虚拟仪器技术有希望成为测试测量行业主流趋势
2017/8/29 10:10:19 点击：
自二十世纪八十年代中期以来，虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件和PC技术，从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂约定义台式仪器功能的方式通测仪器有更大的灵活性，并且因为基于PC技术，所以能以更快的速度实现高级的功能。
如今在测试应用中使用虚拟仪器技术已成为主流。绝大多数测试行业已接受虚拟仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。例如，具有代表性的美国军方固然不是技术趋势的领导者，但也在广泛地使用虚拟仪器技术。作为世界上最大的ATE（自动化测试设备）独立用户，美国国防部已在他们所推动的综合性仪器中采用了基于软件的仪器概念。在向国会提交的讲演中，国防部指出：“在开发综合性仪器时，采用新近的贸易化技术能实时地配置仪器以实现各种测试功能......单个综合性仪器可以代替多个独立仪器的功能，从而减小了后勤装备的体积并解决了设备过期的题目。”[2002年2月，国防部技术改进办公室向国会提交的讲演]。综合性仪器和虚拟仪器技术具有贸易化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来能建立用户自定义的仪器。
目前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪器技术。仅在出产检测中很多厂商已在枢纽性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。而在产业领域，虚拟仪器技术已被用于自动化石油钻探和提炼，出产中的机器控制，甚至是核反应堆的控制。
传统仪器和革新者的挫折
正如ClaytonChristensen在同名的书中所描述的，传统仪器在此同时会遭遇“革新者的挫折”。Christensen是这样描述这一现象的：新的具有突破性的技术会改变市场的远景并终极推翻市场领导者的地位。事实上，Christensen以为在市场领导者的地位被新技术推翻后就很难再领导市场了。在测试和丈量领域中，传统仪器通过使用已有的架构来进步丈量的机能并沿着这样方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术泛起的早期，因为它的丈量机能比较低，因此在这种情况下，这些突破性技术对于传统仪器厂商并没有带来多大威胁，所以他们很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了二十世纪八十年代的晚期和九十年代的早期，虚拟仪器技术开始应用于需要灵活性的丈量中，而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了九十年代末和二十一世纪，跟着PC处理器和贸易化半导体的机能和精度的进一步进步，虚拟仪器技术的丈量机能已比原来进步了很多。现在，虚拟仪器技术可以和传统仪器的丈量机能相称，甚至超过它们，而且还具有更高的数据传输率、灵活性、可扩展性以及更低的系统本钱。
为了证其实消费品市场中“革新者挫折”这一原则，我们可以比较一下MP3和传统播放通测仪器媒介，如CD。开始的时候传统音频设备制造商并没有意识到MP3播放器的威胁——究竟MP3降低了声音的质量，并且在播放时您还需要PC和专门的软件。而另一方面，CD播放器则轻易使用并有专门的操纵接口（按钮和旋钮）。然而因为MP3具有易于共享和便于携带的上风，所以尽管它出缺点，在诞生初期仍旧被一些用户所推崇。跟着时间的推移，MP3的质量已经可以接受并且播放MP3的软件也有了极大的发展。现在MP3已成为了主流，并且对传统的音频记实和播放行业造成了巨大的威胁。
尽管很多传统的播放器厂商终极通过开发出具有MP3功能的播放器以转向采用这一突破性技术（近来Sony推出了MP3W通测仪器alkman），但是新的市场已被先推出MP3技术的公司所领导。例如，Apple已占据了基于硬盘音乐播放器销售量的82%[NPD，2004年8月]。
在测试丈量市场，行业领导者安捷伦已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如，安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器，而PXI是产业尺度的虚拟仪器技术平台。近来安捷伦的JohnStratton也表示支持软件定义的综合性仪器概念：“和目前尺度的采用机架解决方案比拟，另一种方案是使用综合性仪器。综合性仪器采用软件算法和硬件模块来代替分离的测试单元。”[军事和航空电子，2004年6月]。在最近召开的投资者大会上，安捷伦的首席运营官BillSullivan提出，“转向使用基于软件配置的模块化仪器，能让用户轻松地进行重复配置和重复使用，这将是测试和丈量未来的发展方向”。
