模塊化儀器系統(tǒng)如何滿足自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備需求

1. 模塊化儀器系統(tǒng)——靈活的、用戶可以定制的軟件和可擴(kuò)展的硬件組件

設(shè)備的日趨復(fù)雜和技術(shù)的漸進(jìn)融合，正驅(qū)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)具有更長的生命周期，測(cè)試系統(tǒng)更加需要考慮能夠容納設(shè)備隨時(shí)間帶來的各種變化。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一方式便是采用一種軟件定義的模塊化架構(gòu)。該白皮書將通過虛擬儀器系統(tǒng)引入軟件定義的概念，為硬件平臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)提供多種選擇，并討論模塊化儀器系統(tǒng)是如何滿足自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）的要求。

就其本質(zhì)而言，目前有兩種類型的儀器系統(tǒng)，虛擬儀器系統(tǒng)和傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)。圖1描述了這兩種類型儀器系統(tǒng)的架構(gòu)。

圖1。比較傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)和虛擬儀器系統(tǒng)的架構(gòu)：兩者具有相似的硬件組件，兩種架構(gòu)的主要差別在于軟件所在的位置以及是否可以被用戶訪問。

上述兩個(gè)框圖展示了這兩種類型儀器系統(tǒng)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、一條總線、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，所以單從硬件的角度來看，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（或分立）儀器將其所有組件放置在同一個(gè)機(jī)箱（這個(gè)機(jī)箱適用于任何一個(gè)分立儀器）中。一個(gè)通過GPIB、USB或LAN/局域網(wǎng)控制的手動(dòng)儀器便是臺(tái)式儀器的一個(gè)典型。這些儀器是作為分立器件設(shè)計(jì)的，其主要設(shè)計(jì)目的并不是集成為系統(tǒng)使用。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，通過固件的更新）。因此，用戶不可能通過傳統(tǒng)儀器進(jìn)行其功能列表未囊括的測(cè)量，而且，這使得根據(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)，都極具挑戰(zhàn)性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，由軟件定義的虛擬儀器使得用戶可以直接訪問硬件上的原始數(shù)據(jù)，以便定義用戶自己的測(cè)量和用戶界面。通過這種軟件定義的方式，用戶可以進(jìn)行定制的測(cè)量，根據(jù)新誕生的標(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）。盡管用戶定義的軟件也可應(yīng)用于分立的專用硬件，但其最理想的搭配還是通用的模塊化硬件，通過這種結(jié)合，測(cè)量軟件的靈活性和性能都可以得到充分的利用。這種靈活的、用戶定義的軟件與可擴(kuò)展的硬件組件的組合，便是模塊化儀器系統(tǒng)的核心所在。

2. 支持系統(tǒng)可擴(kuò)展性的模塊化硬件

模塊化儀器系統(tǒng)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——為多個(gè)儀器模塊所共用，而不是為每一個(gè)儀器重復(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，例如示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字化儀以及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)端口或插槽的外設(shè)。在此情形下，主機(jī)PC提供用以運(yùn)行測(cè)量軟件的處理器，以及電源和I/O以及機(jī)箱。

圖2。模塊化儀器系統(tǒng)可選的測(cè)量硬件的示例：左圖為一個(gè)USB外設(shè)模塊，右圖為一個(gè)快速PCI插入式模塊。

在另一些情形下，例如PXI（面向儀器的PCI拓展系統(tǒng)）——一個(gè)面向測(cè)試、測(cè)量和控制的堅(jiān)固平臺(tái)，并為超過70個(gè)成員公司所支持——其測(cè)量硬件被安裝于一個(gè)工業(yè)機(jī)箱內(nèi)（如圖3所示）。

圖3。該模塊化儀器系統(tǒng)的范例使用PXI硬件和NI LabVIEW圖形化開發(fā)軟件。

對(duì)于一個(gè)PXI系統(tǒng)，其主機(jī)可以嵌入于機(jī)箱（如圖3所示），或者是一個(gè)分離的便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器，它通過有線接口控制測(cè)量硬件。由于PXI系統(tǒng)使用與PC內(nèi)部總線相同的總線（PCI和PCIe）和現(xiàn)成可用的PC組件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，因此，無論是使用PXI系統(tǒng)還是PC，均可作為模塊化儀器系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。（然而，PXI為模塊化儀器系統(tǒng)提供了一些獨(dú)有優(yōu)點(diǎn)，如更高的通道數(shù)、便攜性和堅(jiān)固性（如欲了解關(guān)于PXI的更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問ni.com/pxi）。）不論系統(tǒng)使用了PXI、帶有內(nèi)插式模塊或是帶有I/O外設(shè)模塊的臺(tái)式機(jī)，這種共享機(jī)箱和處理器的方式不僅大大地降低了成本，同時(shí)還支持用戶對(duì)測(cè)量與分析軟件的控制。雖然模塊化儀器系統(tǒng)也存在許多種配置選擇，但該類型儀器系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的區(qū)別之處在于，其軟件是開放的，以便在測(cè)試需求發(fā)生變化或傳統(tǒng)儀器無法完成測(cè)量時(shí)，用戶可以定義自己所需的測(cè)量。

