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开创虚拟仪器技术新纪元概览 作者：NI中国 资深技术市场工程师 周斌NI中国 市场部经理 朱君 目录 仪器技术新时代 并行技术的涌现 虚拟仪器技术新纪元 更多相关资源 仪器技术新时代 日新月异的科技发展与日趋激烈的市场竞争给工程师们带来了持续的压力和挑战。 其中一个挑战就是协议的多样化，比如在通讯行业中，比起十年前，目前的通讯协议几乎数不清（见图1），而且没有一个明显的主导协议，因此最终产品就需要同时实现多个协议。如果按照原来的传统方式，即一个测试仪器针对一个协议，那么很难想象会需要多少台独立仪器。 图1 通讯行业并存着多样的协议 产品功能的日趋集成化也是挑战之一，我们拿新上市的iPhone为例（见图2），它汇聚了多种功能， 不仅用来通话，也可以用作mp3、PDA、数字相机等等，并且为了保持市场的竞争力，新的功能会被不断地加入。如果要跟上这样的发展来进行产品的功能测试，显然，功能固定的传统测试方法已无法满足灵活性的要求；而且如果产品功能每增加一个就意味着需要增加或替换一台仪器来测试的话，这是工程师们所无法接受的。 图2 产品功能日趋集成化 随着科技的高速发展，上述的发展趋势目前已愈加明显，因此测试仪器也正在经历一个基本原则的变更——从功能固定的分立仪器向着灵活的基于软件的模块化仪器架构转变，而这也就是NI在20多年前提出的 “虚拟仪器技术”的概念。利用虚拟仪器技术的特性，我们可以有效地解决上述的挑战：基于软件的自定义功能使得工程师们可以针对不同的协议开发对应的测试程序；而模块化的仪器架构则可以根据不同的功能测试选用不同的模块硬件，在同一个测试平台上灵活地实现测试系统的集成。 目前，虚拟仪器技术已经被应用在测试测量和自动化的各大领域，协助越来越多的工程师们来创建高性能、高扩展性的测试系统，可以说，一个仪器技术的新时代已经来临。 而与此同时，虚拟仪器技术本身也在不断发展和创新，纵观其20多年来的发展历程，我们可以看到，由于虚拟仪器技术是建立在商业可用技术的基础之上，因此它能够将新兴发展的科学技术都融合进来，使工程师能以最迅速和便捷的方式来享用，从而创建更高性能的测试系统。PC处理器技术的发展就是一个很好的例子：在1990年，用当时的PC(Intel 386/16)处理65000个点的FFT（快速傅立叶变换，用于频谱分析的基本方法）需要1100秒时间，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，可以想见，这一技术上的飞跃对工程师们意味着多少曾经的设想将成为可能。 以此类推，目前正在蓬勃发展着的新兴技术也注定将成为推动虚拟仪器技术发展的新动力，例如PCI Express总线技术可以让更多的原始数据以更高的速度传送给PC；而多核技术则可以实现真正的并行运算，从而直线提升系统的数据处理性能；可编程逻辑门阵列（FPGA）技术则允许工程师根据不同的测试要求通过软件重新定制硬件的功能。因此，可以预见的是，这些主流的商业可用技术将让虚拟仪器技术向许多之前只能用昂贵的专用设备的应用领域敞开了大门，从而开启一个虚拟仪器技术的新纪元！ 并行技术的涌现 纵观目前主流的商业可用技术，我们可以很明显地看到，其发展的趋势是通过并行拓扑结构来实现更高的性能，下面将针对它们进行更深入的探讨。 （1）PCI Express 总线技术 传统仪器由于将数据处理和分析的过程放在了仪器硬件内部，因此它只能返回一个结果值，这种方式虽然方便，但是却无法满足之前已经叙述过的灵活性的要求。因此，一个更好的测试方式就是直接得到原始数据，再使用专业的分析工具来分析数据，这种方式可以允许工程师们对原始数据进行多次的分析，从而不再需要做多次测试来获得不同的分析结果，节省了时间和成本。 然而，随着采样率的不断提高和通道数的增多，现有的总线带宽能否进行原始数据的实时读取，这是实现很多新兴测试应用之前就需要解决的问题。 回顾现有的总线技术，可以看到PCI总线的数据传达吞吐率可以高达132兆/秒，这个相比其他总线已经属于相当高了，并且还具有最低的延时（图3）。然而它是一个共享资源的总线，也就是说，当多个设备同时在总线上传输数据时，每个设备可享受的带宽会相比例地降低。随着I/O速度和应用要求的提高，这样的架构成为了瓶颈。而新一代的PCI Express技术，它运用了点对点总线的拓扑架构，使每个仪器可以通过独立的通道向处理器传输数据，明显地改善了传输数据的带宽，极小化了对内存的需求，并加快了数据流的传输（图4）。 众所周知，在通信背板上添加的PCI总线是推动PXI得到快速应用的一个关键因素。现在，随着商用的PC技术从PCI总线发展到PCI Express，PXI也已经将PCI Express结合到PXI标准中，即PXI Express（图5）。PXI Express