PC机能不断革新并降低了本钱
在过去二十年里，PC的机能已进步了10,000倍，其它任何贸易化技术都不曾有过这样高的机能增长。因为虚拟仪器技术采用PC处理器来进行丈量分析，每次跟着新一代PC处理器的泛起，使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如，目前的3GHzPC可用来进行复杂的频域和调制分析以用于通讯测试应用。使用1990年的PC（Intel386/16），65,000个点的FFT（快速傅立叶变换，用于频谱分析的基本丈量）需要1100秒。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8秒[Ffbench,JohnWalker]。培养箱
与此同时，硬盘、显示和总线带宽也有类似的机能进步。新一代的高速PC总线PCIExpress能提供的带宽高达3.2GBytes/s，从而可以利用PC架构来实现超高带宽的丈量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给如以太网和USB这样的外部总线。尽管毋庸置疑这些外部总线适合某些特定的应用需求（如以太网合用于分布系统而USB易于进行桌面连接），但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如，一个100MS/s的14位IF数字化仪能天生200MB/s的数据，这将高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因，您不会在市场看到有任何以太网的视频卡；甚至是千兆的网络也比PCIExpress慢30倍。实际上千兆以太网接口和其它外设是通过PCIExpress和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象，从而利用所有这些总线——PCI，PCIExpress，USB和以太网。
很多传统仪器厂商采用在仪器中嵌通测仪器入PC的方式来解决这一题目。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器和一个通过内部总线和仪器盒相连的尺度PC主板。然而，这种方式就损失了PC技术的两个枢纽上风——一是像Dell这种桌面PC厂商的规模经济上风，二是能轻松地进级PC从而对丈量机能进行大幅度的进步。大多数示波器的使用寿命为5到20年，而一台用了20年的PC早已没有了使用价值。此外，如图1所示，这些设备的功能还基本上是由厂约定义的——用户无法利用设备中的固件来自定义丈量的功能。
如今在测试应用中使用虚拟仪器技术已成为主流。绝大多数测试行业已接受虚拟仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。例如，具有代表性的美国军方固然不是技术趋势的领导者，但也在广泛地使用虚拟仪器技术。作为世界上最大的ATE（自动化测试设备）独立用户，美国国防部已在他们所推动的综合性仪器中采用了基于软件的仪器概念。在向国会提交的讲演中，国防部指出：“在开发综合性仪器时，采用新近的贸易化技术能实时地配置仪器以实现各种测试功能......单个综合性仪器可以代替多个独立仪器的功能，从而减小了后勤装备的体积并解决了设备过期的题目。”[2002年2月，国防部技术改进办公室向国会提交的讲演]。综合性仪器和虚拟仪器技术具有贸易化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来能建立用户自定义的仪器。
目前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪器技术。仅在出产检测中很多厂商已在枢纽性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。而在产业领域，虚拟仪器技术已被用于自动化石油钻探和提炼，出产中的机器控制，甚至是核反应堆的控制。
传统仪器和革新者的挫折
正如ClaytonChristensen在同名的书中所描述的，传统仪器在此同时会遭遇“革新者的挫折”。Christensen是这样描述这一现象的：新的具有突破性的技术会改变市场的远景并终极推翻市场领导者的地位。事实上，Christensen以为在市场领导者的地位被新技术推翻后就很难再领导市场了。在测试和丈量领域中，传统仪器通过使用已有的架构来进步丈量的机能并沿着这样方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术泛起的早期，因为它的丈量机能比较低，因此在这种情况下，这些突破性技术对于传统仪器厂商并没有带来多大威胁，所以他们很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了二十世纪八十年代的晚期和九十年代的早期，虚拟仪器技术开始应用于需要灵活性的丈量中，而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了九十年代末和二十一世纪，跟着PC处理器和贸易化半导体的机能和精度的进一步进步，虚拟仪器技术的丈量机能已比原来进步了很多。现在，虚拟仪器技术可以和传统仪器的丈量机能相称，甚至超过它们，而且还具有更高的数据传输率、灵活性、可扩展性以及更低的系统本钱。
