虛擬儀器技術(shù)有希望成為測試測量行業(yè)主流趨勢
2017/8/29 10:10:19 點(diǎn)擊：
自二十世紀(jì)八十年代中期以來，虛擬儀器技術(shù)已結(jié)合了模塊化硬件、開發(fā)軟件和PC技術(shù)，從而使用戶可通過軟件來建立自定義的儀器。軟件定義比廠約定義臺式儀器功能的方式通測儀器有更大的靈活性，并且因?yàn)榛赑C技術(shù)，所以能以更快的速度實(shí)現(xiàn)高級的功能。
如今在測試應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數(shù)測試行業(yè)已接受虛擬儀器技術(shù)的概念，或者傾向于采用虛擬儀器技術(shù)。例如，具有代表性的美國軍方固然不是技術(shù)趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術(shù)。作為世界上最大的ATE（自動化測試設(shè)備）獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。在向國會提交的講演中，國防部指出：“在開發(fā)綜合性儀器時，采用新近的貿(mào)易化技術(shù)能實(shí)時地配置儀器以實(shí)現(xiàn)各種測試功能......單個綜合性儀器可以代替多個獨(dú)立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設(shè)備過期的題目。”[2002年2月，國防部技術(shù)改進(jìn)辦公室向國會提交的講演]。綜合性儀器和虛擬儀器技術(shù)具有貿(mào)易化硬件和軟件處理特性，把這兩者結(jié)合起來能建立用戶自定義的儀器。
目前，數(shù)千家大型的公司已經(jīng)開始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在出產(chǎn)檢測中很多廠商已在樞紐性項(xiàng)目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)的硬件和軟件。而在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)已被用于自動化石油鉆探和提煉，出產(chǎn)中的機(jī)器控制，甚至是核反應(yīng)堆的控制。
傳統(tǒng)儀器和革新者的挫折
正如ClaytonChristensen在同名的書中所描述的，傳統(tǒng)儀器在此同時會遭遇“革新者的挫折”。Christensen是這樣描述這一現(xiàn)象的：新的具有突破性的技術(shù)會改變市場的遠(yuǎn)景并終極推翻市場領(lǐng)導(dǎo)者的地位。事實(shí)上，Christensen以為在市場領(lǐng)導(dǎo)者的地位被新技術(shù)推翻后就很難再領(lǐng)導(dǎo)市場了。在測試和丈量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構(gòu)來進(jìn)步丈量的機(jī)能并沿著這樣方向不斷進(jìn)行革新。而在虛擬儀器技術(shù)泛起的早期，因?yàn)樗恼闪繖C(jī)能比較低，因此在這種情況下，這些突破性技術(shù)對于傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來多大威脅，所以他們很大程度上忽視了虛擬儀器技術(shù)的存在。然而到了二十世紀(jì)八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開始應(yīng)用于需要靈活性的丈量中，而這些應(yīng)用通過傳統(tǒng)的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀(jì)，跟著PC處理器和貿(mào)易化半導(dǎo)體的機(jī)能和精度的進(jìn)一步進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)的丈量機(jī)能已比原來進(jìn)步了很多�，F(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)可以和傳統(tǒng)儀器的丈量機(jī)能相稱，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的系統(tǒng)本錢。
為了證其實(shí)消費(fèi)品市場中“革新者挫折”這一原則，我們可以比較一下MP3和傳統(tǒng)播放通測儀器媒介，如CD。開始的時候傳統(tǒng)音頻設(shè)備制造商并沒有意識到MP3播放器的威脅——究竟MP3降低了聲音的質(zhì)量，并且在播放時您還需要PC和專門的軟件。而另一方面，CD播放器則輕易使用并有專門的操縱接口（按鈕和旋鈕）。然而因?yàn)镸P3具有易于共享和便于攜帶的上風(fēng)，所以盡管它出缺點(diǎn)，在誕生初期仍舊被一些用戶所推崇。跟著時間的推移，MP3的質(zhì)量已經(jīng)可以接受并且播放MP3的軟件也有了極大的發(fā)展�，F(xiàn)在MP3已成為了主流，并且對傳統(tǒng)的音頻記實(shí)和播放行業(yè)造成了巨大的威脅。
盡管很多傳統(tǒng)的播放器廠商終極通過開發(fā)出具有MP3功能的播放器以轉(zhuǎn)向采用這一突破性技術(shù)（近來Sony推出了MP3W通測儀器alkman），但是新的市場已被先推出MP3技術(shù)的公司所領(lǐng)導(dǎo)。例如，Apple已占據(jù)了基于硬盤音樂播放器銷售量的82%[NPD，2004年8月]。
在測試丈量市場，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安捷倫已同樣開始采用虛擬儀器技術(shù)的概念。例如，安捷倫最近推出的產(chǎn)品包括一套基于以太網(wǎng)的“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是產(chǎn)業(yè)尺度的虛擬儀器技術(shù)平臺。近來安捷倫的JohnStratton也表示支持軟件定義的綜合性儀器概念：“和目前尺度的采用機(jī)架解決方案比擬，另一種方案是使用綜合性儀器。綜合性儀器采用軟件算法和硬件模塊來代替分離的測試單元�！盵軍事和航空電子，2004年6月]。在最近召開的投資者大會上，安捷倫的首席運(yùn)營官BillSullivan提出，“轉(zhuǎn)向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進(jìn)行重復(fù)配置和重復(fù)使用，這將是測試和丈量未來的發(fā)展方向”。
