基于虛擬儀器實(shí)現(xiàn)模塊化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如何滿足理想ATE的需求

1. 模塊化儀器——靈活的自定義軟件和可擴(kuò)展硬件

設(shè)備的日趨復(fù)雜和技術(shù)的漸進(jìn)融合迫使測(cè)試系統(tǒng)變得更加靈活。盡管成本的壓力要求系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的生命周期，測(cè)試系統(tǒng)仍須適應(yīng)設(shè)備隨時(shí)間變化而帶來(lái)的各種變化。而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一途徑便是采用一種軟件定義的模塊化架構(gòu)。本文將通過(guò)使用虛擬儀器來(lái)解釋軟件定義的概念，為硬件平臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)提供多種選擇，并討論模塊化系統(tǒng)是如何滿足理想ATE的需求。

目前就本質(zhì)而言，有兩種類型的儀器應(yīng)用，虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器。圖1描述了這兩種類型儀器的架構(gòu)。

Figure 1. Comparing traditional and virtual instrumentation architectures， both share similar hardware components; the primary difference between the architectures is where the software resides and whether it is user-accessible.

兩種類型儀器的相似之處。兩者都具有測(cè)量硬件、一個(gè)機(jī)箱、一個(gè)電源、一根總線、一個(gè)處理器、一個(gè)操作系統(tǒng)和一個(gè)用戶界面。由于這兩類儀器使用相同的基本組件，所以從純硬件的角度來(lái)看，兩者間最明顯的區(qū)別在于如何將這些組件進(jìn)行封裝。一個(gè)傳統(tǒng)的（或獨(dú)立的）儀器會(huì)將所有的組件放在同一個(gè)盒子（這個(gè)盒子適用于任何一個(gè)獨(dú)立儀器）中。通過(guò)GPIB、USB或LAN/局域網(wǎng)控制的手動(dòng)儀器便是這類獨(dú)立儀器的一個(gè)范例。這些儀器是作為獨(dú)立實(shí)體設(shè)計(jì)的，其主要設(shè)計(jì)目的并不是系統(tǒng)應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)儀器數(shù)量眾多，但就儀器本身而言，其軟件處理和用戶界面都是固定的，僅當(dāng)廠商選擇更新時(shí)才可以被更新，而且如何更新也取決于廠商的選擇（例如，通過(guò)固件升級(jí)）。因此，用戶要想進(jìn)行傳統(tǒng)儀器功能列表中未包括的測(cè)量是不可能的，而且，對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)儀器，根據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，或者根據(jù)需求的變化調(diào)整原系統(tǒng)，都是極具挑戰(zhàn)的。

相比之下，一個(gè)通過(guò)軟件定義的虛擬儀器使得用戶可以訪問(wèn)來(lái)自硬件的原始數(shù)據(jù)，以便自定義測(cè)量和用戶界面。通過(guò)這種軟件定義的方式，用戶可以進(jìn)行定制測(cè)量，根據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，或者根據(jù)需求變化調(diào)整系統(tǒng)（例如增加儀器、通道或測(cè)量）。盡管用戶定義軟件可用于獨(dú)立的、特殊應(yīng)用的硬件，但其理想的搭配還是通用的模塊化硬件，它能使測(cè)量軟件的靈活性和性能得到充分發(fā)揮。這種靈活的自定義軟件與可擴(kuò)展硬件的組合，便是模塊化儀器的核心所在。

2. 支持系統(tǒng)擴(kuò)展的模塊化硬件

模塊化儀器可以采取多種形式。在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的模塊化儀器系統(tǒng)中，許多組件，例如機(jī)箱和電源，都為多個(gè)儀器模塊所共用，而不是為某一儀器功能重復(fù)配置這些組件。這些儀器模塊也可以包含不同類型的硬件，包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字化儀與RF等。在某些情形下（如圖2所示），測(cè)量硬件僅僅是一個(gè)安裝于主機(jī)的某個(gè)外設(shè)端口或外設(shè)插槽的外設(shè)。在此情形下，主機(jī)PC提供用以完成軟件測(cè)量的處理器，以及用于電源供應(yīng)和I/O的機(jī)箱。

Figure 2. Examples of measurement hardware choices for modular instrumentation include a USB peripheral module on the left， and a PCI Express plug-in module on the right.

