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虛擬儀器技術有希望成為測試測量行業主流趨勢

2017/8/29 10:10:19      點擊:
      自二十世紀八十年代中期以來,虛擬儀器技術已結合了模塊化硬件、開發軟件和PC技術,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,并且因為基于PC技術,所以能以更快的速度實現高級的功能。
      如今在測試應用中使用虛擬儀器技術已成為主流。絕大多數測試行業已接受虛擬儀器技術的概念,或者傾向于采用虛擬儀器技術。例如,具有代表性的美國軍方固然不是技術趨勢的領導者,但也在廣泛地使用虛擬儀器技術。作為世界上最大的ATE(自動化測試設備)獨立用戶,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:“在開發綜合性儀器時,采用新近的貿易化技術能實時地配置儀器以實現各種測試功能......單個綜合性儀器可以代替多個獨立儀器的功能,從而減小了后勤裝備的體積并解決了設備過期的題目!盵2002年2月,國防部技術改進辦公室向國會提交的講演]。綜合性儀器和虛擬儀器技術具有貿易化硬件和軟件處理特性,把這兩者結合起來能建立用戶自定義的儀器。
      目前,數千家大型的公司已經開始使用虛擬儀器技術。僅在出產檢測中很多廠商已在樞紐性項目、大規模產品檢測應用中使用虛擬儀器技術的硬件和軟件。而在產業領域,虛擬儀器技術已被用于自動化石油鉆探和提煉,出產中的機器控制,甚至是核反應堆的控制。
      傳統儀器和革新者的挫折
      正如ClaytonChristensen在同名的書中所描述的,傳統儀器在此同時會遭遇“革新者的挫折”。Christensen是這樣描述這一現象的:新的具有突破性的技術會改變市場的遠景并終極推翻市場領導者的地位。事實上,Christensen以為在市場領導者的地位被新技術推翻后就很難再領導市場了。在測試和丈量領域中,傳統儀器通過使用已有的架構來進步丈量的機能并沿著這樣方向不斷進行革新。而在虛擬儀器技術泛起的早期,因為它的丈量機能比較低,因此在這種情況下,這些突破性技術對于傳統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的存在。然而到了二十世紀八十年代的晚期和九十年代的早期,虛擬儀器技術開始應用于需要靈活性的丈量中,而這些應用通過傳統的方式是無法實現的。到了九十年代末和二十一世紀,跟著PC處理器和貿易化半導體的機能和精度的進一步進步,虛擬儀器技術的丈量機能已比原來進步了很多,F在,虛擬儀器技術可以和傳統儀器的丈量機能相稱,甚至超過它們,而且還具有更高的數據傳輸率、靈活性、可擴展性以及更低的系統本錢。
      為了證其實消費品市場中“革新者挫折”這一原則,我們可以比較一下MP3和傳統播放通測儀器媒介,如CD。開始的時候傳統音頻設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)。然而因為MP3具有易于共享和便于攜帶的上風,所以盡管它出缺點,在誕生初期仍舊被一些用戶所推崇。跟著時間的推移,MP3的質量已經可以接受并且播放MP3的軟件也有了極大的發展,F在MP3已成為了主流,并且對傳統的音頻記實和播放行業造成了巨大的威脅。
      盡管很多傳統的播放器廠商終極通過開發出具有MP3功能的播放器以轉向采用這一突破性技術(近來Sony推出了MP3W通測儀器alkman),但是新的市場已被先推出MP3技術的公司所領導。例如,Apple已占據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,行業領導者安捷倫已同樣開始采用虛擬儀器技術的概念。例如,安捷倫最近推出的產品包括一套基于以太網的“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發生器,而PXI是產業尺度的虛擬儀器技術平臺。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,安捷倫的首席運營官BillSullivan提出,“轉向使用基于軟件配置的模塊化儀器,能讓用戶輕松地進行重復配置和重復使用,這將是測試和丈量未來的發展方向”。
      PC機能不斷革新并降低了本錢
      在過去二十年里,PC的機能已進步了10,000倍,其它任何貿易化技術都不曾有過這樣高的機能增長。因為虛擬儀器技術采用PC處理器來進行丈量分析,每次跟著新一代PC處理器的泛起,使用虛擬儀器技術就可以實現新的應用。例如,目前的3GHzPC可用來進行復雜的頻域和調制分析以用于通訊測試應用。使用1990年的PC(Intel386/16),65,000個點的FFT(快速傅立葉變換,用于頻譜分析的基本丈量)需要1100秒。而現在使用3.4GHz的P4計算機實現相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench,JohnWalker]。培養箱 
      與此同時,硬盤、顯示和總線帶寬也有類似的機能進步。新一代的高速PC總線PCIExpress能提供的帶寬高達3.2GBytes/s,從而可以利用PC架構來實現超高帶寬的丈量。某些廠商聲稱高速內部總線將會讓位給如以太網和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用需求(如以太網合用于分布系統而USB易于進行桌面連接),但是同樣也有高速的數據傳輸速率需求。例如,一個100MS/s的14位IF數字化儀能天生200MB/s的數據,這將高于千兆以太網的80MB/s帶寬;谶@樣的原因,您不會在市場看到有任何以太網的視頻卡;甚至是千兆的網絡也比PCIExpress慢30倍。實際上千兆以太網接口和其它外設是通過PCIExpress和CPU相連。虛擬儀器技術的基于軟件的方式可以在應用軟件中對總線進行抽象,從而利用所有這些總線——PCI,PCIExpress,USB和以太網。
      很多傳統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技術的兩個樞紐上風——一是像Dell這種桌面PC廠商的規模經濟上風,二是能輕松地進級PC從而對丈量機能進行大幅度的進步。大多數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,這些設備的功能還基本上是由廠約定義的——用戶無法利用設備中的固件來自定義丈量的功能。

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