用于測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)的虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)已在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域廣為應(yīng)用。利用不斷革新的LabVIEW軟件以及數(shù)以百計(jì)的測(cè)量硬件設(shè)備，虛擬儀器技術(shù)逐漸擴(kuò)大了它所觸及的應(yīng)用范圍。今天，NI率先將這一技術(shù)擴(kuò)展到了控制和設(shè)計(jì)部分。曾經(jīng)促進(jìn)了測(cè)試發(fā)展的益處正開始加速控制和設(shè)計(jì)的發(fā)展。工程師和科學(xué)家不斷提高對(duì)虛擬儀器的要求，以希望有效地滿足世界范圍的需要，他們正是這一加速背后的驅(qū)動(dòng)力。

1.虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試中的應(yīng)用

測(cè)試一直是虛擬儀器技術(shù)成熟應(yīng)用的領(lǐng)域。超過25,000家公司 (大部分是測(cè)試和測(cè)量公司) 在使用NI的虛擬儀器技術(shù)。現(xiàn)在，許多公司都迅速地采用了具有高達(dá)200MS/s數(shù)字化性能的產(chǎn)品。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟擁有60多個(gè)成員，提供了數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品，而且數(shù)以萬(wàn)計(jì)的RD、驗(yàn)證和產(chǎn)品測(cè)試工程師和科學(xué)家正在使用成千上萬(wàn)的儀器驅(qū)動(dòng)。

而且，現(xiàn)在客戶對(duì)于測(cè)試的需求越來越大。隨著創(chuàng)新的步伐越來越快，希望更多具有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品更快投入市場(chǎng)的壓力也越來越大。消費(fèi)者的期望在不斷地增高。以電子市場(chǎng)為例，消費(fèi)者要求不同的功能可以更低的成本在一個(gè)更小的空間得到集成。近年來經(jīng)濟(jì)的低迷并沒有阻止革新的需要，但是卻要求使用更少資源。滿足這些需要是商業(yè)成功的一個(gè)因素——能夠快速、一貫并且最可靠地滿足這些需要的公司一定能在競(jìng)爭(zhēng)中占有決定性的優(yōu)勢(shì)。

所有這些條件都驅(qū)使著對(duì)新的驗(yàn)證、檢驗(yàn)和生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)的高要求。一個(gè)能與創(chuàng)新保持同步的測(cè)試平臺(tái)不是可有可無的，而是必需的。這個(gè)平臺(tái)必須包含具有足夠適應(yīng)能力的快速測(cè)試開發(fā)工具以在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程中使用。產(chǎn)品快速上市和高效生產(chǎn)產(chǎn)品的需要要求有高吞吐量的測(cè)試技術(shù)。為了測(cè)試消費(fèi)者所要求的復(fù)雜多功能產(chǎn)品需要精確的同步測(cè)量能力，而且隨著公司不斷地創(chuàng)新以提供有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，測(cè)試系統(tǒng)必須能夠進(jìn)行快速調(diào)整以滿足新的測(cè)試需求。

虛擬儀器是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的一種革新性的解決方案。它將快速軟件開發(fā)和模塊化、靈活的硬件結(jié)合在一起從而創(chuàng)建用戶定義的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器提供了：

用于快速測(cè)試開發(fā)的直觀的軟件工具；
基于創(chuàng)新商用技術(shù)的快速、精確的模塊化I/O；
具有集成同步功能的基于PC的平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)高精確度和高吞吐量。
近來NI 加速測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)創(chuàng)新的一個(gè)例子就是使用LabVIEW FPGA進(jìn)行編程的基于FPGA的硬件。如果工程師需要一個(gè)新的硬件性能，如板載DSP，或者新的觸發(fā)模式，您甚至可以在同樣的軟件中定義這種性能并且將它應(yīng)用在板載的FPGA上。之前，工程師和科學(xué)家已經(jīng)可以通過使用LabVIEW和模塊化I/O來創(chuàng)建高度集成的用戶自定義系統(tǒng)，而現(xiàn)在他們還可以將可自定義配置功能擴(kuò)展至硬件本身。這種用戶可配置功能和透明度將會(huì)改進(jìn)工程師構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的方式。

圖1 LabVIEW提供用戶可自定義的儀器以及可自定義的硬件

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2 虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)I/O和控制的的應(yīng)用