值得注意的是，這種模塊化方法并不意味著，與將所有的功能集結(jié)在單一盒子內(nèi)的傳統(tǒng)儀器相比較，會(huì)存在儀器或通道間同步的問題。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儀器可以實(shí)現(xiàn)儀器間偏移低于100 ps的相互同步——優(yōu)于同一臺(tái)儀器的多個(gè)通道間的同步偏移。

3. 模塊化降低成本，減小尺寸，提高吞吐量，并拓展生命周期

雖然術(shù)語“模塊化”有時(shí)會(huì)僅僅狹隘的僅用于基于硬件封裝，但模塊化儀器系統(tǒng)所涵蓋的內(nèi)容遠(yuǎn)不止封裝。用戶應(yīng)當(dāng)期望模塊化儀器系統(tǒng)帶來三方面的收益——更低的成本與更小的尺寸（通過共用機(jī)箱、背板和處理器），更高的吞吐量（通過與主機(jī)處理器的高速連接），以及更高的靈活性與更長的生命周期（通過用戶定義的軟件）。

如上詳述，模塊化儀器系統(tǒng)中的所有儀器共用同一個(gè)電源、機(jī)箱和控制器。而分立儀器則為每一個(gè)儀器重復(fù)配置電源供應(yīng)、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，每個(gè)自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)僅需要一個(gè)PC，不論該P(yáng)C使用怎樣的總線；所有儀器都基于模塊化架構(gòu)，為整個(gè)系統(tǒng)分擔(dān)了成本。在模塊化儀器系統(tǒng)中，G赫茲PC處理器分析數(shù)據(jù)并利用軟件完成測(cè)量。其測(cè)量吞吐量是傳統(tǒng)儀器（這些儀器使用內(nèi)置的廠商定義的固件和專用處理器）的十倍到百倍。例如，一個(gè)典型的向量信號(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——達(dá)到近33倍的改進(jìn)。

模塊化儀器需要一個(gè)高帶寬、低時(shí)延的總線，實(shí)現(xiàn)從儀器模塊到共享處理器的連接，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PCIe（以及基于這些總線拓展而得的PXI平臺(tái)）在模塊化儀器系統(tǒng)中提供了最佳的性能。目前，PCIe提供高達(dá)4 GB/s的插槽帶寬，——超過高速USB的33倍，是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）總是通過一個(gè)內(nèi)部總線（例如PCIe）與PC處理器相連，因而性能不會(huì)很高。我們來看一個(gè)高速總線如何影響測(cè)試與測(cè)量的范例，我們考慮一個(gè)模塊化RF采集系統(tǒng)。在一個(gè)臺(tái)式機(jī)或一個(gè)帶有4個(gè)2 GB/s插槽的PXI系統(tǒng)，可以將兩個(gè)通道的100 MS/s、16-位IF（中頻）數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式直接傳輸?shù)揭粋€(gè)處理器供運(yùn)算處理。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。

圖4。PCI與PCIe提供了最高的帶寬和最低的時(shí)延，從而縮短了測(cè)試時(shí)間并通過用戶定義的軟件實(shí)現(xiàn)了高靈活性和長生命周期。

在模塊化儀器中，與主機(jī)的高速連接實(shí)現(xiàn)了該儀器的高靈活性和更長的生命周期，因?yàn)樗С周浖v留于該主機(jī)，而不是駐留在該儀器。利用該主機(jī)上運(yùn)行的軟件，用戶（而不是廠商）可以定義儀器的運(yùn)行方式。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、非模塊化方法中的測(cè)量；2）為尚未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建測(cè)量；以及3）定義用于進(jìn)行特殊測(cè)量的算法。軟件的用戶定義也意味著，您可以在受測(cè)設(shè)備發(fā)生變化時(shí)增加或調(diào)整測(cè)量。您也可以利用軟件直接訪問跨網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視或控制這些模塊化儀器。

