1.5 虚拟仪器技术的应用

虚拟仪器在各工程领域有着广泛的应用，如半导体、航空航天和国防、通信工程、交通、能源、生物医电、消费电子、汽车工业、机械工业、自然环境监测、节能减排、故障诊断、结构健康监测、风能发电、机器人开发等。下面列举一些虚拟仪器技术的应用场景。

1.在半导体技术领域中的应用

在传统的半导体测试中，实验室和量产时是两个不同的应用场景。在实验室中，使用传统的台式仪器来进行半导体特性分析测试时，随着更复杂的芯片和越来越多射频芯片的加入，需要同时使用多种仪器，这时通常使用GPIB或以太网将所有台式仪器串联起来，但是这样的总线带宽和同步并不能很好地满足需求，对IC验证工程师来说也是非常困难的。来到产线这一端，使用传统自动测试设备（Automatic Test Equipment, ATE）进行半导体量产测试，这种方法对于主控芯片、memory的测试没有问题，但是随着现在RFIC或者是物联网芯片的加入，需要对原有的ATE进行扩展，才能满足需求。另一方面，传统的ATE并不能将实验室的数据和量产的数据紧密结合起来，因此经常要做一致性的对比，这将耗费巨大的人力和时间，新一代的虚拟仪器在这时发挥了重要作用，它提供了一个跨越实验室到量产整个鸿沟的平台。例如使用NI PXI平台再配合包括LabVIEW和TestStand测试管理程序在内的灵活开放的软件，实现了整个平台的完整性，极大地加快测试时间，优化半导体测试，解决了客户碰到的成本和测试复杂等问题。图1-10所示为虚拟仪器技术在半导体测试中的应用。

2.在航空航天和国防领域中的应用

在制造飞机、太空和国防系统的组件时，都必须进行非常严格的测试。此外还需要分析和测试系统组件之间的互操作性，以确保在各种操作条件下系统及其组件满足所有规范要求。而系统集成则需要更复杂的测试平台，才能确保这些组件按预期运行。随着整个项目的推进，子系统在开发过程中，可能会出现意外的情况，导致需要大幅改造测试系统来满足新的要求，使成本大幅增加。利用虚拟仪器软件和广泛的高性能I/O模块，可以搭建灵活的测试台，同时开放式平台还能集成第三方系统和各种通信协议，可以确保测试台随设计和测试要求的变化进行调整和扩展，从而能更好地满足系统日益复杂、产品生命周期不断延长的测试要求。图1-11所示为虚拟仪器技术在航空航天领域中的应用。

3.在无线通信领域中的应用

新一代移动通信网络即“第五代移动通信技术”（也称为“5G”）具有大规模MIMO、毫米波通信、新兴物理层和超密集组网几个特性。在执行测试的时候，需要具备实时的系统处理、严格的I/O控制，包括同步、可扩展性严苛的射频需求，因此测试系统就需要满足模块化、频率和信道灵活性和软件定义的信号处理。面对这些新需求，在使用台式仪表的传统测试时，可能会有中频部分、射频的台式仪表，覆盖了很多不必要的测试频段，另外还有独立的发射端、接收端，需要用不同单一功能的台式仪表叠加进行测试，处理能力不足且成本很贵。当前模块化的虚拟仪器平台由于具有高度的灵活性和快速的测试速度等特征，再加上拥有强大的软件自定义功能，很快便在5G新应用领域得到应用，它可帮助开发人员更快速地创建、设计、仿真、原型验证和部署无线系统。图1-12所示为虚拟仪器技术在无线通信领域中的应用。

4.在交通运输领域中的应用

无人驾驶汽车是现代产业界关注的一个热点。和传统汽车不同，新的无人驾驶汽车由于拥有了更多的摄像头和传感器，还有各种不同的无线网络，使其融合测试变得更复杂，如果再加上后段非常核心的算法处理和决策部分，给汽车系统带来的测试难度将是空前的。这就需要找到一种在质量、创新和成本上平衡的解决方案。基于虚拟仪器技术的测试方案，是让客户自定制解决方案、自定义设计，且具备开放有活力的生态系统，它将成为汽车未来测试的好帮手。例如，基于NI PXI统一的模块化平台能够非常方便地将包括雷达测试、机器视觉测试以及V2X通信测试集成在统一的平台上，能够完整地实现从感知到决策再到执行的完整闭环仿真测试系统，从而实现整个智能汽车完整的硬件在环系统的测试，如图1-13所示。

5.在电子领域中的应用

印制电路板（PCB）是现代电子设备的重要组成部分，其质量直接影响到产品的性能甚至是功能的实现。在电路板的制造过程中，任何一个环节出现错误，都会导致电路板存在缺陷，这些环节包括了PCB制造、器件装配以及焊接。对应的缺陷包括板子缺陷、元器件缺陷（漏装、装错、极性装错等）和焊点缺陷。传统的PCB缺陷检测方法是通过人眼来检测，这种方法容易漏检、检测速度慢、无法满足生产要求，因此逐渐被机器视觉代替，如图1-14所示。机器视觉系统采用的是虚拟仪器技术架构，系统利用工业相机摄取检测图像并转化为数字信号，再利用开放灵活的机器视觉软硬件平台，对数字图像信号进行处理，得到所需要的各种目标图像特征值，再与模板数据进行匹配，从而完成元件识别或缺陷检测等多种功能。工程师利用LabVIEW工具包和模块，进行机器视觉系统的开发，实现PCB缺陷检测。与传统人工检测相比，机器视觉检测系统大大提高了PCB缺陷检测的效率和准确度。

6.在机械工业领域的应用

虚拟仪器技术可用于工业制造状态监测、数据记录、硬件在环（HIL）测试等。工厂设施处于偏远位置、工作环境恶劣以及可靠性工程师人才稀缺等因素给保障正常生产时间带来挑战。而借助在线状态监测技术，维护工程师可以在前往工厂之前先查找、诊断问题并对问题进行优先级处理。工程师也可以将关键设备的数据共享给专家，以便他们进行分析，同时还可将这些数据连接到企业IT系统，以推动数字化转型，实现工业物联网（IoT）或智能制造。通过虚拟仪器技术对设备运行状态进行监测，增加正常生产时间，为企业实现数字化转型提供支持。图1-15所示为虚拟仪器技术在机械工业领域中的应用。

7.在能源领域的应用

能源是一个存在各种影响因素的复杂领域，涵盖了能源安全、环境/运营保护、系统效率、分布式系统可靠性和控制以及清洁能源技术等诸多方面。比如随着人口增长、电力基础设施老化，电网和微电网需要通过动态监测和控制系统来提供处理灵活性，以扩大配电范围、优化电网资产、分析电网性能。利用虚拟仪器技术，可帮助公用事业单位以及电力系统工程师创建一个更智能的电网，以提高电网集成可再生能源的能力，实现自动化分析，增强态势感知能力，进而提高整体能源效率和安全性。图1-16所示为虚拟仪器技术在能源领域中的应用。