對新型儀器的全新認知：軟件定義的儀器 - 全文

——LabVIEW軟件結(jié)合創(chuàng)新型硬件，為儀器設(shè)備帶來永久性的變化

　　如同每個孩子所擁有的第一套LEGO?玩具改變了他們對世界的認識一樣，26年前，美國國家儀器通過NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件，重新改變了人們對儀器的認知。今年，NI將再次重演歷史，發(fā)布一款新型儀器，幫助測試工程師擺脫廠商定義儀器的束縛。

　　許多年來，儀器的基本模式?jīng)]有太大的改變。需要進行測試工作的工程師和科學(xué)家必須先從測試測量供應(yīng)商處購買功能固定的硬件，然后在標(biāo)準(zhǔn)臺式計算機上使用諸如LabVIEW之類的軟件，通過信號處理，決策，自動化等方式擴展硬件的功能。而模塊化儀器的出現(xiàn)是一個巨大的飛躍，并成為了自動化測試系統(tǒng)的既定標(biāo)準(zhǔn)。但是模塊化儀器中的許多功能已由廠家在嵌入式固件中定義完畢，用戶無法對固件進行更改以滿足特定的應(yīng)用需求。

　　然而，對于許多其他的應(yīng)用來說，固定功能的硬件理念已經(jīng)過時。傳統(tǒng)的手機生產(chǎn)商正努力快速轉(zhuǎn)向基于軟件的智能手機?？蛻粝Ｍㄟ^在設(shè)備上運行的軟件獲得更多的控制，使得他們的手機具備滿足特定個人需求的功能。而測試設(shè)備也不外乎此。

　　您現(xiàn)在可以使用首款軟件定義的儀器，NI PXIe-5644R矢量信號收發(fā)器（VST），來體驗至今最具靈活性的自定義測試儀器。

　　軟件設(shè)計儀器具備的三個本質(zhì)特性：

　　· 使用基于FPGA的開源固件設(shè)計的儀器硬件，具有即時可用的特點，并包含豐富的范例代碼。

　　· 優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計軟件能夠降低自定義硬件儀器設(shè)計的復(fù)雜度。

　　· 從集成一個固定功能的設(shè)備到設(shè)計出用戶真正需要的儀器，這是一個根本性的理念改變。

　　使用開源的基于FPGA固件的硬件

　　新的NI PXIe-5644R VST尺寸更小，成本更低，能更加徹底地以軟件為核心。基于行業(yè)領(lǐng)先的FPGA技術(shù)和完全基于LabVIEW編寫開源軟件和固件的原則，VST硬件設(shè)計可以盡可能地將射頻轉(zhuǎn)換成比特。使用靈活的軟件設(shè)計方案來替換固定的廠家定義的硬件，VST可幫助測試工程師設(shè)計出他們真正需要的儀器功能。

　　圖1：在NI PXIe-5644R VST的設(shè)計中，將矢量信號發(fā)生器和分析儀與一個FPGA相連接，這樣用戶可以在第一次射頻測試應(yīng)用中執(zhí)行閉環(huán)的系統(tǒng)級測試任務(wù)

　　VST還能幫助射頻工程師集成最多五個射頻通道（每個通道都具備射頻生成和采集功能）至一個PXI機箱，以滿足并行測試需求和多輸入多輸出（MIMO）應(yīng)用需求。大多數(shù)的傳統(tǒng)儀器解決方案提供一個激勵，或者測量一個響應(yīng)；而VST在一個獨立硬件上結(jié)合了射頻發(fā)生器和分析儀，因為這兩個儀器都與一個FPGA相連接，用戶可以在這個FPGA中對固件進行設(shè)計，使得他們在第一次射頻測試應(yīng)用中就能使用閉環(huán)的系統(tǒng)級測試功能。

　　通過將矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）與LabVIEW可編程實時信號處理與控制相結(jié)合，VST具備了以下的特性：

　　· 一個用戶可編程FPGA

　　· 覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率范圍

　　· 80 MHz實時射頻帶寬

　　· 結(jié)合了射頻發(fā)生器和分析儀，以及一個高速數(shù)字I/O端口

　　· 使用三個PXI Express插槽，降低成本，減小封裝

　　· 支持最新的無線標(biāo)準(zhǔn)（802.11ac和 LTE）

　　軟件使得矢量信號收發(fā)器更為強大

圖2：該LabVIEW 2012框圖展示了VST信號鏈的每一部分，從信號采集到校準(zhǔn)，再到數(shù)字信號處理（DSP）及存儲于內(nèi)存中

　　LabVIEW軟件結(jié)合該新型射頻儀器，能夠幫助所有具備射頻知識的工程師和科學(xué)家成功設(shè)計出新的特性或提高現(xiàn)有儀器性能。軟件應(yīng)當(dāng)首先讓客戶在儀器中以系統(tǒng)級別對軟件進行設(shè)計，以基本模塊完成圖形化和編程，來簡化儀器的復(fù)雜度。接著，軟件應(yīng)當(dāng)在底層抽象化射頻儀器軟件和固件的復(fù)雜度，使用戶快速理解信號流，并且了解在什么時候該進行怎樣的增加或修改。這能夠幫助客戶以層次化的方式深入了解每個抽象處理，訪問儀器中的每一個功能。