在另一些情形下，例如PXI（PCI的儀器拓展）——一個(gè)用于測(cè)試、測(cè)量和控制的穩(wěn)固平臺(tái)，并由超過(guò)70個(gè)成員公司所支持——測(cè)量硬件被安裝于一個(gè)工業(yè)機(jī)箱（如圖3所示）。

Figure 3. This example of a modular instrumentation system uses PXI hardware and NI LabVIEW graphical development software.

在一個(gè)PXI系統(tǒng)中，主機(jī)可以嵌入機(jī)箱（如圖3所示），或者是通過(guò)線纜接口控制測(cè)量硬件的獨(dú)立的便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器。由于一個(gè)PXI系統(tǒng)使用與PC內(nèi)部相同的總線（PCI和PCI Express）和現(xiàn)有的PC組件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，因此，無(wú)論是使用PXI系統(tǒng)還是PC，相同的模塊化儀器概念均可等同應(yīng)用。（然而，PXI確實(shí)為模塊化儀器提供了一些此處未展現(xiàn)的其它優(yōu)點(diǎn)，如更高的通道數(shù)、便攜性和穩(wěn)固性（了解關(guān)于PXI的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)ni.com/china/pxi）。）不論系統(tǒng)使用PXI、帶有內(nèi)插式模塊的臺(tái)式機(jī)或是帶有外設(shè)I/O模塊的臺(tái)式機(jī)，這種共享機(jī)箱和控制器的方式都大大降低了成本，同時(shí)也使用戶能夠?qū)y(cè)量與分析軟件進(jìn)行控制。雖然模塊化儀器存在多種配置選擇，但該類型儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別之處在于，其軟件是開(kāi)放的，因此當(dāng)測(cè)試需求發(fā)生變化或傳統(tǒng)儀器無(wú)法完成測(cè)量時(shí)，用戶可以自定制測(cè)量。

值得注意的是，這種模塊化方法并不意味著，在與將所有功能連接到單一盒子內(nèi)的傳統(tǒng)儀器相比時(shí)，會(huì)存在儀器或通道間同步的問(wèn)題。相反地，模塊化儀器的設(shè)計(jì)目的在于可被集成以供系統(tǒng)使用。所有的模塊化儀器均通過(guò)共享的時(shí)鐘和觸發(fā)器，提供定時(shí)和同步的能力。例如，就最高同步精度而言，基帶、IF和RF儀器可以以低于100 ps儀器間偏移的精度進(jìn)行同步——優(yōu)于同一臺(tái)儀器的多個(gè)通道間的同步偏移。

3. 模塊化降低了成本與外形尺寸，提高了吞吐量，并延長(zhǎng)了生命周期

雖然術(shù)語(yǔ)“模塊化”有時(shí)會(huì)僅僅基于硬件封裝而被錯(cuò)誤使用，但模塊化儀器所涵蓋的內(nèi)容遠(yuǎn)不止封裝。用戶期望一個(gè)模塊化系統(tǒng)能帶來(lái)三方面的收益——通過(guò)共用機(jī)箱、背板和處理器帶來(lái)成本的降低和外形尺寸的減小，通過(guò)與主處理器的高速連接帶來(lái)更快的吞吐量，以及通過(guò)用戶定義的軟件實(shí)現(xiàn)更大的靈活性與更長(zhǎng)的生命周期。

如上所述，一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)中的所有儀器共用一個(gè)電源、機(jī)箱和控制器。而獨(dú)立儀器則為每一個(gè)儀器重復(fù)配置電源、機(jī)箱和（或）控制器，從而增加了成本與尺寸并降低了可靠性。事實(shí)上，無(wú)論使用何種總線結(jié)構(gòu)，每個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)都需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制；在模塊化架構(gòu)下，所有儀器共用同一個(gè)控制器，從而使得在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)分擔(dān)成本。在模塊化儀器系統(tǒng)中，G赫茲計(jì)算機(jī)處理器通過(guò)軟件分析數(shù)據(jù)并完成測(cè)量。其測(cè)量結(jié)果十倍于甚至百倍于僅由傳統(tǒng)儀器構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)（這些系統(tǒng)使用內(nèi)置的廠商定義的固件和專用處理器）的吞吐量。例如，一個(gè)典型的矢量信號(hào)分析儀（VSA）每秒可以完成0.13次帶內(nèi)功率測(cè)量，然而一個(gè)NI模塊化VSA每秒可以完成4.18次帶內(nèi)功率測(cè)量——提高近33倍。

