幫助工程師更快速創(chuàng)新
更好的工程技術(shù)方法：圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
科學(xué)探索工具的當(dāng)前應(yīng)用
讓未來的工程師手握改變世界的工具
對于NI來說，幫助當(dāng)今最有創(chuàng)造力的開發(fā)者應(yīng)對全球最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)這一使命已經(jīng)融入到它的骨髓中。
當(dāng)今世界對于工程技術(shù)的依賴程度是前所未有的。 我們寄希望于科學(xué)家和工程師能夠開發(fā)出新技術(shù)，來幫助我們生活得更健康，確保世界的可持續(xù)發(fā)展，甚至保護(hù)我們不受自然災(zāi)害的影響。 正如望遠(yuǎn)鏡幫助伽利略探究宇宙，指南針幫助中國的冒險(xiǎn)家游遍世界各大洋，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的工具對于創(chuàng)新來說至關(guān)重要。 現(xiàn)代工程師和科學(xué)家能夠以從未有過的方式來測量和控制各種現(xiàn)象，正是依賴于新工具的發(fā)明,從而與日趨復(fù)雜的技術(shù)保持同步。
1. 幫助工程師更快速創(chuàng)新
儀器的發(fā)明要追溯到美國國家儀器（NI）的創(chuàng)立之初。 當(dāng)時(shí)NI的創(chuàng)始人遇到了困難。 他們當(dāng)時(shí)嘗試對水下聲音進(jìn)行測量，那時(shí)并不存在標(biāo)準(zhǔn)的儀器。 他們被當(dāng)時(shí)有限的工具縛住手腳，于是他們另辟蹊徑： NI并沒有走“發(fā)明并銷售用于解決已有問題的系統(tǒng)”這一路線，而是發(fā)明了各種工具，幫助工程師和科學(xué)家搭建各種解決各自行業(yè)特有的問題所需的系統(tǒng)。
從1976年以來，NI已經(jīng)為工程師和科學(xué)家開發(fā)了各種工具，幫助他們提高生產(chǎn)效率，加快創(chuàng)新和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的步伐。 NI提供的這些工具開發(fā)了集成的軟件和硬件平臺，可幫助更快速開發(fā)任何測量和控制系統(tǒng)。 工程師和科學(xué)家使用基于圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺的方法來更快適應(yīng)日新月異的技術(shù)，同時(shí)也最大優(yōu)化集成了各種技術(shù)優(yōu)勢。過去是通過消息來控制儀表，而當(dāng)今的趨勢是采用現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate arrays FPGA)以及使用通過軟件來最大化實(shí)現(xiàn)可配置性的硬件架構(gòu)。
2. 更好的工程技術(shù)方法：圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)正在引領(lǐng)測量和控制行業(yè)進(jìn)行前所未有的創(chuàng)新革命。借助這一靈活的方法，工程師不管是從設(shè)計(jì)到測試，還是從小型系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到大型系統(tǒng)，均可重用工具和IP核，使他們能夠以前所未有的速度開發(fā)新系統(tǒng)。使用可滿足系統(tǒng)從低功率到高性能等各種需求的現(xiàn)成、可自定義硬件工具，工程師可降低系統(tǒng)總成本，增加靈活性并集成新技術(shù)。
該方法可不斷擴(kuò)展可重用IP核和應(yīng)用，具有極高的靈活性，可幫助工程師在較短的時(shí)間內(nèi)使用較少的資源完成更多的項(xiàng)目，從而幫助用戶提高其競爭優(yōu)勢。如果要開發(fā)科學(xué)探索（如NI客戶正在研究的項(xiàng)目）所需的工具，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)絕對是必不可少的。 以下三個(gè)實(shí)例展示了如何使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)來應(yīng)對各種技術(shù)挑戰(zhàn)，比如探究暗物質(zhì)的起源、開發(fā)無創(chuàng)醫(yī)療成像技術(shù)、控制全球最大的望遠(yuǎn)鏡等。
圖1. 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將軟件和可配置硬件相結(jié)合，幫助工程師和科學(xué)家加快開發(fā)和創(chuàng)新速度
3. 科學(xué)探索工具的當(dāng)前應(yīng)用
控制全球最大的粒子加速器
全球最大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室—歐洲粒子物理研究所(European Organization for Nuclear Research，CERN)正在進(jìn)行研究，試圖揭開宇宙形成物質(zhì)的神秘面紗。CERN科學(xué)家使用現(xiàn)存最強(qiáng)大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)來測量和控制體積較大的組成成分的位置，以吸收正常粒子束核心之外的能量粒子。
CERN的科學(xué)家開發(fā)了一款能夠截取偏軌或不穩(wěn)定粒子束的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。他們選擇基于NI FPGA的工具的原因是：比起傳統(tǒng)的VME和基于可編程邏輯控制器的模型，NI FPGA工具體積輕巧、堅(jiān)固性強(qiáng)，可節(jié)省大量成本。這些測量和調(diào)整均是實(shí)時(shí)進(jìn)行，而且必須極其可靠和精確，因?yàn)槠x軌道運(yùn)動(dòng)的粒子束可能會(huì)造成災(zāi)難性的破壞。LHC收集的粒子碰撞數(shù)據(jù)提供了前所未知的信息，幫助解釋宇宙是如何形成的、為什么粒子有質(zhì)量以及暗物質(zhì)的起源是什么等問題。
