 時鐘頻率20MHz；而M系列6251的則為：2個32 bits 時鐘頻率80 MHz；X系列6320的則為：4個32 bits 時鐘頻率100 MHz。在性能不斷提高的同時，價格和功耗確在不斷的下降，原因就是數(shù)字電子技術(shù)的不斷進步所致。

特別是NI的板載FPGA技術(shù)推出，使得一些系統(tǒng)設(shè)計更加自主化、更加機動靈活。我們知道，數(shù)據(jù)采集模塊的基本性能是確定性的，用戶只有按照確定性的要求 來選擇使用。當(dāng)系統(tǒng)中一旦需要一些比較特殊的要求時，我們無能為力來改進或解決。NI R系列模塊提供了某些解決辦法，這就是對FPGA進行在線編程實現(xiàn)硬件設(shè)計的軟件化。

NI R系列多功能RIO設(shè)備具有每通道專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以實現(xiàn)獨立的定時和觸發(fā)。它提供超越典型數(shù)據(jù)采集硬件功能的多種專項功能，如：多速率采樣和單通道觸發(fā)。NI R系列模塊提供的可編程FPGA芯片，更適合板載處理和靈活的I/O操作。
NI R系列數(shù)字RIO設(shè)備和LabVIEW FPGA，允許我們配置自定義的硬件，滿足各種應(yīng)用的需要，如：自定義數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集、高速波形生成、傳感器仿真、硬件在環(huán)(HIL)測試、自定義數(shù)字通信協(xié)議、誤碼率測試以及其它要求精確定時和控制的應(yīng)用程序。

我們可借助于NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項功能。該程序框圖在硬件中運行, 有助于直接而及時地控制全部I/O信號, 實現(xiàn)各項優(yōu)越性能, 例如:
完全控制所有信號及操作的同步和定時
具有硬件定時的速度和可靠性的自定義板載決策
百余種可個別配置的數(shù)字線, 如: 輸入、輸出、計數(shù)器/定時器、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、靈活的編碼器輸入或?qū)ｉT的通信協(xié)議

對于FPGA的編程和設(shè)計，我們根本不用重新學(xué)習(xí)VHDL編程語言，在NI LabVIEW平臺下借助NI LabVIEW FPGA模塊就可以采用圖形編程的方法設(shè)計自己所需的硬件電路。這樣不僅大大減輕和緩解了學(xué)習(xí)和應(yīng)用方面的壓力，同時還加快驗證和發(fā)布創(chuàng)新應(yīng)用的速度。

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1.5.4 高端測量儀器領(lǐng)域傳統(tǒng)儀器仍是主宰者所謂高端測量儀器是指那些使用在精密實驗室的測量儀器，特別是校準(zhǔn)實驗室。對這類測量儀器通常會有比較特殊的要求。比如儀器的本底噪聲要小、滿足電磁兼容 性的要求、使用環(huán)境溫度、濕度要保證在一定的范圍內(nèi)等。所以精密實驗室的測量儀器領(lǐng)域一直被傳統(tǒng)儀器所占據(jù)著。比如8位半的數(shù)字電壓表、萬用表，數(shù)GHz 的射頻信號發(fā)生器及分析儀等。

筆者認(rèn)為：造成這樣的原因是多方面的：虛擬儀器是基于計算機的測量儀器，而計算機總線上總是會存在著一些噪聲，這對精密測試影響很大。相對而言，傳統(tǒng)儀器在設(shè)計上完全可以做到精雕細(xì)刻，力求盡善盡美，而虛擬儀器的設(shè)計很難做到這點。
另外，傳統(tǒng)的精密測量儀器用的大多是線性（模擬）供電電源，而虛擬儀器大多由開關(guān)電源供電。所以在抑制電源噪聲干擾方面?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的確要比虛擬儀器做得好些。

虛擬儀器在精密實驗室應(yīng)用方面的優(yōu)勢還是通過儀器的接口總線（GPIB等）構(gòu)成實驗室的自動化測試系統(tǒng)。綜上所述，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器之間不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關(guān)系仍舊是良好的一種互補關(guān)系。