模塊化儀器需要一個(gè)高帶寬、低延遲的總線將儀器模塊與共享處理器相連接，以執(zhí)行用戶定義的測(cè)量。雖然USB在易用性方面提供了極好的用戶體驗(yàn)，但PCI與PCI Express（以及以這些總線為基礎(chǔ)拓展所得的PXI平臺(tái)）在模塊化儀器中提供了最佳性能。目前， PCI Express提供高達(dá)4 GB/s的插槽，而PXI提供帶寬高達(dá)2GB/s的插槽——超過(guò)高速USB 33倍，100 Mb/s以太網(wǎng)的160倍，甚至是即將推出的千兆以太網(wǎng)的16倍（如圖4所示）。外設(shè)總線（例如LAN與USB）總是通過(guò)一個(gè)內(nèi)部總線（例如PCI Express）與PC處理器相連，因而理論上總會(huì)導(dǎo)致性能下降。我們以一個(gè)模塊化RF采集系統(tǒng)為例，來(lái)討論高速總線如何影響測(cè)試與測(cè)量。在一個(gè)臺(tái)式機(jī)或PXI系統(tǒng)中，一個(gè)帶有4個(gè)2 GB/s的PCI Express插槽，可以將兩個(gè)通道100 MS/s 的16位IF（中頻）數(shù)據(jù)直接輸送到處理器供運(yùn)算。由于LAN與USB都不能滿足這些需求，所以需要提供這樣性能水平的儀器總是包含一個(gè)嵌入式的、廠商定義的處理器，以完成測(cè)量——這樣的儀器就不再是模塊化的了。

Figure 4. PCI and PCI Express provide the highest bandwidth and lowest latency， decreasing test time and delivering flexibility and longevity through user-defined software.

對(duì)于一個(gè)模塊化儀器，與主機(jī)的高速連接是提供靈活性和長(zhǎng)生命周期的關(guān)鍵，因?yàn)樗管浖莾x器駐留于主機(jī)。通過(guò)在主機(jī)上運(yùn)行軟件，用戶（而不是廠商）可以定義儀器如何運(yùn)行。這樣的架構(gòu)使您能夠：1）進(jìn)行那些不夠普遍以致未能包含在典型的、廠商定義的、非模塊化的途徑中的測(cè)量；2）為尚未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建測(cè)量； 3）定義用于進(jìn)行特殊測(cè)量的算法。軟件的用戶定義本質(zhì)也意味著，當(dāng)待測(cè)設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，您可以對(duì)測(cè)量甚至儀器進(jìn)行增加或調(diào)整。您也可以使用軟件的直接訪問(wèn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)聽(tīng)或控制這些模塊化儀器。

值得注意的是，這些硬件的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有犧牲測(cè)量性能。目前，通過(guò)模塊化儀器方法的設(shè)計(jì)的儀器，包括業(yè)界最高分辨率的數(shù)字化儀、最高帶寬的任意波形發(fā)生器和最精確的7位半數(shù)字萬(wàn)用表。

4. 靈活的自定義測(cè)量軟件

模塊化儀器中軟件的作用是不容忽視的。軟件將來(lái)自硬件的原始比特流轉(zhuǎn)換為一個(gè)有用的測(cè)量值。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的模塊化儀器系統(tǒng)能兼顧軟件的多層結(jié)構(gòu)，包括I/O驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用開(kāi)發(fā)程序和測(cè)試管理程序。

Figure 5. Software layers are often used in a modular instrumentation system.