PC機(jī)能不斷革新并降低了本錢
在過去二十年里，PC的機(jī)能已進(jìn)步了10,000倍，其它任何貿(mào)易化技術(shù)都不曾有過這樣高的機(jī)能增長。因?yàn)樘摂M儀器技術(shù)采用PC處理器來進(jìn)行丈量分析，每次跟著新一代PC處理器的泛起，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。例如，目前的3GHzPC可用來進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通訊測試應(yīng)用。使用1990年的PC（Intel386/16），65,000個點(diǎn)的FFT（快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本丈量）需要1100秒。而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench,JohnWalker]。培養(yǎng)箱
與此同時，硬盤、顯示和總線帶寬也有類似的機(jī)能進(jìn)步。新一代的高速PC總線PCIExpress能提供的帶寬高達(dá)3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超高帶寬的丈量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。盡管毋庸置疑這些外部總線適合某些特定的應(yīng)用需求（如以太網(wǎng)合用于分布系統(tǒng)而USB易于進(jìn)行桌面連接），但是同樣也有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。例如，一個100MS/s的14位IF數(shù)字化儀能天生200MB/s的數(shù)據(jù)，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬�；谶@樣的原因，您不會在市場看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡；甚至是千兆的網(wǎng)絡(luò)也比PCIExpress慢30倍。實(shí)際上千兆以太網(wǎng)接口和其它外設(shè)是通過PCIExpress和CPU相連。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應(yīng)用軟件中對總線進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線——PCI，PCIExpress，USB和以太網(wǎng)。
很多傳統(tǒng)儀器廠商采用在儀器中嵌通測儀器入PC的方式來解決這一題目。這些儀器通常有一個嵌入式儀器處理器和一個通過內(nèi)部總線和儀器盒相連的尺度PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術(shù)的兩個樞紐上風(fēng)——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)上風(fēng)，二是能輕松地進(jìn)級PC從而對丈量機(jī)能進(jìn)行大幅度的進(jìn)步。大多數(shù)示波器的使用壽命為5到20年，而一臺用了20年的PC早已沒有了使用價值。此外，如圖1所示，這些設(shè)備的功能還基本上是由廠約定義的——用戶無法利用設(shè)備中的固件來自定義丈量的功能。
如今在測試應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數(shù)測試行業(yè)已接受虛擬儀器技術(shù)的概念，或者傾向于采用虛擬儀器技術(shù)。例如，具有代表性的美國軍方固然不是技術(shù)趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術(shù)。作為世界上最大的ATE（自動化測試設(shè)備）獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。在向國會提交的講演中，國防部指出：“在開發(fā)綜合性儀器時，采用新近的貿(mào)易化技術(shù)能實(shí)時地配置儀器以實(shí)現(xiàn)各種測試功能......單個綜合性儀器可以代替多個獨(dú)立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設(shè)備過期的題目。”[2002年2月，國防部技術(shù)改進(jìn)辦公室向國會提交的講演]。綜合性儀器和虛擬儀器技術(shù)具有貿(mào)易化硬件和軟件處理特性，把這兩者結(jié)合起來能建立用戶自定義的儀器。
目前，數(shù)千家大型的公司已經(jīng)開始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在出產(chǎn)檢測中很多廠商已在樞紐性項(xiàng)目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)的硬件和軟件。而在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)已被用于自動化石油鉆探和提煉，出產(chǎn)中的機(jī)器控制，甚至是核反應(yīng)堆的控制。
傳統(tǒng)儀器和革新者的挫折
正如ClaytonChristensen在同名的書中所描述的，傳統(tǒng)儀器在此同時會遭遇“革新者的挫折”。Christensen是這樣描述這一現(xiàn)象的：新的具有突破性的技術(shù)會改變市場的遠(yuǎn)景并終極推翻市場領(lǐng)導(dǎo)者的地位。事實(shí)上，Christensen以為在市場領(lǐng)導(dǎo)者的地位被新技術(shù)推翻后就很難再領(lǐng)導(dǎo)市場了。在測試和丈量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構(gòu)來進(jìn)步丈量的機(jī)能并沿著這樣方向不斷進(jìn)行革新。而在虛擬儀器技術(shù)泛起的早期，因?yàn)樗恼闪繖C(jī)能比較低，因此在這種情況下，這些突破性技術(shù)對于傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來多大威脅，所以他們很大程度上忽視了虛擬儀器技術(shù)的存在。然而到了二十世紀(jì)八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開始應(yīng)用于需要靈活性的丈量中，而這些應(yīng)用通過傳統(tǒng)的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀(jì)，跟著PC處理器和貿(mào)易化半導(dǎo)體的機(jī)能和精度的進(jìn)一步進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)的丈量機(jī)能已比原來進(jìn)步了很多�，F(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)可以和傳統(tǒng)儀器的丈量機(jī)能相稱，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的系統(tǒng)本錢。
