如何實(shí)現(xiàn)以軟件為核心設(shè)計(jì)模塊化儀器測(cè)試系統(tǒng)

如今，伴隨著測(cè)試需求的多樣化和復(fù)雜化，軟件定義的儀器系統(tǒng)已成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)和主流技術(shù)。軟件定義的模塊化系統(tǒng)不僅可以幫助用戶在提高效率的同時(shí)降低測(cè)試成本，還能滿足未來不斷升級(jí)擴(kuò)展的需要。

軟件定義的模塊化測(cè)試系統(tǒng)成為行業(yè)主流技術(shù)

當(dāng)今的電子產(chǎn)品（例如iPhone）不但集成越來越多的功能，而且越來越依重于通過軟件去定義產(chǎn)品功能。同樣地，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和客戶需求日益復(fù)雜的今天，用于測(cè)試測(cè)量的儀器系統(tǒng)也越來越突出軟件定義的作用。通過軟件定義硬件的功能，用戶能夠更快更靈活的配置測(cè)試系統(tǒng)，并滿足不斷改變的測(cè)試需求，例如同一個(gè)數(shù)字化儀可以實(shí)現(xiàn)示波器、頻譜分析儀和視頻分析儀等不同的功能。此外，通過軟件還可以自定義更加友好的人機(jī)界面。

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品所集成的多種功能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也為了達(dá)到更好的靈活性和可升級(jí)性，測(cè)試系統(tǒng)正逐漸朝著模塊化、小體積的方向發(fā)展，也就是將復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化成模塊化的硬件和軟件去逐一實(shí)現(xiàn)，需要增加測(cè)試項(xiàng)目時(shí)只需增加相應(yīng)的功能模塊即可滿足未來的升級(jí)需求。

基于這兩個(gè)發(fā)展方向，以軟件為核心的模塊化儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)和主流技術(shù)。相比于傳統(tǒng)儀器固定的功能配置和只是對(duì)“測(cè)試結(jié)果”的呈現(xiàn)，以軟件為核心的模塊化儀器技術(shù)賦予用戶更多自定義的測(cè)量功能?；谏虡I(yè)的高速總線（如PXI/PXI Express）可以確保大量原始數(shù)據(jù)的傳輸；一旦獲取了原始數(shù)據(jù)，就能發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義處理、分析、顯示、報(bào)告生成或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。例如利用軟件配置模塊化射頻儀器，并結(jié)合自定義的軟件調(diào)制與解調(diào)，就能在同樣的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種無線協(xié)議的測(cè)試，這也正體現(xiàn)了我們所說的軟件無線電的概念。

以軟件為核心的模塊化儀器五層架構(gòu)

具體而言，一個(gè)細(xì)化的以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)在許多企業(yè)都以該架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)五層架構(gòu)

結(jié)構(gòu)層次五：系統(tǒng)管理軟件

系統(tǒng)管理軟件層位于五層架構(gòu)的最高層。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，有些測(cè)試任務(wù)會(huì)根據(jù)待測(cè)設(shè)備（DUT）的不同而不同，如儀器配置、結(jié)果分析等；而有些對(duì)于所有的待測(cè)設(shè)備則是通用的，如測(cè)試流程的管理，測(cè)試報(bào)告的生成等。測(cè)試管理軟件的作用就是將通用任務(wù)分離出來，通過專業(yè)的軟件服務(wù)創(chuàng)建測(cè)試流程、集成報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫管理等功能。專業(yè)測(cè)試管理軟件（如NI TestStand）除提供上述功能，還內(nèi)建了并行和自動(dòng)協(xié)調(diào)測(cè)試工具可以幫助用戶大幅提升測(cè)試效率，增加系統(tǒng)吞吐量。

結(jié)構(gòu)層次四：應(yīng)用開發(fā)軟件

應(yīng)用開發(fā)軟件在測(cè)試架構(gòu)中扮演著承上啟下的作用。系統(tǒng)開發(fā)者需要借助它實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)量應(yīng)用程序、向最終用戶顯示必要的信息以及連接其它應(yīng)用程序；同時(shí)測(cè)試開發(fā)軟件需要通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與I/O連接。不僅如此，用于開發(fā)測(cè)量應(yīng)用的軟件，還需要集成強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和再現(xiàn)功能，并且是具有長(zhǎng)生命周期的主流軟件。NI的圖形化的編程軟件LabVIEW為用戶提供了高效而直觀的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序開發(fā)工具，滿足所有上述需求。對(duì)于習(xí)慣于文本編程的用戶，基于ANSI C的LabWindows/CVI和基于Microsoft Visual Studio的Measurement Studio也是不錯(cuò)的選擇。

