虛擬儀器技術(shù)在產(chǎn)品測試、控制和設計中的應用

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

虛擬儀器技術(shù)在測試中的應用

測試一直是虛擬儀器技術(shù)成熟應用的領(lǐng)域。超過(guò)25,000家公司 (大部分是測試和測量公司) 在使用NI的虛擬儀器技術(shù)?，F在，許多公司都迅速地采用了具有高達200MS/s數字化性能的產(chǎn)品。PXI系統聯(lián)盟擁有60多個(gè)成員，提供了數以百計的產(chǎn)品，而且數以萬(wàn)計的RD、驗證和產(chǎn)品測試工程師和科學(xué)家正在使用成千上萬(wàn)的儀器驅動(dòng)。

而且，現在客戶(hù)對于測試的需求越來(lái)越大。隨著(zhù)創(chuàng )新的步伐越來(lái)越快，希望更多具有競爭力的新產(chǎn)品更快投入市場(chǎng)的壓力也越來(lái)越大。消費者的期望在不斷地增高。以電子市場(chǎng)為例，消費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(lái)經(jīng)濟的低迷并沒(méi)有阻止革新的需要，但是卻要求使用更少資源。滿(mǎn)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(mǎn)足這些需要的公司一定能在競爭中占有決定性的優(yōu)勢。

所有這些條件都驅使著(zhù)對新的驗證、檢驗和生產(chǎn)測試技術(shù)的高要求。一個(gè)能與創(chuàng )新保持同步的測試平臺不是可有可無(wú)的，而是必需的。這個(gè)平臺必須包含具有足夠適應能力的快速測試開(kāi)發(fā)工具以在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)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試技術(shù)。為了測試消費者所要求的復雜多功能產(chǎn)品需要精確的同步測量能力，而且隨著(zhù)公司不斷地創(chuàng )新以提供有競爭力的產(chǎn)品，測試系統必須能夠進(jìn)行快速調整以滿(mǎn)足新的測試需求。

虛擬儀器是應對這些挑戰的一種革新性的解決方案。它將快速軟件開(kāi)發(fā)和模塊化、靈活的硬件結合在一起從而創(chuàng )建用戶(hù)定義的測試系統。虛擬儀器提供了：

用于快速測試開(kāi)發(fā)的直觀(guān)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，以實(shí)現高精確度和高吞吐量

近來(lái)NI加速測試、控制和設計創(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用在板載的FPGA上。之前，工程師和科學(xué)家已經(jīng)可以通過(guò)使用LabVIEW和模塊化I/O來(lái)創(chuàng )建高度集成的用戶(hù)自定義系統，而現在他們還可以將可自定義配置功能擴展至硬件本身。這種用戶(hù)可配置功能和透明度將會(huì )改進(jìn)工程師構建測試系統的方式。

圖1、LabVIEW提供用戶(hù)可自定義的儀器以及可自定義的硬件

虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)I/O和控制的的應用

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

獨立的工業(yè)專(zhuān)家們已經(jīng)意識到了對工具的需要，這種工具應該能夠滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的對更加復雜、動(dòng)態(tài)、自適應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)獨立的研究公司定義了可編程自動(dòng)控制器(PAC)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。ARC研究機構的Craig Resnick將PAC定義成：

多域功能（邏輯、運動(dòng)、驅動(dòng)和過(guò)程）——這個(gè)概念支持多種I/O類(lèi)型。邏輯、運動(dòng)和其他功能的集成是不斷增長(cháng)的復雜控制方法的要求

單一的多學(xué)科開(kāi)發(fā)平臺——單一的開(kāi)發(fā)環(huán)境必須能支持各種I/O和控制方案

用于設計貫穿多個(gè)機器或處理單元的應用程序的軟件工具——這個(gè)軟件工具必須能適應分布式操作

一組de facto網(wǎng)絡(luò )和語(yǔ)言標準——這個(gè)技術(shù)必須利用高投入技術(shù)

開(kāi)放式、模塊化體系結構——設計和技術(shù)標準與規范必須是在實(shí)現中開(kāi)放的、模塊化的和可集成的PAC給PC軟件的靈活性增添了PLC的穩定性和可靠性。LabVIEW軟件和穩定、實(shí)時(shí)的控制硬件平臺對于創(chuàng )建PAC是十分完美的。

虛擬儀器技術(shù)在產(chǎn)品設計中的應用

使用各種仿真設計工具的設計工程師們必須使用硬件來(lái)測試設計原型。通常，在設計階段和測試/驗證階段之間沒(méi)有一個(gè)良好的接口，這就意味著(zhù)設計必須經(jīng)歷一個(gè)完成階段而后進(jìn)入測試/驗證階段。測試階段發(fā)現的問(wèn)題需要不斷反復設計階段。

圖2、測試在當今電子設備的設計和生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用

事實(shí)上，開(kāi)發(fā)過(guò)程有兩個(gè)完全不同且分離的階段——設計和測試是兩個(gè)單獨的實(shí)體。在設計方面，EDA工具廠(chǎng)商承受著(zhù)巨大的壓力與不斷增長(cháng)的半導體設計和生產(chǎn)集團復雜要求相互作用。工程師和科學(xué)家們要求隨著(zhù)產(chǎn)品從原理圖設計到仿真再到物理層，EDA應具有從一個(gè)工具到其他的工具可重復使用設計的能力。相似地，測試系統開(kāi)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上一直被忽視，直到在新的產(chǎn)品原型設計階段才第一次引起注意。傳統上，這一階段是產(chǎn)品設計者使用臺式儀器將物理原型與他們的設計對照，進(jìn)行完整性檢查以獲得正確性。設計者手工地進(jìn)行測量，在他們的儀器上探測電路并監測信號以發(fā)現問(wèn)題或性能局限。隨著(zhù)設計反復地經(jīng)歷建立－測量－調整－重建立這個(gè)過(guò)程，設計者再次需要同樣的測量。此外，這些測量可能十分復雜——需要頻率、幅值和溫度自始至終地隨所采集和分析的數據而變動(dòng)。由于工程師注重于設計工具，所以他們不愿意學(xué)習如何將他們的測試自動(dòng)化。

具有內在集成屬性的系統容易擴展并且能適應不斷增長(cháng)的產(chǎn)品功能。一旦需要新的測試，工程師只需簡(jiǎn)單地給平臺添加新的模塊以完成測量。虛擬儀器軟件的靈活性和虛擬儀器硬件的模塊化使虛擬儀器成為加速開(kāi)發(fā)周期的必需。