用于测试、控制和设计的虚拟仪器技术

虚拟仪器技术已在测试和测量领域广为应用。利用不断革新的LabVIEW软件以及数以百计的测量硬件设备，虚拟仪器技术逐渐扩大了它所触及的应用范围。今天，NI率先将这一技术扩展到了控制和设计部分。曾经促进了测试发展的益处正开始加速控制和设计的发展。工程师和科学家不断提高对虚拟仪器的要求，以希望有效地满足世界范围的需要，他们正是这一加速背后的驱动力。

1.虚拟仪器技术在测试中的应用

测试一直是虚拟仪器技术成熟应用的领域。超过25,000家公司 (大部分是测试和测量公司) 在使用NI的虚拟仪器技术。现在，许多公司都迅速地采用了具有高达200MS/s数字化性能的产品。PXI系统联盟拥有60多个成员，提供了数以百计的产品，而且数以万计的R&D、验证和产品测试工程师和科学家正在使用成千上万的仪器驱动。

而且，现在客户对于测试的需求越来越大。随着创新的步伐越来越快，希望更多具有竞争力的新产品更快投入市场的压力也越来越大。消费者的期望在不断地增高。以电子市场为例，消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要，但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。

所有这些条件都驱使着对新的验证、检验和生产测试技术的高要求。一个能与创新保持同步的测试平台不是可有可无的，而是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速上市和高效生产产品的需要要求有高吞吐量的测试技术。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品需要精确的同步测量能力，而且随着公司不断地创新以提供有竞争力的产品，测试系统必须能够进行快速调整以满足新的测试需求。

虚拟仪器是应对这些挑战的一种革新性的解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建用户定义的测试系统。虚拟仪器提供了：

用于快速测试开发的直观的软件工具；
基于创新商用技术的快速、精确的模块化I/O；
具有集成同步功能的基于PC的平台，以实现高精确度和高吞吐量。
近来NI 加速测试、控制和设计创新的一个例子就是使用LabVIEW FPGA进行编程的基于FPGA的硬件。如果工程师需要一个新的硬件性能，如板载DSP，或者新的触发模式，您甚至可以在同样的软件中定义这种性能并且将它应用在板载的FPGA上。之前，工程师和科学家已经可以通过使用LabVIEW和模块化I/O来创建高度集成的用户自定义系统，而现在他们还可以将可自定义配置功能扩展至硬件本身。这种用户可配置功能和透明度将会改进工程师构建测试系统的方式。

图1 LabVIEW提供用户可自定义的仪器以及可自定义的硬件

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2 虚拟仪器技术在工业I/O和控制的的应用

PC和PLC在控制和工业应用中都发挥着十分重要的作用。PC带来了更大的软件灵活性和更多的性能，而PLC则提供了优良的稳定性和可靠性。但是随着控制需求越来越复杂，提高性能并同时保持稳定性和可靠性就成为公认的需要。

独立的工业专家们已经意识到了对工具的需要，这种工具应该能够满足不断增长的对更加复杂、动态、自适应和基于算法控制的需要。PAC正是工业的需求也是虚拟仪器技术的回答。

一个独立的研究公司定义了可编程自动控制器(PAC)来解决这个问题。ARC研究机构的Craig Resnick将PAC定义成：

(1) 多域功能（逻辑、运动、驱动和过程）——这个概念支持多种I/O类型。逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求
(2) 单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案
(3) 用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作
(4) 一组defacto网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术
(5) 开放式、模块化体系结构——设计和技术标准与规范必须是在实现中开放的、模块化的和可结合的PAC给PC软件的灵活性增添了PLC的稳定性和可靠性。LabVIEW软件和稳定、实时的控制硬件平台对于创建PAC是十分完美的。

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3 虚拟仪器技术在产品设计中的应用

使用各种仿真设计工具的设计工程师们必须使用硬件来测试设计原型。通常，在设计阶段和测试/验证阶段之间没有一个良好的接口，这就意味着设计必须经历一个完成阶段而后进入测试/验证阶段。测试阶段发现的问题需要不断反复设计阶段。

图2 测试在当今电子设备的设计和生产中发挥着至关重要的作用

事实上，开发过程有两个完全不同且分离的阶段——设计和测试是两个单独的实体。在设计方面，EDA工具厂商承受着巨大的压力与不断增长的半导体设计和生产集团复杂要求相互作用。工程师和科学家们要求随着产品从原理图设计到仿真再到物理层，EDA应具有从一个工具到其他的工具可重复使用设计的能力。相似地，测试系统开发正朝模块化方式发展。这两个世界之间的间隙在传统上一直被忽视，直到在新的产品原型设计阶段才第一次引起注意。传统上，这一阶段是产品设计者使用台式仪器将物理原型与他们的设计对照，进行完整性检查以获得正确性。设计者手工地进行测量，在他们的仪器上探测电路并监测信号以发现问题或性能局限。随着设计反复地经历建立－测量－调整－重建立这个过程，设计者再次需要同样的测量。此外，这些测量可能十分复杂——需要频率、幅值和温度自始至终地随所采集和分析的数据而变动。由于工程师注重于设计工具，所以他们不愿意学习如何将他们的测试自动化。

具有内在集成属性的系统容易扩展并且能适应不断增长的产品功能。一旦需要新的测试，工程师只需要简单地给平台添加新的模块以完成测量。虚拟仪器软件的灵活性和虚拟仪器硬件的模块化使得虚拟仪器成为加速开发周期的必需。