PC和PLC在控制和工業(yè)應(yīng)用中都發(fā)揮著十分重要的作用。PC帶來了更大的軟件靈活性和更多的性能，而PLC則提供了優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。但是隨著控制需求越來越復(fù)雜，提高性能并同時(shí)保持穩(wěn)定性和可靠性就成為公認(rèn)的需要。

獨(dú)立的工業(yè)專家們已經(jīng)意識(shí)到了對(duì)工具的需要，這種工具應(yīng)該能夠滿足不斷增長(zhǎng)的對(duì)更加復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)和基于算法控制的需要。PAC正是工業(yè)的需求也是虛擬儀器技術(shù)的回答。

一個(gè)獨(dú)立的研究公司定義了可編程自動(dòng)控制器(PAC)來解決這個(gè)問題。ARC研究機(jī)構(gòu)的Craig Resnick將PAC定義成：

(1) 多域功能（邏輯、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和過程）——這個(gè)概念支持多種I/O類型。邏輯、運(yùn)動(dòng)和其他功能的集成是不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜控制方法的要求
(2) 單一的多學(xué)科開發(fā)平臺(tái)——單一的開發(fā)環(huán)境必須能支持各種I/O和控制方案
(3) 用于設(shè)計(jì)貫穿多個(gè)機(jī)器或處理單元的應(yīng)用程序的軟件工具——這個(gè)軟件工具必須能適應(yīng)分布式操作
(4) 一組defacto網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)——這個(gè)技術(shù)必須利用高投入技術(shù)
(5) 開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)——設(shè)計(jì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范必須是在實(shí)現(xiàn)中開放的、模塊化的和可結(jié)合的PAC給PC軟件的靈活性增添了PLC的穩(wěn)定性和可靠性。LabVIEW軟件和穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的控制硬件平臺(tái)對(duì)于創(chuàng)建PAC是十分完美的。

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3 虛擬儀器技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

使用各種仿真設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)工程師們必須使用硬件來測(cè)試設(shè)計(jì)原型。通常，在設(shè)計(jì)階段和測(cè)試/驗(yàn)證階段之間沒有一個(gè)良好的接口，這就意味著設(shè)計(jì)必須經(jīng)歷一個(gè)完成階段而后進(jìn)入測(cè)試/驗(yàn)證階段。測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)的問題需要不斷反復(fù)設(shè)計(jì)階段。

圖2 測(cè)試在當(dāng)今電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用

事實(shí)上，開發(fā)過程有兩個(gè)完全不同且分離的階段——設(shè)計(jì)和測(cè)試是兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)體。在設(shè)計(jì)方面，EDA工具廠商承受著巨大的壓力與不斷增長(zhǎng)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)集團(tuán)復(fù)雜要求相互作用。工程師和科學(xué)家們要求隨著產(chǎn)品從原理圖設(shè)計(jì)到仿真再到物理層，EDA應(yīng)具有從一個(gè)工具到其他的工具可重復(fù)使用設(shè)計(jì)的能力。相似地，測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)正朝模塊化方式發(fā)展。這兩個(gè)世界之間的間隙在傳統(tǒng)上一直被忽視，直到在新的產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)階段才第一次引起注意。傳統(tǒng)上，這一階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者使用臺(tái)式儀器將物理原型與他們的設(shè)計(jì)對(duì)照，進(jìn)行完整性檢查以獲得正確性。設(shè)計(jì)者手工地進(jìn)行測(cè)量，在他們的儀器上探測(cè)電路并監(jiān)測(cè)信號(hào)以發(fā)現(xiàn)問題或性能局限。隨著設(shè)計(jì)反復(fù)地經(jīng)歷建立－測(cè)量－調(diào)整－重建立這個(gè)過程，設(shè)計(jì)者再次需要同樣的測(cè)量。此外，這些測(cè)量可能十分復(fù)雜——需要頻率、幅值和溫度自始至終地隨所采集和分析的數(shù)據(jù)而變動(dòng)。由于工程師注重于設(shè)計(jì)工具，所以他們不愿意學(xué)習(xí)如何將他們的測(cè)試自動(dòng)化。

具有內(nèi)在集成屬性的系統(tǒng)容易擴(kuò)展并且能適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)品功能。一旦需要新的測(cè)試，工程師只需要簡(jiǎn)單地給平臺(tái)添加新的模塊以完成測(cè)量。虛擬儀器軟件的靈活性和虛擬儀器硬件的模塊化使得虛擬儀器成為加速開發(fā)周期的必需。