概覽

功能原型系列是一個文檔集，你可以通過它來了解原型過程。請閱讀關鍵概念，原型的優(yōu)勢，關于產(chǎn)品選擇的討論以及其它技術資源。

裝備與測試

開發(fā)原型的一個目的是為了快速地向潛在的客戶、投資者和同行展示一個想法和其設計。另一個同樣重要的原因在于原型能用來測試并驗證基本的軟件和硬件性能。通常，只有當你設法將一個功能型原型的電子器件、軟件和機械部件結合在一起時，問題便會凸顯。

通過原型階段的完整測試，你能在問題將要導致巨大損失或無法修復之前就發(fā)現(xiàn)它們。原型測試為性能索賠的備份提供了具體的證據(jù)，并且使你自信地將更加可靠的產(chǎn)品付諸實施。

優(yōu)勢

* 提高整體質(zhì)量–通過將系統(tǒng)發(fā)揮至極限來為你的嵌入式原型I/O進行信號完整性測試。

* 提高可靠性 –請確認你的嵌入式原型可以承受極限條件而不產(chǎn)生錯誤，并對防止產(chǎn)品發(fā)生過載的安全系統(tǒng)進行測試。

* 提高算法性能 – 通過在產(chǎn)品開發(fā)周期中通過測試和排除一切異常狀況來提高你的嵌入式程序的效率。

創(chuàng)建一個軟件測試平臺

軟件測試方法

軟件定義的儀器本身十分靈活且易于實現(xiàn)自動化。所以，當今的產(chǎn)品設計團隊可以通過減少人工測試的小時數(shù)和盡量減少實驗用的儀器數(shù)量來簡化開發(fā)過程。

有了NI LabVIEW圖形化軟件平臺，你可以輕松地設置簡單的程序以測試主要算法的質(zhì)量和可靠性。原型的時候，請注意測試中主要的兩個方面：

1. 極限測試——請確定軟件設計提供了I/O通道整個范圍內(nèi)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。這將使原型在整個產(chǎn)品開發(fā)周期內(nèi)都符合質(zhì)量標準。

2. 壓力測試——請確定在長期使用后或當所有I/O通道同時達到極限時都可以符合質(zhì)量標準。算法要足夠魯棒從而能考慮到有過載數(shù)據(jù)正在處理時的情況。

通過使用模擬 VI以使軟件算法達到極限，從而進行無需硬件的測試。你可以在LabVIEW 中通過使用不同的信號生成VI或開發(fā)能準確描述實際I/O的VI來輕松地實現(xiàn)測試。

圖1. I/O 模擬方法

隨著計算機的發(fā)展，通過模擬I/O，你無需使用任何硬件就可以完整地測試軟件。簡單而有效的I/O模擬方法有以下幾種：

* 信號產(chǎn)生VI –LabVIEW有一個特定的函數(shù)面板用來產(chǎn)生信號。從種類繁多的VI中選擇以有效地模擬I/O。

* 定制VI –有了高級的LabVIEW圖形化編程環(huán)境，開發(fā)能描述I/O的測試平臺VI變得十分簡單。

* 現(xiàn)有數(shù)據(jù) –LabVIEW具有從許多文件類型和數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)的功能。有了LabVIEW， 你可以使用模型化數(shù)據(jù)來為I/O模擬數(shù)據(jù)點。

使用I/O節(jié)點模擬進行嵌入式FPGA測試

開發(fā)具有嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列（FPGAs）的原型是件棘手的事情，它的開發(fā)技術與FPGA硬件和計算機軟件不同，主要原因有三：

1. 編譯時間——你需要大量的時間將一個設計編譯成硬件代碼并在FPGA上運行。同時，通常需要采用多次編譯來尋找程序錯誤。

2. 硬件中不具備典型的LabVIEW調(diào)試功能——一旦在硬件中運行代碼，或者說代碼即硬件，你將無法進行單步，過程高亮，設置斷點等動作。

3. FPGA可高速并確定性地執(zhí)行——FPGA被用在高速和確定性應用中。因此，設計者通常關注的是在FPGA的每個時鐘周期時所發(fā)生的情況，要么是純粹的性能原因，要么是描述并行任務間的同步性。

LabVIEW FPGA為通過模擬I/O或使用真實I/O進行的基本FPGA算法測試提供了強大功能。

* 在有模擬I/O的開發(fā)計算機上執(zhí)行VI –當你按下運行箭頭時，F(xiàn)PGA VI就在PC上運行。你可以選擇使用隨機數(shù)據(jù)或定制I/O將測試平臺VI寫入以確定輸入和捕獲輸出。

* 在有真實I/O的開發(fā)計算機上執(zhí)行VI –這時，僅NI R系列內(nèi)插設備才具備該功能。當程序在FPGA I/O節(jié)點執(zhí)行時，這個選項在PC機上運行VI并將一個固定的性能下載到R系列設備以進行I/O采樣。在早期測試和原型開發(fā)中，這是非常有用的，但是，請記住：I/O是軟件定時采樣，很有可能無法代表你真正預想VI應該使用的時間。

* 注意： 使用真正的I/O需要硬件。

使用數(shù)據(jù)采集來測量I/O

由于軟件測試不能提供使用真實硬件的同樣感覺，因而具有局限性。有了LabVIEW，你可以使用商用現(xiàn)成硬件去實現(xiàn)真實的I/O測試。

通過使用數(shù)字萬用表或數(shù)據(jù)采集設備，你可以輕松地調(diào)試物理硬件I/O。LabVIEW與NI-DAQmx設備相結合，從而為執(zhí)行復雜的數(shù)據(jù)采集任務提供一個簡單易用的高級接口。

