1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较.doc

1.4 虚拟仪器与传统仪器的比较 多年来，虚拟仪器已经广泛的应用在数据采集、仪器控制、工业过程监控和实验室自动化测量领域。虚拟仪器的概念也被科学家和工程师所熟知。 虚拟仪器是实实在在的电子测量仪器，虚拟的含义主要体现在将仪器的部分硬件功能及数据分析处理功能以软件的形式被虚拟化。这与网络世界中虚拟的概念是完全不同的，网络世界中的虚拟表现出的是一种不存在的虚幻。 如何看待虚拟仪器？它与传统仪器间会有什么不同之处？它会取代传统仪器吗？ 正像当年数字式仪表刚刚出现时，也曾有过类似的问题提出：数字式仪表会取代模拟式仪表吗？当然是众说纷纭，可是直到今天数字式仪表也未能取代模拟式仪表，但数字化肯定是发展趋势。比如：民用电度表基本上是已经数字化了！ 科学技术产品（人造物种）与自然界的物种类似，同样适用于“物竞天择，适者生存“，不适者将被淘汰的自然淘汰法则。比如，我们所熟悉的数字BP机被汉字BP机取代，而汉字BP机则被模拟手机取代，现在数字手机已经完全取代了模拟手机。但是可以说，在未来相当长的一段时间内虚拟仪器还不会取代模拟仪器，因为它们有各自的特点。 不管未来会发生什么样的变化，现在我们还是一起来看看虚拟仪器和传统仪器间的差别。 传统仪器的发展已经近百年了，虚拟仪器的出现不过才短短的二十多年。正是由于它们之间存在着各自不同的特点和特性，所以目前还不存在着将来谁取代谁的问题。未来，它们之间的关系仍旧是良好的一种互补关系。 关于虚拟仪器我们还要做更深一步的探讨。第一，模拟电子（IC）技术仍主导着虚拟仪器的未来 在此之前，我们一直强调虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，软件在虚拟仪器中起着重要作用。没错的确如此，可是千万不要忽视这样一个基本事实：模拟电子技术在虚拟仪器硬件（模块）中也同样承担的非常非常重要的作用。 虚拟仪器的测量原理是基于数据采集硬件，而数据采集硬件的核心部件是模数转换器（IC）。可以说，模数转换器的特性决定了数据采集模块的特性，而数据采集卡的特性决定了整个测量仪器的基本特性。 工业自动化测量往往需要的是定量的测量，测量结果的准确与否直接与模数转换器的基本特性有关。模数转换器的温度特性决定了数据采集模块的使用环境，模数转换器的长期稳定性决定了数据采集模块校准周期。当然模块的设计者可以通过其它技术手段来保证数据采集模块的技术性能。比如，NI的数据采集模块从E 系列发展到M 系列，其技术性能的提升完全取决于模拟电子技术的发展，其中就包括了内置基准源的设计手段。从而使M系列的数据采集模块校准周期定为2年。我有一块NI PXI 6251数据采集模块，已经使用了4年，最近对它测试表明其准确度还保持在出厂时的校准水平。 还有，C系列模块的功能多样性恰恰是由模数转换器的多样性所带来的。 纵观NI的数据采集模块，绝大多数都是使用商品化的模数转换IC。所以说，只有模拟电子技术的不断发展进步，才会给虚拟仪器的发展带来新的机会。这是一个绝对不容忽视的问题。 正是NI公司在软、硬件设计上都具有个性鲜明的特点和连通性，才会使它成为虚拟仪器技术领域的权威专业制造商。第二，在高端测量仪器领域传统仪器仍然是主宰者 所谓高端测量仪器是指那些使用在精密实验室的测量仪器，特别是在一些校准实验室。这类仪器由于测量对仪器的本底噪声、电磁兼容性、使用环境等有许多特殊的要求。所以精密实验室的测量仪器领域一直被传统仪器所占据着。比如，8 位半的数字电压表、数10GHz的射频信号发生器和分析仪等。 虚拟仪器在精密实验室应用方面的优势是通过仪器的接口总线（GPIB等）构成自动化测试系统。 造成这样的原因是：虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，而计算机总线上总是会存在着一些噪声，这对精密测试影响很大。相对来说，传统仪器在设计上完全可以做到精雕细刻，力求完美，而虚拟仪器的设计很难做到这点。另外，传统的精密测量仪器使用的大多采用的是线性（模拟）供电电源，而虚拟仪器大多由开关电源供电。所以在抑制电源噪声干扰方面传统仪器的确要好些。第三，虚拟仪器使个人仪器成为现实 这里所说的个人仪器包含两个方面的意思：其一，如果你掌握了虚拟仪器技术（关于什么是虚拟仪器技术我们在下一节会谈到）就可以自行设计所需的虚拟仪器，这是对传统模式的一种突破；其二，虚拟仪器可以很方便的在其它场合使用，比如：家里或其它的实验室。因为虚拟仪器是在计算机上运行，而计算机是很普通的个人工具，无处不在。我们只要将数据采集模块和应用软件移植到其它计算机上，它们在那里依旧可以继续工作。而传统仪器相对而言绝不可能由一个人来设计完成，或者是随心所欲的在任何地方使用。第四，如何看待虚拟仪器的价格问题 有人说虚拟仪器价格贵，也有人说虚拟仪器价格低。到底那种说法更正确呢？说价格贵的我们认为还没有领会到虚拟仪器的实质，还是在用传统仪器的观点和思维来考量虚拟仪器。以性能相类似的数字万用表为例，安捷论34401的价格大概在8000元左右；而NI 4070不含税的价格在16550元，二者相差是倍数关系。并且NI 4070仅仅是一块模块。不用说，这样比较显然是虚拟仪器价格贵。如果工程需要仅使用万用表的功能就足够了，那还是应该选择34401。如果日后还要组建其它的自动化测试系统或者测试内容会不断地发生变更，那还是应该考虑虚拟仪器的方案。 说虚拟仪器价格低是建立在硬件可被重复使用，仪器的测试功能变更可通过软件重新设计来实现的一种总体综合效果上。这种总体效果包含了测量任务变更后，所需从新投入的全部费用。 从另外一方面看，如果需要我们对NI 4070略加改动便可以使其成为低频信号的频域测量仪器，比如象：信噪比测量、谐波分析、频谱分析测量、数字滤波等虚拟仪器才能完成的许多附加功能。虚拟仪器综合利用率还是比较高的。至少虚拟仪器提供了让你充分挖掘硬件资源的一个机会。 最后再举一个虚拟仪器实际应用的实例，比如做一个待测部件（确定待测部件的频率响应）的扫频