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【转帖】利用虛擬儀器測試、控制和設計用戶定義的測量系統

jevon

2006/11/15

电化学综合讨论

隨著電腦技術的發展，虛擬儀器在測試和測量領域已獲得廣泛應用，利用虛擬儀器能製作基於開放式架構的用戶定義系統，這使得今天的系統能夠得到擴展以適應未來的需要。本文主要探討虛擬儀器在測試、控制和設計用戶定義的測量和控制系統中發揮的重要作用。

虛擬儀器在測試和測量領域已經得到廣泛應用，透過不斷進行軟體創新並推出許多硬體測量設備，其應用範圍已逐步擴大。如今，在美商國家儀器(NI)等公司開發出的新技術的幫助下，虛擬儀器的用戶正將其擴展到控制和設計領域。正如從前推動測試開發一樣，虛擬儀器的優勢又開始推動用戶的控制和設計發展。

虛擬儀器包含一個基於電腦的平台，輔以強大的應用軟體、PC附加卡等性價比很高的硬體及其驅動軟體，這樣的組合，功能遠勝於傳統的測試和自動化儀器。虛擬儀器的出現代表儀器系統已經從傳統以硬體為中心的系統開始向以軟體為中心的系統產生根本性的轉變，如今的系統能充分發揮現代運算平台的運算能力、生產力，以及顯示和連接能力。PC和積體電路技術在近兩年取得了長足發展，但真正為在功能強大的硬體基礎上製作虛擬儀器提供方法的其實是軟體，它同時也提供了更好的創新方法，並大幅降低了功耗。

虛擬儀器中的軟體

在一台虛擬儀器中，最重要的部份是軟體。只要有合適的軟體，工程師和科學家們就能透過設計和整合一個特殊過程所需的程式，高效製作自己的應用軟體。同時還可以製作一個最適合該應用以及今後的使用人員所需的用戶介面。他們可以定義該應用何時、如何從設備獲取數據，如何處理或分析、作業和儲存這些數據，以及如何將結果呈現給用戶。虛擬儀器中最常用的軟體是NI公司的圖形程式語言LabVIEW。有了強大的圖形軟體環境幫助，我們還可以為儀器添加智慧和決策功能。此外，軟體帶來的另一個重要的優點就是模組化。
圖1 利用LabVIEW製作用戶定義儀器和定製硬體。

虛擬儀器中的硬體

虛擬儀器中有一個很重要的方面，就是利用了一些最新處理器、類比數位轉換器和IC廠商(如英特爾、ADI、Xilinx等)對其現有技術的高投資。因為虛擬儀器是基於軟體的，所以基本上只要能夠數位化的訊號，就能被測量。虛擬儀器可以透過軟體實現系統定義，因而能夠最大效率地利用硬體資源。

此外，高速PC匯流排技術也為實現高性能的虛擬儀器提供了所需的頻寬。隨著商用匯流排技術的性能不斷增強，虛擬儀器系統的性能也在提高。有近10年的時間，PCI匯流排一直是高頻寬即插即用週邊設備的標準匯流排。而如今，速度更快的測量設備需要更大的頻寬，用以向PC機的記憶體輸送數據，以便利用現代處理器的強大功能。為了滿足人們對速度更快、擴展性更強的設備介面匯流排日益成長的需求，PC和週邊設備廠商開發了新一代的PCI匯流排PCI Express，而且具PCI Express匯流排的電腦產品近期已經開始出貨。發展最快的測量和控制平台PXI就是基於PC結構的，因而自然採用了PC領域最新的成果。

虛擬儀器用於測試

測試領域是虛擬儀器很早就進入的領域。PXI聯盟中包含60多個成員，他們提供幾百種產品。同時，還有幾萬名研發工程師、驗證工程師、產品測試工程師和科學工作者們使用了成千上萬的儀器驅動器。

業界對測試的需求從未如此強烈。隨著創新的步伐不斷加速，工程師必須更快地推出有特點的新產品。同時，消費者的期望值也在不斷提高，例如，在電子產品市場，必須以低成本將各種完全不同的功能整合在一個很小的空間內。

所有這些都催生了新的確認(validation)、驗證和製造測試需求，擁有一個能夠與以上創新齊頭並進的測試平台已經不是一個公司可以選擇的，而是必須的。首先，該平台中必須包括一些廣泛適用的快速測試開發工具，能夠在整個產品開發流程中使用。其次，加速產品上市速度和提高產品生產效率的需求也要求產品測試必須是高吞吐量的測試。第三，要測試消費者需要的複雜多功能產品需要測試平台具備精確的同步測試能力。最後，隨著各公司為了使產品脫穎而出而向產品中添加新的功能，又要求測試系統能夠快速調整以測試產品的新特性。

