構(gòu)建新型儀器：軟件定義的儀器[圖]

如同每個(gè)孩子所擁有的第一套LEGO®玩具改變了他們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)一樣，26年前，美國(guó)國(guó)家儀器通過(guò)NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，重新改變了人們對(duì)儀器的認(rèn)知。今年，NI將再次重演歷史，發(fā)布一款新型儀器，幫助測(cè)試工程師擺脫廠商定義儀器的束縛。

許多年來(lái)，儀器的基本模式?jīng)]有太大的改變。需要進(jìn)行測(cè)試工作的工程師和科學(xué)家必須先從測(cè)試測(cè)量供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)功能固定的硬件，然后在標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式計(jì)算機(jī)上使用諸如LabVIEW之類(lèi)的軟件，通過(guò)信號(hào)處理，決策，自動(dòng)化等方式擴(kuò)展硬件的功能。而模塊化儀器的出現(xiàn)是一個(gè)巨大的飛躍，并成為了自動(dòng)化測(cè)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(hù)無(wú)法對(duì)固件進(jìn)行更改以滿(mǎn)足特定的應(yīng)用需求。

然而，對(duì)于許多其他的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，固定功能的硬件理念已經(jīng)過(guò)時(shí)。傳統(tǒng)的手機(jī)生產(chǎn)商正努力快速轉(zhuǎn)向基于軟件的智能手機(jī)?？蛻?hù)希望通過(guò)在設(shè)備上運(yùn)行的軟件獲得更多的控制，使得他們的手機(jī)具備滿(mǎn)足特定個(gè)人需求的功能。而測(cè)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(hào)收發(fā)器（VST），來(lái)體驗(yàn)至今最具靈活性的自定義測(cè)試儀器。

軟件設(shè)計(jì)儀器具備的三個(gè)本質(zhì)特性：

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

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

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

使用開(kāi)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?；谛袠I(yè)領(lǐng)先的FPGA技術(shù)和完全基于LabVIEW編寫(xiě)開(kāi)源軟件和固件的原則，VST硬件設(shè)計(jì)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(jì)方案來(lái)替換固定的廠家定義的硬件，VST可幫助測(cè)試工程師設(shè)計(jì)出他們真正需要的儀器功能。

圖1：在NI PXIe-5644R VST的設(shè)計(jì)中，將矢量信號(hào)發(fā)生器和分析儀與一個(gè)FPGA相連接，這樣用戶(hù)可以在第一次射頻測(cè)試應(yīng)用中執(zhí)行閉環(huán)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試任務(wù)

VST還能幫助射頻工程師集成最多五個(gè)射頻通道（每個(gè)通道都具備射頻生成和采集功能）至一個(gè)PXI機(jī)箱，以滿(mǎn)足并行測(cè)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(gè)激勵(lì)，或者測(cè)量一個(gè)響應(yīng)；而VST在一個(gè)獨(dú)立硬件上結(jié)合了射頻發(fā)生器和分析儀，因?yàn)檫@兩個(gè)儀器都與一個(gè)FPGA相連接，用戶(hù)可以在這個(gè)FPGA中對(duì)固件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得他們?cè)诘谝淮紊漕l測(cè)試應(yīng)用中就能使用閉環(huán)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試功能。

通過(guò)將矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）和矢量信號(hào)分析儀（VSA）與LabVIEW可編程實(shí)時(shí)信號(hào)處理與控制相結(jié)合，VST具備了以下的特性：

·一個(gè)用戶(hù)可編程FPGA

·覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率范圍

·80 MHz實(shí)時(shí)射頻帶寬

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

·使用三個(gè)PXI Express插槽，降低成本，減小封裝

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

軟件使得矢量信號(hào)收發(fā)器更為強(qiáng)大

圖2：該LabVIEW 2012框圖展示了VST信號(hào)鏈的每一部分，從信號(hào)采集到校準(zhǔn)，再到數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及存儲(chǔ)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(shí)的工程師和科學(xué)家成功設(shè)計(jì)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(hù)在儀器中以系統(tǒng)級(jí)別對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以基本模塊完成圖形化和編程，來(lái)簡(jiǎn)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(hù)快速理解信號(hào)流，并且了解在什么時(shí)候該進(jìn)行怎樣的增加或修改。這能夠幫助客戶(hù)以層次化的方式深入了解每個(gè)抽象處理，訪問(wèn)儀器中的每一個(gè)功能。

編寫(xiě)軟件的語(yǔ)言應(yīng)當(dāng)兼顧微處理器和FPGA，使得用戶(hù)可以在任意位置利用這兩個(gè)處理器架構(gòu)的內(nèi)在并行性來(lái)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(jì)，以幫助那些更加熟悉傳統(tǒng)儀器的客戶(hù)立即獲取測(cè)量結(jié)果。

LabVIEW可以滿(mǎn)足上述的全部需求。它可以對(duì)在儀器上的FPGA、實(shí)時(shí)處理器和PC軟件并行編程進(jìn)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(guò)程。這種方法可以解決可視化的問(wèn)題，并能夠在同一個(gè)程序框圖中實(shí)現(xiàn)。