　　編寫軟件的語言應(yīng)當(dāng)兼顧微處理器和FPGA，使得用戶可以在任意位置利用這兩個處理器架構(gòu)的內(nèi)在并行性來執(zhí)行自定義功能。最后，軟件應(yīng)當(dāng)提供良好的參考設(shè)計，以幫助那些更加熟悉傳統(tǒng)儀器的客戶立即獲取測量結(jié)果。

　　LabVIEW可以滿足上述的全部需求。它可以對在儀器上的FPGA、實時處理器和PC軟件并行編程進行優(yōu)化。其天生的數(shù)據(jù)流編程模型也能提供直觀的方式，顯示數(shù)據(jù)從I/O管腳輸入到應(yīng)用程序的過程。這種方法可以解決可視化的問題，并能夠在同一個程序框圖中實現(xiàn)。

　　自從1998年以來，經(jīng)過實際的驗證，LabVIEW可應(yīng)用于實時系統(tǒng)的編程，從2003年起，LabVIEW即可直接對FPGA進行編程。事實上，多年來通過基于LabVIEW的可重復(fù)配置I/O（RIO）構(gòu)架的產(chǎn)品，LabVIEW已經(jīng)能夠應(yīng)對高性能、確定性任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)。在CERN的大型強子對撞機中管理視準(zhǔn)儀，在全球的醫(yī)生辦公室中控制激光進行白內(nèi)障手術(shù)，構(gòu)建未來可再生能源的獲取和分布式系統(tǒng)，這些都是LabVIEW用于確定性、高性能要求應(yīng)用中的案例。NI PXIe-5644R VST的發(fā)布為射頻領(lǐng)域的工程師也帶來了這些強大的功能。

　　LabVIEW 2012提供了新的模板和范例項目，可應(yīng)用于大多數(shù)的NI硬件設(shè)備，包括VST。范例項目可以確保系統(tǒng)的質(zhì)量和可擴展性，并包含了可以使VST作為VSA和VSG工作于嵌入式射頻流盤應(yīng)用的軟件，從而給予用戶一個強大的測試應(yīng)用起始點。所有的模板和范例項目都是開源的，并且包含了相關(guān)文檔，清楚地闡明了應(yīng)用方法，以及增加或修改功能的最佳實踐方法。

圖3：用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊來對VST上的FPGA進行編程，其具有整合浮點計算和分析的特性

　　用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊（在最新的2012版本中還增加了許多新的功能）對VST上的FPGA進行編程。諸如整合浮點計算和分析的功能可以提供給用戶更多的選擇進行代碼移植和復(fù)用，并提供了一個新的優(yōu)化技術(shù)以生成高性能的FPGA IP核。

　　對儀器的全新認知

　　在經(jīng)過數(shù)十年學(xué)習(xí)如何對廠家定義的儀器進行編程后，用戶現(xiàn)在可以使用NI PXIe-5644R VST和LabVIEW來設(shè)計自己的儀器。

　　通過軟件設(shè)計的方法，用戶不用再去問：“我如何才能讓這個盒子發(fā)揮廠家預(yù)先設(shè)計的功能？”相反地，用戶會開始問：“如果我能讓這臺儀器做我想讓它做的事情，我會讓它做什么，我該如何去做呢？”

　　較早使用VST的用戶將他們的設(shè)備用于以下應(yīng)用：

　　· 將協(xié)議嵌入到儀器中以搭建協(xié)議感知的射頻測試器

　　· 通過整合的實時通道模型來仿真現(xiàn)場射頻設(shè)備測試

　　· 使用硬件在環(huán)技術(shù)對射頻功率放大器的非線性進行伺服

　　· 軟件定義無線電以未來射頻標(biāo)準(zhǔn)進行原型開發(fā)

　　對于部分人來說，其應(yīng)用和未來的發(fā)展是顯而易見的；而其他的人則會需要一段時間才會接受這個新方法。就如同當(dāng)年用戶授權(quán)的智能手機的出現(xiàn)一樣。現(xiàn)在回頭去看，我們無法想象不能使用智能手機去實現(xiàn)無數(shù)應(yīng)用的生活，但當(dāng)?shù)谝徊恐悄苁謾C問世時，大多數(shù)的人還只是把它認為是一部普通的手機。一旦軟件定義的儀器成為主流，你對儀器的看法又會如何改變呢？

　　了解VST的詳情請訪問www.ni.com/vst/zhs

　　作者： Charles Schroeder， 美國國家儀器公司測試市場部總監(jiān)