迈向仪器技术2.0方式
两年前，在NI举办的一场名为“测试测量行业的虚拟仪器技术”的媒体见面会上，我们谈到了测试系统的发展必须紧跟待测产品的发展。现在的实际情况是，为了在激烈的竞争的市场上占据领先位置，工程师设计出来并且需要进行测试的产品在功能上愈加集成，产品越来越复杂。在最短的时间段内为产品增加新功能的压力下，设计工程师采用的方式是设计出以软件为中心的产品，这种方式的好处不单单是可以快速为产品增加新性能从而保持在市场上的竞争优势，而且更重要的是让用户可以尽情享受的使用感受。
一个典型的例子就是苹果公司最新推出的iPhone。这种电话的用户界面会根据用户选择不同功能而改变。
《时代》杂志对此评论道“突然之间，用户界面不再是固定的，而是灵活多变的。软件取代了硬件。”（“Suddenly, the interface isn’t fixed and rigid , it’s fluid and molten. Software replaces hardware.”）
当你把iPhone作为一个普通电话，屏幕上会显示一组按键；当你需要输入文本信息，一个完整的QWERTY键盘就会出现；把它当mp3用，就会出现一个相应的界面。根据不同任务而改变、以软件为中心的应用重复使用了产品的核心硬件元器件（如喇叭、触摸屏、处理器等），相当于用户不但在一个产品上使用到不同的功能，而且不需要去前就原来产品一成不变的用户界面，从而获得最符合他们使用习惯的使用感受。
这种基于软件的方式使得iPhone成为一个类似于PC的可扩展平台。苹果公司，或理论上的任何一个人都可以基于这个平台来开发和增加功能。
用户自定义的趋势也充分体现在其他领域，另一个很突出的例子就是发生在网络上的革命。Wikipedia、Youtube、Google AdSense这些网站的出现和发展都表明网络正在转向为用户提供自定义的使用感受，现在用户通过网络这一平台，最大化地得益于所有其他用户的集体智慧，而这种方式于因特网诞生之初的情况是完全不同的。专家们把这一趋势定位为Web2.0，即由用户来控制他们的数据，而相对应的，数据管理在自定义用户体验中的重要性也相对增长。
O’Reilly&Aaaociates公司的创始人和CEO Tim O’Reily对Web2.0的评论是“如果没有数据，工具就完全没有用处；如果没有软件，数据就无法得到有效管理。(“Without the data , the tools are useless ; without the software ,the data is unmanageable.”)
两年前我们曾经提出过一些趋势：功能的集成、越来越多的自定义、与新技术的融合、最快时间占领市场……对于要在全球市场进行竞争的公司来说，现在这些都是已经成为他们共同面临的现状。这在仪器行业也不例外。现在工程师要解决的挑战是需要设计出集成多种技术的产品——例如iPhone——同时还要不断紧跟新兴技术的发展，并且对着尽量缩短产品上市时间的巨大压力。
诸般复杂性导致的结果就是每一个待测设备都有它们特定的要求和特性。在以前的仪器技术1.0方式（Instrumentation1.0）方式下，工程师有两个截然不同的选择：其一，专门为这个产品开发一套测试解决方案：其二，使用通用的测试仪器。专用的系统可以满足特别需求，但是价格昂贵；通用仪器相对价格合理，但是难以满足特定的需求。
兼容以上两种方案的优势，以软件为中心的系统开启了新的时代，这种方式能为设计和测试工程师提供效率最快、性价比最高的途径来创建他们自定义的仪器系统。
仪器技术2.0（Instrumentation 2.0）就是一个以软件为中心的仪器解决方案，帮助工程师从原始的测量数据中获得用户自定义的结果。