為了證其實(shí)消費(fèi)品市場中“革新者挫折”這一原則，我們可以比較一下MP3和傳統(tǒng)播放通測儀器媒介，如CD。開始的時候傳統(tǒng)音頻設(shè)備制造商并沒有意識到MP3播放器的威脅——究竟MP3降低了聲音的質(zhì)量，并且在播放時您還需要PC和專門的軟件。而另一方面，CD播放器則輕易使用并有專門的操縱接口（按鈕和旋鈕）。然而因?yàn)镸P3具有易于共享和便于攜帶的上風(fēng)，所以盡管它出缺點(diǎn)，在誕生初期仍舊被一些用戶所推崇。跟著時間的推移，MP3的質(zhì)量已經(jīng)可以接受并且播放MP3的軟件也有了極大的發(fā)展�，F(xiàn)在MP3已成為了主流，并且對傳統(tǒng)的音頻記實(shí)和播放行業(yè)造成了巨大的威脅。
盡管很多傳統(tǒng)的播放器廠商終極通過開發(fā)出具有MP3功能的播放器以轉(zhuǎn)向采用這一突破性技術(shù)（近來Sony推出了MP3W通測儀器alkman），但是新的市場已被先推出MP3技術(shù)的公司所領(lǐng)導(dǎo)。例如，Apple已占據(jù)了基于硬盤音樂播放器銷售量的82%[NPD，2004年8月]。
在測試丈量市場，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安捷倫已同樣開始采用虛擬儀器技術(shù)的概念。例如，安捷倫最近推出的產(chǎn)品包括一套基于以太網(wǎng)的“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是產(chǎn)業(yè)尺度的虛擬儀器技術(shù)平臺。近來安捷倫的JohnStratton也表示支持軟件定義的綜合性儀器概念：“和目前尺度的采用機(jī)架解決方案比擬，另一種方案是使用綜合性儀器。綜合性儀器采用軟件算法和硬件模塊來代替分離的測試單元�！盵軍事和航空電子，2004年6月]。在最近召開的投資者大會上，安捷倫的首席運(yùn)營官BillSullivan提出，“轉(zhuǎn)向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進(jìn)行重復(fù)配置和重復(fù)使用，這將是測試和丈量未來的發(fā)展方向”。
PC機(jī)能不斷革新并降低了本錢
在過去二十年里，PC的機(jī)能已進(jìn)步了10,000倍，其它任何貿(mào)易化技術(shù)都不曾有過這樣高的機(jī)能增長。因?yàn)樘摂M儀器技術(shù)采用PC處理器來進(jìn)行丈量分析，每次跟著新一代PC處理器的泛起，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。例如，目前的3GHzPC可用來進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通訊測試應(yīng)用。使用1990年的PC（Intel386/16），65,000個點(diǎn)的FFT（快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本丈量）需要1100秒。而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench,JohnWalker]。培養(yǎng)箱
與此同時，硬盤、顯示和總線帶寬也有類似的機(jī)能進(jìn)步。新一代的高速PC總線PCIExpress能提供的帶寬高達(dá)3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超高帶寬的丈量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。盡管毋庸置疑這些外部總線適合某些特定的應(yīng)用需求（如以太網(wǎng)合用于分布系統(tǒng)而USB易于進(jìn)行桌面連接），但是同樣也有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。例如，一個100MS/s的14位IF數(shù)字化儀能天生200MB/s的數(shù)據(jù)，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬�；谶@樣的原因，您不會在市場看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡；甚至是千兆的網(wǎng)絡(luò)也比PCIExpress慢30倍。實(shí)際上千兆以太網(wǎng)接口和其它外設(shè)是通過PCIExpress和CPU相連。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應(yīng)用軟件中對總線進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線——PCI，PCIExpress，USB和以太網(wǎng)。
很多傳統(tǒng)儀器廠商采用在儀器中嵌通測儀器入PC的方式來解決這一題目。這些儀器通常有一個嵌入式儀器處理器和一個通過內(nèi)部總線和儀器盒相連的尺度PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術(shù)的兩個樞紐上風(fēng)——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)上風(fēng)，二是能輕松地進(jìn)級PC從而對丈量機(jī)能進(jìn)行大幅度的進(jìn)步。大多數(shù)示波器的使用壽命為5到20年，而一臺用了20年的PC早已沒有了使用價值。此外，如圖1所示，這些設(shè)備的功能還基本上是由廠約定義的——用戶無法利用設(shè)備中的固件來自定義丈量的功能。
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