用于測試、控制和設計的虛擬儀器技術

摘要：虛擬儀器技術已在測試和測量領域廣為應用。利用不斷革新的LabVIEW軟件以及數以百計的測量硬件設備，虛擬儀器技術逐漸擴大了它所觸及的應用范圍。NI率先將這一技術擴展到了控制和設計部分。曾經促進了測試發展的益處正開始加速控制和設計的發展。工程師和科學家不斷提高對虛擬儀器的要求，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動力。

虛擬儀器技術在測試中的應用
　　測試一直是虛擬儀器技術成熟應用的領域。超過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。現在，許多公司都迅速地采用了具有高達200MS/s數字化性能的產品。PXI系統聯盟擁有60多個成員，提供了數以百計的產品，而且數以萬計的R&D、驗證和產品測試工程師和科學家正在使用成千上萬的儀器驅動。
而且，現在客戶對于測試的需求越來越大。隨著創新的步伐越來越快，希望更多具有競爭力的新產品更快投入市場的壓力也越來越大。消費者的期望在不斷地增高。以電子市場為例，消費者要求不同的功能可以更低的成本在一個更小的空間得到集成。近年來經濟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成功的一個因素——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爭中占有決定性的優勢。

　　所有這些條件都驅使著對新的驗證、檢驗和生產測試技術的高要求。一個能與創新保持同步的測試平臺不是可有可無的，而是必需的。這個平臺必須包含具有足夠適應能力的快速測試開發工具以在整個產品開發流程中使用。產品快速上市和高效生產產品的需要要求有高吞吐量的測試技術。為了測試消費者所要求的復雜多功能產品需要精確的同步測量能力，而且隨著公司不斷地創新以提供有競爭力的產品，測試系統必須能夠進行快速調整以滿足新的測試需求。
　　
　　虛擬儀器是應對這些挑戰的一種革新性的解決方案。它將快速軟件開發和模塊化、靈活的硬件結合在一起從而創建用戶定義的測試系統。虛擬儀器提供了：
· 用于快速測試開發的直觀的軟件工具
· 基于創新商用技術的快速、精確的模塊化I/O
· 具有集成同步功能的基于PC的平臺，以實現高精確度和高吞吐量

　　近來NI加速測試、控制和設計創新的一個例子就是使用LabVIEW FPGA進行編程的基于FPGA的硬件。如果工程師需要一個新的硬件性能，如板載DSP，或者新的觸發模式，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，工程師和科學家已經可以通過使用LabVIEW和模塊化I/O來創建高度集成的用戶自定義系統，而現在他們還可以將可自定義配置功能擴展至硬件本身。這種用戶可配置功能和透明度將會改進工程師構建測試系統的方式。

虛擬儀器技術在工業I/O和控制的的應用
　　PC和PLC在控制和工業應用中都發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則提供了優良的穩定性和可靠性。但是隨著控制需求越來越復雜，提高性能并同時保持穩定性和可靠性就成為公認的需要。

　　獨立的工業專家們已經意識到了對工具的需要，這種工具應該能夠滿足不斷增長的對更加復雜、動態、自適應和基于算法控制的需要。PAC正是工業的需求也是虛擬儀器技術的回答。

　　一個獨立的研究公司定義了可編程自動控制器(PAC)來解決這個問題。ARC研究機構的Craig Resnick將PAC定義成：
1. 多域功能（邏輯、運動、驅動和過程）——這個概念支持多種I/O類型。邏輯、運動和其他功能的集成是不斷增長的復雜控制方法的要求
2. 單一的多學科開發平臺——單一的開發環境必須能支持各種I/O和控制方案
3. 用于設計貫穿多個機器或處理單元的應用程序的軟件工具——這個軟件工具必須能適應分布式操作
4. 一組de facto網絡和語言標準——這個技術必須利用高投入技術
5. 開放式、模塊化體系結構——設計和技術標準與規范必須是在實現中開放的、模塊化的和可結合的
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、實時的控制硬件平臺對于創建PAC是十分完美的。

虛擬儀器技術在產品設計中的應用
　　使用各種仿真設計工具的設計工程師們必須使用硬件來測試設計原型。通常，在設計階段和測試/驗證階段之間沒有一個良好的接口，這就意味著設計必須經歷一個完成階段而后進入測試/驗證階段。測試階段發現的問題需要不斷反復設計階段。
事實上，開發過程有兩個完全不同且分離的階段——設計和測試是兩個單獨的實體。在設計方面，EDA工具廠商承受著巨大的壓力與不斷增長的半導體設計和生產集團復雜要求相互作用。工程師和科學家們要求隨著產品從原理圖設計到仿真再到物理層，EDA應具有從一個工具到其他的工具可重復使用設計的能力。相似地，測試系統開發正朝模塊化方式發展。這兩個世界之間的間隙在傳統上一直被忽視，直到在新的產品原型設計階段才第一次引起注意。傳統上，這一階段是產品設計者使用臺式儀器將物理原型與他們的設計對照，進行完整性檢查以獲得正確性。設計者手工地進行測量，在他們的儀器上探測電路并監測信號以發現問題或性能局限。隨著設計反復地經歷建立－測量－調整－重建立這個過程，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。由于工程師注重于設計工具，所以他們不愿意學習如何將他們的測試自動化。

　　具有內在集成屬性的系統容易擴展并且能適應不斷增長的產品功能。一旦需要新的測試，工程師只需要簡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得虛擬儀器成為加速開發周期的必需。