值得注意的是，這些硬件實(shí)現(xiàn)方式并沒有犧牲測(cè)量性能。目前，利用模塊化儀器系統(tǒng)搭建的儀器包括業(yè)界最高精度的數(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)字萬用表。

4. 支持靈活、定制測(cè)量的軟件

軟件在模塊化儀器系統(tǒng)中的作用非常重要。軟件將來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)兼顧軟件的多個(gè)層次，包括I/O驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序開發(fā)和測(cè)試管理，如圖5所示。

圖5。一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)中常用的軟件層次。。

位于最底層的是測(cè)量與控制服務(wù)層，，雖然常常被忽視，它仍然是一個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)最為關(guān)鍵的要素之一。該層代表了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峁┝藴y(cè)試開發(fā)軟件和用于測(cè)量與控制的硬件之間的連接。

儀器驅(qū)動(dòng)程序提供一組面向與儀器交互的高層次的、用戶可讀的函數(shù)。每個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)特定的儀器模型，以提供一個(gè)訪問該儀器獨(dú)特功能的接口。在一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序中，與開發(fā)環(huán)境的集成尤為重要，因?yàn)檫@關(guān)系著儀器的命令能否與應(yīng)用開發(fā)無縫集成。系統(tǒng)開發(fā)人員需要專為他們所選的開發(fā)環(huán)境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）而優(yōu)化的儀器驅(qū)動(dòng)程序接口。

同樣包含在測(cè)量與控制服務(wù)層中的還有配置工具。這些配置工具包括用于I/O的配置和測(cè)試資源，以及存儲(chǔ)擴(kuò)展、校準(zhǔn)和通道相關(guān)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。

應(yīng)用開發(fā)環(huán)境層中的軟件提供了用于開發(fā)應(yīng)用所需的代碼或規(guī)程的工具。雖然圖形化編程并不是模塊化儀器系統(tǒng)所必需的，但這些系統(tǒng)通常使用圖形化工具，以保證其易用性和快速開發(fā)。圖形化編程使用“圖標(biāo)”或符號(hào)函數(shù)，它們以圖示方式表示所要執(zhí)行的操作，如圖6所示。這些符號(hào)通過“連線”相連，以傳遞數(shù)據(jù)并確定其執(zhí)行的順序。LabVIEW提供了業(yè)界最常用的、也是最完整的圖形化開發(fā)環(huán)境。

圖6。用于一個(gè)典型的激勵(lì)/響應(yīng)應(yīng)用（采用模塊化儀器系統(tǒng)）的代碼，采用LabVIEW編寫，1）通過一個(gè)任意波形發(fā)生器生成一個(gè)信號(hào)；2）利用一個(gè)數(shù)字化儀/示波器采集該信號(hào)；3）執(zhí)行快速付立葉變換；以及4）在用戶界面（前面板）上繪制FFT的結(jié)果。

一些應(yīng)用還需要一個(gè)附加的軟件管理層，用于測(cè)試執(zhí)行或測(cè)試數(shù)據(jù)的可視化。這一要求在系統(tǒng)管理軟件層得以體現(xiàn)。對(duì)于高度自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試管理軟件提供了一個(gè)面向順序執(zhí)行、分支/循環(huán)、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫集成的框架。測(cè)試管理工具還必須能夠緊密集成專用代碼的開發(fā)環(huán)境。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)庫集成的這樣一個(gè)框架，并包含了與所有常用開發(fā)環(huán)境的連接。而其他一些工具可能對(duì)其它需要觀察大量測(cè)試數(shù)據(jù)的應(yīng)用起到幫助。這些需求包括快速訪問大量散落的數(shù)據(jù)、一致的報(bào)告和數(shù)據(jù)的可視化。這些軟件工具，針對(duì)采集過程中所采集的數(shù)據(jù)和（或）仿真過程中所生成的數(shù)據(jù)，為管理、分析和報(bào)告這些數(shù)據(jù)提供輔助功能。

對(duì)于模塊化儀器系統(tǒng)，該軟件架構(gòu)中的每一層都應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮。

5. 模塊化儀器系統(tǒng)——滿足自動(dòng)化測(cè)試的需要

當(dāng)設(shè)備變得愈為復(fù)雜并涵蓋更多迥異的技術(shù)時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)必須變得更為靈活。雖然測(cè)試系統(tǒng)必須容納隨時(shí)間變化的設(shè)備，但成本的壓力要求系統(tǒng)具有更長的生命周期。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一方式便是，采用一種軟件定義的模塊化架構(gòu)。通過共享組件、高速總線和開放的、用戶定義的軟件，模塊化儀器系統(tǒng)最佳地滿足了ATE的目前需求和未來的需要。

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