圖2. 使用DAQ進行測試

使用DAQmx Express VI：

* 測量嵌入式原型的物理輸出并分析信號的質(zhì)量和可靠性

* 為嵌入式原型提供實時信號以使軟件算法達到極限并對測試系統(tǒng)加壓

完全系統(tǒng)試驗臺

系統(tǒng)ID

LabVIEW系統(tǒng)識別工具包不僅是一個VI庫，還是一個基于大量原始數(shù)據(jù)開發(fā)系統(tǒng)模型的助手。有了這些工具，你可以完成整個系統(tǒng)的識別，從分析原始數(shù)據(jù)到驗證識別模型。你可以在更少的時間內(nèi)，使用該系統(tǒng)識別助手來開發(fā)能夠反映某種特定動態(tài)系統(tǒng)行為的模型。

系統(tǒng)識別是一種基于所測量激勵和響應數(shù)據(jù)而開發(fā)動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型的方法。你能夠在許多應用中使用系統(tǒng)識別，包括機械工程，生物學，生理學，氣象學，經(jīng)濟學和基于模型的控制設計等。

基于模型的控制設計過程通常包含有識別對象模型，分析并綜合控制器，模擬閉環(huán)系統(tǒng)，將控制器應用到實時硬件中等過程。

LabVIEW系統(tǒng)識別工具包：

* 幫助你從真實數(shù)據(jù)中識別高階系統(tǒng)中的大型多變量模型

* 提供兩種工具，一個助手和一個VI庫，用來識別離散的單輸入單輸出和多輸入多輸出線性系統(tǒng)

* 幫助你完成整個系統(tǒng)的識別，從分析原始數(shù)據(jù)到驗證識別模型

* 與其它附加功能相集成，包括LabVIEW實時和LabVIEW控制設計與模擬模塊

系統(tǒng)識別工具包提供這樣一些VI，你可以用它們從動態(tài)系統(tǒng)中預處理原始數(shù)據(jù)并開發(fā)能反映該系統(tǒng)行為的模型。有了數(shù)據(jù)預處理VI，你可以分析某一特定激勵下的動態(tài)系統(tǒng)響應。分析完數(shù)據(jù)后，你可以使用參數(shù)模型估計，非參數(shù)模型估計，部分已知模型估計，遞推模型估計，頻域模型估計VI等來估計動態(tài)系統(tǒng)的模型。最后，你可以使用模型驗證或模型分析VI來確定該模型是否能準確描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。

硬件在環(huán)（HIL）應用

嵌入式控制系統(tǒng)在控制一個典型機械系統(tǒng)的不同元件時發(fā)揮了重要的作用。實際測試之前的系統(tǒng)軟件模擬并不總是有用的，因為模擬不能隨實際的模擬和數(shù)字信號而實時運行。這一難題迫使我們在最后部署前，采用HIL模擬作為測試嵌入式控制系統(tǒng)的標準方法。

測試一個完整的嵌入式原型可能會很困難，特別是當你要測試整個系統(tǒng)的所有元件間的相互作用時。測試原型嵌入式控制系統(tǒng)時，安全性，可用性或成本考慮都能令使用完整系統(tǒng)進行必要的測試變得不切實際。你可以使用HIL模擬來仿真帶來這些挑戰(zhàn)的系統(tǒng)部件，這將使你在真實的整體系統(tǒng)測試前，在虛擬環(huán)境中徹底地對嵌入式控制設備進行測試。有了這個功能，即使你的測試系統(tǒng)變得更加復雜，你也能合算地保持可靠性和市場投放時間的要求。

圖 3. 一個包含有三個主要元件的HIL測試系統(tǒng)：一個軟件接口， 一個實時處理器和一個I/O接口

在較短的時間內(nèi)快速投放市場、更好的可靠性以及日益復雜的產(chǎn)品等多方面帶來的挑戰(zhàn)使得人們迫切需要HIL測試平臺的幫助：

* 在主機上配置并監(jiān)控用戶界面和諸如NI VeriStand的測試管理工具

* 使用實時模擬器，在嵌入式控制器和測試系統(tǒng)之間產(chǎn)生真實的電氣交互

* 設置物理負載和故障插入測試——HIL測試系統(tǒng)可以精確地模擬真實的條件并測試故障情況下的反應

LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境和NI PXI模塊化的硬件平臺是建立HIL系統(tǒng)以實現(xiàn)高度逼真的控制器測試模擬的理想工具。

圖4. 圖形化系統(tǒng)設計

NI VeriStand是一個為了配置包含HIL測試的實時測試應用的軟件環(huán)境。它可以幫助你配置多核實時引擎來執(zhí)行下列任務：

* 基于模擬、數(shù)字、通信總線和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的I/O

* 觸發(fā)、多文件數(shù)據(jù)記錄

* 產(chǎn)生實時激勵

* 計算通道

* 事件報警和報警響應例行測試

NI VeriStand也可以輸入控制算法并在LabVIEW軟件和第三方環(huán)境中仿真模型。你能使用一個運行時可編輯的用戶界面來監(jiān)測這些任務并與其交互，這個界面包括了許多有用的工具來進行強制賦值、報警監(jiān)控、I/O校準和激勵文件編輯等。使用NI VeriStand時無需任何編程知識，它可以被定制和擴展到多種軟件環(huán)境下，如NI LabVIEW， NI TestStand， Microsoft Visual Studio .NET， C/C++， 和Python等。

下一步

NI提供了大量的嵌入式原型測試工具。將LabVIEW平臺和NI-DAQmx ， NI VeriStand結合在一起可以幫助你徹底地對質(zhì)量、可靠性和整個產(chǎn)品開發(fā)周期的表現(xiàn)進行測試。