位于最底層的測(cè)量與控制服務(wù)，是最常被忽略的，但卻是一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)最關(guān)鍵的要素之一。該層代表I/O驅(qū)動(dòng)軟件和硬件配置工具。這個(gè)驅(qū)動(dòng)軟件非常關(guān)鍵，因?yàn)樗鼮闇y(cè)試開(kāi)發(fā)軟件和用于測(cè)量與控制的硬件之間提供連接。

儀器驅(qū)動(dòng)程序提供一個(gè)高層、直接可讀的、與儀器交互的函數(shù)的集合。每個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序都是為特定的儀器模塊量身定做，以提供一個(gè)調(diào)用其獨(dú)特功能的接口。對(duì)于一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序，特別重要的是其與開(kāi)發(fā)環(huán)境的集成，以便儀器命令成為應(yīng)用開(kāi)發(fā)的無(wú)縫集成的一部分。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要根據(jù)所選的開(kāi)發(fā)環(huán)境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）對(duì)儀器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。

同樣包含在測(cè)量與控制服務(wù)中的是配置工具。這些配置工具包括用于配置和測(cè)試I/O的資源，存儲(chǔ)擴(kuò)展、校準(zhǔn)和通道混疊信息。這些工具對(duì)于一個(gè)儀器系統(tǒng)的快速構(gòu)建、故障排除和維護(hù)非常重要。

位于應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境層的軟件能提供用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用所需的代碼或程序的工具。雖然圖形化編程不是每一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)所必需的，但出于易用性和快速開(kāi)發(fā)的考慮，這些系統(tǒng)經(jīng)常使用圖形化工具。圖形化編程使用“圖標(biāo)”或符號(hào)函數(shù)，以繪圖方式表示所要執(zhí)行的操作，如圖7所示。這些符號(hào)通過(guò)傳遞數(shù)據(jù)并確定執(zhí)行順序的“線”相連。LabVIEW提供了業(yè)界最常用的、也是最完整的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境。

Figure 5. Code for a typical stimulus/response application using modular instrumentation， written in LabVIEW， 1） generates a signal from an arbitrary waveform generator; 2） acquires the signal with a digitizer/oscilloscope; 3） performs a fast Fourier transform; and 4） graphs the result of the FFT on the user interface （front panel）。

一些應(yīng)用還需要一個(gè)名為軟件管理的附加層，用于測(cè)試執(zhí)行或測(cè)試數(shù)據(jù)的可視化。對(duì)于高度自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試管理軟件為順序執(zhí)行、分支/循環(huán)、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫(kù)集成提供了一個(gè)框架。測(cè)試管理工具還必須提供與創(chuàng)建專用代碼的開(kāi)發(fā)環(huán)境的緊密集成。例如，NI TestStand提供了用于順序執(zhí)行、分支、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫(kù)集成的框架，并包含與所有常用開(kāi)發(fā)環(huán)境的連接。對(duì)于其它需要可視化觀察大量測(cè)試數(shù)據(jù)的應(yīng)用，其他的工具或許有用。這些需求包括快速訪問(wèn)大量的離散數(shù)據(jù)、持續(xù)報(bào)告和數(shù)據(jù)可視化。這些軟件工具，針對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所采集到的數(shù)據(jù)和（或）仿真過(guò)程中所生成的數(shù)據(jù)，為管理、分析和報(bào)告這些數(shù)據(jù)提供輔助。

對(duì)于一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)，該軟件架構(gòu)中的每一層都應(yīng)當(dāng)予以重視。

5. 模塊化儀器——滿足自動(dòng)化測(cè)試的需求

隨著設(shè)備變得愈為復(fù)雜并涵蓋更多迥異的技術(shù)，測(cè)試系統(tǒng)必須變得更為靈活。測(cè)試系統(tǒng)必須適應(yīng)隨時(shí)變化的設(shè)備，然后與此同時(shí)，成本的壓力要求系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的生命周期。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一途徑便是采用一種軟件定義的模塊化架構(gòu)。通過(guò)共享組件、高速總線和開(kāi)放的用戶定義軟件，模塊化儀器便是滿足當(dāng)今和未來(lái)自動(dòng)化測(cè)試需求的最合適的選擇。

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