在传统仪器技术1.0（Instrumentation1.0）方式下，测试测量完全依靠硬件实现。硬件本身和分析功能都是由仪器供应商来定义，因此用户只能获得仪器本身提供的确定的功能——要实现自定义测量是天方夜谭。即便将仪器链接到PC之后，传输的信息也已经是厂商定义的测试结果（例如电压RMS或者上升时间），用户无法获得原始数据来进行自定义分析。
2.0则是完全不同的一种方式。软件取代硬件成为整个系统的核心。这种基于软件的解决方案让用户可以完全控制他们的系统，在获得实时的原始数据后，来定义的测量任务。此外，工程师通过软件可以根据最符合应用项目的要求来自定义用户界面。用户可以在同意强大的软件平台上根据特定的需求，集成通用的模块化硬件，来构建他们的测试系统。
为了满足以上要求，仪器技术2.0方式只需要硬件执行数字化功能，而对驱动和应用软件的要求会有大幅的增长。对于测试工程师来说，仪器技术2.0方式带来的好处是：他们对这样的系统拥有更大的自主权，无需额外的硬件即可实现测试功能的增加。
虽然仪器技术2.0方式着重强调了在一个以软件为核心的仪器系统中应用软件的重要性，但这并不表示硬件的作用可以被轻易忽略。在用软件进行数据分析和显示之前，首先需要使用硬件对数据进行高质量的数字化和快速的数据传输，只有高质量的数字化数据才能让工程师在软件平台上获得精确的分析结果。
自从第一款插入式数据采集设备问世以来，现成即用的商业技术已经有了巨大的飞跃（ADC的分辨率和频率，数据总线带宽和延迟等），其结果就是集成这些商业技术的模块化I/0硬件及其平台已经可以解决越来越多的设计和测试任务。
这种将模块化的I/O硬件和强大的应用软件灵活地相结合的概念是NI一直以来在坚持的理念，也就是大家经常听到的“虚拟仪器技术”。在现阶段，模块化I/O硬件的性能提高和应用软件上的不断创新就是推动虚拟仪器技术的动力之源。
让我们再进一步，来看一下驱动虚拟仪器技术（即仪器技术2.0方式）的组成部分和技术所在。
1 组成部分：模块化硬件
模块化硬件和传统仪器中的用到的原件有很多是相同的，但是模块化系统架构不但可以由用户自定义，而且可以开放自主地获得测量数据。
1. 技术1：模拟至数字转换器（ADC）技术
ADC的分辨率和平率决定可以实现的应用。
以前，工程师对于ADC有两种选择：自己专门设计的ASIC;或者现成即用的高性能ADC。近年来，ADC技术得到了迅速的发展，商业可用的ADC可以覆盖越来越多的领域，其大批量的生产方式为用户带去了成本上的极大节省。
2. 技术2：数据总线和总线架构
随着ADC具有越来越好的分辨率和频率指标，对于总线带宽的要求也越来越高。
在考虑各种总线的技术指标的时候，带宽和延迟是最重要的两项。带宽就是数据在总线上传输的速度，通常是（MB/s）；延迟是数据在总线上传输时候的迟缓。打个比方来说，如果把一个仪器总线比作一条道路，带宽相当于路宽和行驶速度；而延迟就如同一路上的交通灯数量，以及司机需要在红灯的时候等待的时间。
在一个给定的时间内，高带宽总线可以比地带宽总线传输更多的数据。延迟较低（越低越好）的总线在数据从一端传输到另一端的过程中的迟缓时间比较短。
大多数用户都意识到了带宽的重要性，因为这会影响数据传输的速度，以及这些仪器需要用到的板载内存。相对而言，对延迟的关注常被忽略，但是实际上它对某些应用（例如数字万用表DMM测量。开关和仪器配置等）会产生直接的作用，这是因为延迟会影响一个命令从总线的一个节点（例如PC控制器）传输到另一个节点（例如仪器）的速度。
3. 技术3：处理器
由于仪器技术2.0让用户获得了大量的原始数据，用来进行自定义处理和分析的处理器对于系统是很重要的。