为了证其实消费品市场中“革新者挫折”这一原则，我们可以比较一下MP3和传统播放通测仪器媒介，如CD。开始的时候传统音频设备制造商并没有意识到MP3播放器的威胁——究竟MP3降低了声音的质量，并且在播放时您还需要PC和专门的软件。而另一方面，CD播放器则轻易使用并有专门的操纵接口（按钮和旋钮）。然而因为MP3具有易于共享和便于携带的上风，所以尽管它出缺点，在诞生初期仍旧被一些用户所推崇。跟着时间的推移，MP3的质量已经可以接受并且播放MP3的软件也有了极大的发展。现在MP3已成为了主流，并且对传统的音频记实和播放行业造成了巨大的威胁。
尽管很多传统的播放器厂商终极通过开发出具有MP3功能的播放器以转向采用这一突破性技术（近来Sony推出了MP3W通测仪器alkman），但是新的市场已被先推出MP3技术的公司所领导。例如，Apple已占据了基于硬盘音乐播放器销售量的82%[NPD，2004年8月]。
在测试丈量市场，行业领导者安捷伦已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如，安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器，而PXI是产业尺度的虚拟仪器技术平台。近来安捷伦的JohnStratton也表示支持软件定义的综合性仪器概念：“和目前尺度的采用机架解决方案比拟，另一种方案是使用综合性仪器。综合性仪器采用软件算法和硬件模块来代替分离的测试单元。”[军事和航空电子，2004年6月]。在最近召开的投资者大会上，安捷伦的首席运营官BillSullivan提出，“转向使用基于软件配置的模块化仪器，能让用户轻松地进行重复配置和重复使用，这将是测试和丈量未来的发展方向”。
PC机能不断革新并降低了本钱
在过去二十年里，PC的机能已进步了10,000倍，其它任何贸易化技术都不曾有过这样高的机能增长。因为虚拟仪器技术采用PC处理器来进行丈量分析，每次跟着新一代PC处理器的泛起，使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如，目前的3GHzPC可用来进行复杂的频域和调制分析以用于通讯测试应用。使用1990年的PC（Intel386/16），65,000个点的FFT（快速傅立叶变换，用于频谱分析的基本丈量）需要1100秒。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8秒[Ffbench,JohnWalker]。培养箱
与此同时，硬盘、显示和总线带宽也有类似的机能进步。新一代的高速PC总线PCIExpress能提供的带宽高达3.2GBytes/s，从而可以利用PC架构来实现超高带宽的丈量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给如以太网和USB这样的外部总线。尽管毋庸置疑这些外部总线适合某些特定的应用需求（如以太网合用于分布系统而USB易于进行桌面连接），但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如，一个100MS/s的14位IF数字化仪能天生200MB/s的数据，这将高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因，您不会在市场看到有任何以太网的视频卡；甚至是千兆的网络也比PCIExpress慢30倍。实际上千兆以太网接口和其它外设是通过PCIExpress和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象，从而利用所有这些总线——PCI，PCIExpress，USB和以太网。
很多传统仪器厂商采用在仪器中嵌通测仪器入PC的方式来解决这一题目。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器和一个通过内部总线和仪器盒相连的尺度PC主板。然而，这种方式就损失了PC技术的两个枢纽上风——一是像Dell这种桌面PC厂商的规模经济上风，二是能轻松地进级PC从而对丈量机能进行大幅度的进步。大多数示波器的使用寿命为5到20年，而一台用了20年的PC早已没有了使用价值。此外，如图1所示，这些设备的功能还基本上是由厂约定义的——用户无法利用设备中的固件来自定义丈量的功能。
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