圖2. 使用CERN大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)的科學(xué)家借助NI工具開發(fā)出基于FPGA的新運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可攔截偏軌或不穩(wěn)定的粒子束
全球首款實(shí)時(shí)三維OCT醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)
醫(yī)療研究人員必須尋找更好的身體和大腦成像工具以在病癥對生命造成威脅之前將問題診斷出。光學(xué)相干斷層(Optical coherence tomography,OCT)是一種安全的無創(chuàng)成像技術(shù)，可對物質(zhì)進(jìn)行次表面(Subsurface)與截面(Cross-sectional)成像。該診斷工具應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，具有當(dāng)前其他成像方法無法匹敵的分辨率，且無需病人經(jīng)受創(chuàng)傷性手術(shù)。
借助OTC和集NI FlexRIO FPGA硬件和GPU處理能力為一體的320通道DAQ系統(tǒng)，北里大學(xué)(Kitasato University)的研究人員最近開發(fā)出全球首款實(shí)時(shí)三維OCT醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。 另外，他們還使用 NI LabVIEW軟件來控制系統(tǒng)的不同部分，將高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和FPGA和GPU技術(shù)集為一體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算、渲染和顯示。 借助該系統(tǒng)，醫(yī)生可實(shí)時(shí)沿任意方向旋轉(zhuǎn)該渲染的三維圖像來了解血液流動(dòng)和動(dòng)態(tài)細(xì)胞變化，這些信息可幫助外科醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更高程度的手術(shù)可視化。
圖3. 該圖像顯示了科學(xué)家如何使用OCT來實(shí)時(shí)渲染皮膚的三維圖像，幫助他們在病癥對生命造成威脅之前將問題診斷出
定位全球最大的望遠(yuǎn)鏡
超大望遠(yuǎn)鏡(ELT)或光圈直徑≥20 m的望遠(yuǎn)鏡是地面觀測天文學(xué)研究首選的工具之一。 這些望遠(yuǎn)鏡可幫助人們深入研究行星、恒星、黑洞和暗物質(zhì)等課題，從而推動(dòng)天文學(xué)的發(fā)展。 全球最大的光學(xué)/近紅外望遠(yuǎn)鏡——歐洲超大望遠(yuǎn)鏡(E-ELT)具有直徑為42 m的光圈，用于幫助人們在天文學(xué)方面實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)現(xiàn)。
加納利天體物理學(xué)研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias,IAC)的科研人員開發(fā)了電子裝置和嵌入式軟件，用于對E-ELT主反射鏡的位置調(diào)整執(zhí)行器的原型機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)整，E-ELT主反射鏡由984個(gè)小鏡片組成。每個(gè)鏡片的旋轉(zhuǎn)必須通過三個(gè)位置調(diào)整執(zhí)行器來進(jìn)行，以補(bǔ)償重力、溫度和風(fēng)振的影響。鏡片必須以納米級的精度支撐90kg的物體移動(dòng)。NI圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺幫助該研發(fā)團(tuán)隊(duì)節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還提供了極大的靈活性和實(shí)時(shí)性能，可滿足所有電子裝置和軟件的需求。
圖4. 將兩個(gè)人和一輛汽車置于E-ELT旁邊，以直觀比較大小。 主反射鏡的直徑為42m,具有拼合鏡面架構(gòu)
4. 讓未來的工程師手握改變世界的工具
科學(xué)發(fā)現(xiàn)也是學(xué)習(xí)過程的一部分。新工具幫助新一代工程師提前感受工程技術(shù)可能對他們未來的世界帶來的影響。如果要培養(yǎng)下一代創(chuàng)新人才，則我們必須開發(fā)新的工具，鼓勵(lì)他們從小開始探究科學(xué)的奧秘。 NI組織了FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology),對科學(xué)技術(shù)的啟發(fā)和認(rèn)知)和LEGO®機(jī)器人項(xiàng)目，通過對軟件和硬件的實(shí)際操作，為學(xué)生提供了有趣、實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)他們對科學(xué)技術(shù)的熱情?，F(xiàn)代的孩子將來要肩負(fù)起解決未來工程技術(shù)難題的責(zé)任，因此提前了解全球最偉大的工程師和科學(xué)家所使用的工具將對他們大有裨益。
正如借助NI工具致力于為解決當(dāng)今最大的工程技術(shù)難題貢獻(xiàn)力量的公司一樣，NI始終堅(jiān)定不移地恪守幫助工程師開發(fā)科學(xué)探索的工具的承諾。
– Brad Armstrong
Brad Armstrong是NI的企業(yè)市場經(jīng)理，在業(yè)務(wù)開發(fā)、教育、市場營銷領(lǐng)域具有超過12年的經(jīng)驗(yàn)。 目前他的職責(zé)包括創(chuàng)立全球知名的公司品牌、遠(yuǎn)見和身份。他擁有美國圣愛德華大學(xué)(St. Edward’s University)的工商管理學(xué)士學(xué)位。