自70年代以来摩尔定律就是用来描述处理器性能的快速增长。摩尔定律的预测是每18个月IC上晶体管数量就要增长一部，晶体管数量和处理器的增长成正比。但是现在，我们正站在一个重要的转折点上。原先单纯提高时钟速度来实现处理器的性能改进已经达到了极限，之后就会带来耗电和散热的问题。为了继续带拉性能上的改进，开发人员转向一个多核的方式解决问题。现在单个处理器上拥有了多核，可以通过多核并行的处理方式来达到性能上的改进。
一言以蔽之，处理器技术的未来在于多核。如果看一下Intel和AMD这些处理器行业龙头老大的发展规划，就会发现多核处理器已经并且会继续被广泛应用于未来的系统架构中。比如，Intel公司已经宣布了他们将于2011年推出80核处理器的计划，以提供万亿8进制的性能。所以很明显这就是继续达到摩尔定律维拉走向。
2.组成部分：应用软件
与1.0方式相比，仪器技术2.0方式对于软件具有非常高的要求。为了充分融合以上硬件技术，一个强大的应用软件必须满足以下要求：
1. 强大的分析功能，包括分析库和与第三方软件工具之间的开放连续性
2. 支持各种总线技术，让用户可以选择最适合他们应用需求的数据传输总线
3. 帮助工程师对多核处理器进行高校编程。虽然多核方式继续维持了摩尔定律，但是编程多核处理器功能已经不像从前那么轻松了；编程人员不能再使用现有的代码来实现性能提升，为了能够从多核处理器方式中获得优势，他们需要重新编写代码来发布到不同的核上。这是一个颇有难度的任务，现在计算机领域有很多研究领域就是为了要开发一个编译器来为用户解决并行架构的开发挑战。如果没有这种编译器，编程者就必须要自行解决并行的问题。对双核进行编程的难度已经不小，一旦今后达到了80核技术，一个编程者是不可能去协调所有的任务。
应用软件应该具备与多种测量硬件和硬件平台的兼容性和支持，实现与硬件之前的无缝集成。又有列出的这些特性都可以在LabVIEW图形化编程环境中获得实现。
分析功能：
自1986年推出以来，LabVIEW不断增加即拖即用的分析函数，现已包含500多个内置的数学、信号处理和分析函数，并为阶次分析、调制、频谱分析、高级信号处理等要求提供附加的工具包。此外，LabVIEW通过MathScript提供了m-file文本语法功能，让工程师们可以选择一种能带给他们最高效率的句法。
支持各种总线及其他技术：
LabVIEW平台一直在将最新最主流的技术融合进来，并且以最快的速度带给工程师，只有这样，用户长期的投资可以获得保证，他们可以通过这个软件平台来成功地融合最新的技术，最不需要去知道最新技术的细节，不要成为各种新技术的专家，也不必被迫重写应用（避免产生像从Visual Basic到.NET之后编程上的大变动）。
例如，从20年LabVIEW问世之初的Macintosh，到现在Mac OSX、运行Unix的Sun Workstation、所有包括Windows CE和移动操作系统的Windows平台，到最新的Vista，NI一直实现在同一LabVIEW平台上支持多种操作平台。另一个例子，工程师们可以使用同样的数据采集LabVIEW VI支持以太网、USB，甚至最新的PXI Express等的各种总线上进行通讯，而无需更改代码。
并行架构的开发：
从LabVIEW 5开始，该软件在本质上就具备了并行性。每个Loop针对一个核，多个并行的Loop就会自动在多核间分配任务，无需LabVIEW用户改变代码就可以受益于多核技术的好处。基于LabVIEW强大的基础和多年的研发努力，LabVIEW已经成为公认的行业标准软件平台。
综上所述，虽然不同的行业有其特定的发展，但共同的一点是用户对于自定义的要求越加普遍，iPhone、Web2.0等很鲜明地体现了这一点。仪器行业也不例外。仪器技术2.0方式已成为测试测量行业势在必行的趋势，以软件为中心、结合模块化硬件的解决方案将为工程师实现他们所需的自定义和最优化结果。
作者：朱君
NI中国区技术市场经理
