構(gòu)建新型儀器：軟件定義的儀器[圖] - 全文

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(rèn)識一樣，26年前，美國國家儀器通過NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，重新改變了人們對儀器的認(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(jìn)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(jì)算機(jī)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(kuò)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(jìn)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(jī)生產(chǎn)商正努力快速轉(zhuǎn)向基于軟件的智能手機(jī)?？蛻粝Ｍㄟ^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(yàn)至今最具靈活性的自定義測試儀器。

軟件設(shè)計(jì)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(jì)的儀器硬件，具有即時可用的特點(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。

·從集成一個固定功能的設(shè)備到設(shè)計(jì)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?；谛袠I(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(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)方案來替換固定的廠家定義的硬件，VST可幫助測試工程師設(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(jī)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(dú)立硬件上結(jié)合了射頻發(fā)生器和分析儀，因?yàn)檫@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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)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(qiáng)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(jì)出新的特性或提高現(xiàn)有儀器性能。軟件應(yīng)當(dāng)首先讓客戶在儀器中以系統(tǒng)級別對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jì)，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(shí)時處理器和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(shí)現(xiàn)。

自從1998年以來，經(jīng)過實(shí)際的驗(yàn)證，LabVIEW可應(yīng)用于實(shí)時系統(tǒng)的編程，從2003年起，LabVIEW即可直接對FPGA進(jìn)行編程。事實(shí)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(jì)挑戰(zhàn)。在CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)中管理視準(zhǔn)儀，在全球的醫(yī)生辦公室中控制激光進(jìn)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(qiáng)大的功能。

LabVIEW 2012提供了新的模板和范例項(xiàng)目，可應(yīng)用于大多數(shù)的NI硬件設(shè)備，包括VST。范例項(xiàng)目可以確保系統(tǒng)的質(zhì)量和可擴(kuò)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(qiáng)大的測試應(yīng)用起始點(diǎn)。所有的模板和范例項(xiàng)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(shí)踐方法。

圖3：用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊來對VST上的FPGA進(jìn)行編程，其具有整合浮點(diǎn)計(jì)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(jìn)行編程。諸如整合浮點(diǎn)計(jì)算和分析的功能可以提供給用戶更多的選擇進(jìn)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(rèn)知

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

通過軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jìn)行伺服

·軟件定義無線電以未來射頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jī)的出現(xiàn)一樣?，F(xiàn)在回頭去看，我們無法想象不能使用智能手機(jī)去實(shí)現(xiàn)無數(shù)應(yīng)用的生活，但當(dāng)?shù)谝徊恐悄苁謾C(jī)問世時，大多數(shù)的人還只是把它認(rèn)為是一部普通的手機(jī)。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？