要應對這些挑戰，可以採用虛擬儀器。其中包含了製作一個用戶定義的測試系統所需的快速開發的軟體和模組以及靈活的硬體。虛擬儀器能提供：適用於快速測試開發的直觀的軟體工具；基於商業新技術的快速、精確的模組I/O；一個帶同步功能，精密度高、吞吐量大的基於PC的平台。
圖2 在設計和製造今天的電子設備過程中測試具關鍵性作用。

近期出現了一種基於FPGA的硬體，該硬體可利用LabVIEW FPGA程式，這就是一項加速測試、控制和設計發展的創新。如果某位工程師需要增加一項硬體功能，例如添加一塊板上DSP或者增添一種新的觸發模式，那他可以在同一個軟體中定義這項功能，並將其配置到一塊板上FPGA中去。一直以來，工程師和科學工作者們都能利用模組I/O，透過LabVIEW製作高度整合的用戶定義系統，如今他們又能將這種用戶可配置性擴展到硬體本身。用戶可配置性和透明性提高到這個程度後，將會改變工程師建構測試系統的方式。

虛擬儀器用於產業I/O和控制

PC和PLC在控制應用和產業應用中都扮演著十分重要的角色。PC帶來更大的軟體靈活性和功能性，而PLC則使應用具備出色的耐久性和可靠性。但隨著控制應用不得不向更加複雜化發展，必須注意在增加應用的功能性同時保持其耐久性和可靠性。

業界專家們已經發現，業界對更為複雜、動態的、適應性更強的基於演算法的控制的需求日益增大，因此他們需要一些能夠滿足這種需求的工具。PAC就是虛擬儀器為業界這種需求提供的答案。

為解決上述問題，獨立研究公司ARC定義了PAC可程式自動化控制器。ARC的Craig Resnick將PAC定義為：

1. 具備多域(multi-domain)功能性(邏輯功能、運動功能、驅動和處理功能)，該概念支援多種類型的I/O。要實現日益複雜的控制方法，必須整合邏輯、運動以及其他功能；

2. 一個單獨的多準則(multidiscipline)開發平台，單一的開發環境必須能支援多種類型的I/O和控制方案；

3. 能在跨機器或跨處理單元的設計應用中使用的軟體工具，能適當擴充以適應分散式作業；

4. 一組事實上的網路和語言標準，該技術必須利用常見且往往是高投資的現有技術；

5. 具備開放式、模組化的架構，這種設計和技術規格必須是開放式的、模組化的並且可以在實現中整合的。

PAC不但具備PC的軟體靈活性，還兼具PLC的耐久性和可靠性。LabVIEW軟體加上一個牢固的即時控制硬體平台，是製作PAC的理想方式。

虛擬儀器用於設計

設計工程師在利用大量軟體設計工具的同時也必須用硬體來測試產品原型。通常，設計階段和測試/確認階段之間並沒有一個很好的介面，這就意味著一項設計必須在完成之後才能進入測試/確認階段。如果測試階段發現問題，就必須重新進行設計。

實際上，開發過程包含兩個截然不同的、相互分離的階段－設計和測試，這是兩個獨立的部份。從設計方面來說，EDA工具供應商在半導體設計日益增多，製造商對複雜性的要求日益提高的情況下要承受巨大的壓力。工程師和科學家們都要求，在產品從電路圖設計到模擬，再到實體佈線的過程中，在不同的工具上要能實現設計再使用。同樣，測試系統的開發也在向模組化方向發展。

過去，人們一直忽視設計和測試這兩個領域之間的差異，這種差異只有在新產品原型的設計階段才會引起注意。在新產品原型設計階段，設計工程師利用測試平台儀器對其設計實體原型進行健全性檢查(sanity-check)，以保證其正確性。這些測試都是手動進行的，他們利用儀器探測電路，並觀看儀器上顯示的訊號，從中尋找這個實體原型的問題或性能侷限。當必須重覆進行這種製作原型－測試－調整－重建原型的設計過程時，設計師要重覆進行同樣的測試。而且，這樣的測試可能會十分複雜，需要進行頻率、幅度和溫度掃描，並自始至終收集和分析數據。正是由於這些工程師們關注的是設計工具，因此他們不願另花功夫去學習如何進行自動化測試。

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