結(jié)構(gòu)層次三：系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)層是連接軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備的紐帶。除了起到設(shè)備驅(qū)動(dòng)的作用，這一層應(yīng)該包含更多關(guān)于硬件配置管理，診斷測(cè)試等功能。例如，NI Measurement and Automation Explorer （MAX） 軟件可以幫助開發(fā)者對(duì)所有的NI硬件和通過總線相連的眾多傳統(tǒng)儀器進(jìn)行統(tǒng)一的自動(dòng)檢測(cè)和配置。系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動(dòng)還通過應(yīng)用編程接口（API）提供了對(duì)應(yīng)用開發(fā)軟件層的集成，這樣開發(fā)者可以很容易的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的編程，從而提高開發(fā)效率，減少維護(hù)成本。

結(jié)構(gòu)層次二：處理總線平臺(tái)

儀器總線種類很多，每一種都有其適合的應(yīng)用，例如GPIB總線目前還是最常見的臺(tái)式儀器控制總線；LAN/LXI總線特別適合于分布式的系統(tǒng)。為了發(fā)揮不同總線的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，許多測(cè)試應(yīng)用都基于混合總線測(cè)試系統(tǒng)。作為一個(gè)開放的、基于PC技術(shù)的測(cè)試測(cè)量平臺(tái)，PXI和PXI Express提供了業(yè)界最好的數(shù)據(jù)帶寬性能和背板集成的定時(shí)和同步功能，以其作為核心總線不會(huì)成為整個(gè)混合系統(tǒng)的傳輸瓶頸。同時(shí)PXI和PXI Express擁有和多種其它總線互連的軟硬件接口支持，使其成為混合總線測(cè)試平臺(tái)核心總線的理想選擇。

結(jié)構(gòu)層次一：儀器和設(shè)備I/O

作為系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，儀器和設(shè)備I/O層將直接接觸到實(shí)際的物理信號(hào)，完成信號(hào)調(diào)理、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等工作。模塊化的I/O主要是基于PXI和PXI Express總線的儀器，現(xiàn)在，有超過70家廠商提供超過1500種的PXI模塊化儀器，其中包括Agilent，Rhode & Schwarz，Keithley和NI在內(nèi)的眾多知名公司，產(chǎn)品覆蓋從數(shù)字化儀、信號(hào)發(fā)生、RF、電源到開關(guān)模塊等各種I/O模塊?；谀K化的軟件架構(gòu)和PXI/PXI Express為核心的控制模塊，用戶還可以輕松的集成基于GPIB，USB，LAN/LXI等總線的傳統(tǒng)儀器，保護(hù)原有投資價(jià)值。

以軟件為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用

如今，數(shù)以千計(jì)的公司采用了以軟件為核心的模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建儀器系統(tǒng)。例如，微軟基于NI LabVIEW和PXI模塊化儀器，為Xbox 360控制器設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)的速度是前一代測(cè)試系統(tǒng)的兩倍；華錄松下使用NI TestStand， NI LabVIEW和模塊化儀器為新型DVD刻錄機(jī)開發(fā)了完整的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，大大提高了效率。這樣的例子不勝枚舉。采用以軟件為核心的模塊化架構(gòu)不僅為可以加速測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，節(jié)省成本，而且基于該架構(gòu)，還能將最新的商業(yè)技術(shù)引入測(cè)試系統(tǒng)，開創(chuàng)創(chuàng)新應(yīng)用。這些應(yīng)用包括基于多核處理器的并行測(cè)試、基于FPGA的自定義儀器設(shè)計(jì)和硬件在環(huán)仿真、基于PXI Express總線和磁盤陣列技術(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)高速流盤等等。相信以軟件為核心的模塊化架構(gòu)未來仍將是測(cè)試技術(shù)的主流，并不斷深入每個(gè)測(cè)試領(lǐng)域，拓展新的應(yīng)用方向。

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