模塊化儀器系統(tǒng)如何滿足自動(dòng)化測試設(shè)備的需求

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

設(shè)備的日益復(fù)雜和技術(shù)的逐步融合自動(dòng)測量設(shè)備，正在推動(dòng)測試系統(tǒng)變得更加靈活。雖然成本壓力要求系統(tǒng)具有更長的生命周期，但測試系統(tǒng)需要考慮適應(yīng)設(shè)備隨時(shí)間推移帶來的各種變化的能力。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一方法是采用軟件定義的模塊化架構(gòu)。本白皮書將通過虛擬儀器系統(tǒng)介紹軟件定義的概念，為硬件平臺和軟件實(shí)現(xiàn)提供多種選擇，并討論模塊化儀器系統(tǒng)如何滿足自動(dòng)化測試設(shè)備（ATE）的要求。

就其本質(zhì)而言，目前有兩種儀器系統(tǒng)，一種是虛擬儀器系統(tǒng)，一種是傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)。圖 1 描述了這兩種儀器系統(tǒng)的架構(gòu)。

圖1. 傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)與虛擬儀器系統(tǒng)架構(gòu)對比：兩者硬件組成相似，兩種架構(gòu)的主要區(qū)別在于軟件的位置和用戶是否可以訪問。

以上兩個(gè)框圖顯示了這兩種儀器系統(tǒng)之間的相似之處。兩者都有測量硬件、機(jī)箱、電源、總線、處理器、操作系統(tǒng)和用戶界面。由于這兩種儀器使用相同的基本組件，從硬件的角度來看，兩者最明顯的區(qū)別在于這些組件的封裝方式。傳統(tǒng)（或離散）儀器將其所有組件放在同一個(gè)機(jī)箱中（該機(jī)箱適用于任何離散儀器）。通過 GPIB、USB 或 LAN/局域網(wǎng)控制的手動(dòng)儀器是臺式儀器的典型示例。這些儀器被設(shè)計(jì)為分立設(shè)備，其主要設(shè)計(jì)目的不是為了系統(tǒng)使用而集成。雖然有大量的傳統(tǒng)樂器，就儀器本身而言，它的軟件處理和用戶界面是固定的，只有在制造商選擇更新時(shí)才能更新，而如何更新也取決于制造商的選擇（例如通過固件更新）。因此，用戶無法使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行功能列表中未包含的測量。此外，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量或根據(jù)需求變化調(diào)整原始系統(tǒng)變得極具挑戰(zhàn)性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。用戶無法使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行功能列表中未包含的測量。此外，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量或根據(jù)需求變化調(diào)整原始系統(tǒng)變得極具挑戰(zhàn)性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。用戶無法使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行功能列表中未包含的測量。此外，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量或根據(jù)需求變化調(diào)整原始系統(tǒng)變得極具挑戰(zhàn)性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，由軟件定義的虛擬儀器允許用戶直接訪問硬件上的原始數(shù)據(jù)，以便定義自己的測量和用戶界面。通過這種軟件定義的方法，用戶可以進(jìn)行自定義測量，根據(jù)新產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，或者根據(jù)需求的變化（例如，添加儀器、通道或測量）來調(diào)整系統(tǒng)。雖然用戶自定義軟件也可以應(yīng)用于分立的專用硬件，但最理想的組合是通用模塊化硬件。通過這種組合，可以充分利用測量軟件的靈活性和性能。這種靈活的、用戶定義的軟件和可擴(kuò)展硬件組件的組合是模塊化儀器系統(tǒng)的核心。

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)可以采用多種形式。在設(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）由多個(gè)儀器模塊共享，而不是為每個(gè)儀器重新配置這些組件。這些儀器模塊還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)字化儀和 RF。在某些情況下（如圖 2 所示），測量硬件只是安裝在主機(jī)端口或插槽中的外圍設(shè)備。在這種情況下，主機(jī) PC 提供處理器來運(yùn)行測量軟件，以及電源和 I/O 以及機(jī)箱。

圖2. 模塊化儀器系統(tǒng)可選測量硬件示例：左圖為USB外圍模塊，右圖為快速PCI插件模塊。

在其他情況下，例如PXI（PCI Expansion System for Instrumentation）——一個(gè)堅(jiān)固的測試、測量和控制平臺，得到70多家成員公司的支持——測量硬件安裝在工業(yè)機(jī)箱中（如圖3所示） .

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

對于 PXI 系統(tǒng)，主機(jī)可以嵌入機(jī)箱（如圖 3 所示），或單獨(dú)的便攜式計(jì)算機(jī)、臺式機(jī)或服務(wù)器，通過有線接口控制測量硬件。由于PXI系統(tǒng)使用與PC內(nèi)部總線相同的總線（PCI和PCIe）和即用型PC組件來控制系統(tǒng)，無論是PXI系統(tǒng)還是PC，都可以作為硬件平臺模塊化儀器系統(tǒng)。（然而，PXI 為模塊化儀器系統(tǒng)提供了一些獨(dú)特的優(yōu)勢，例如更高的通道數(shù)、便攜性和穩(wěn)健性（有關(guān) PXI 的更多信息，請?jiān)L問 /pxi）。）無論系統(tǒng)使用情況 除 PXI 外，帶有插頭的臺式計(jì)算機(jī)-in 模塊或 I/O 外圍模塊，這種共享機(jī)箱和處理器的方式不僅大大降低了成本，而且還支持用戶對測量分析軟件的控制。雖然模塊化儀器系統(tǒng)有很多配置選項(xiàng)，但這種儀器系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的區(qū)別在于軟件是開放的，用戶可以定義何時(shí)測試要求發(fā)生變化或傳統(tǒng)儀器無法完成測量. 您需要的測量值。

值得注意的是，這種模塊化方式并不意味著與將所有功能集于一身的傳統(tǒng)儀器相比自動(dòng)測量設(shè)備，儀器或通道之間的同步會(huì)出現(xiàn)問題。相反，模塊化儀器旨在集成以供系統(tǒng)使用。所有模塊化儀器都通過共享時(shí)鐘和觸發(fā)器提供定時(shí)和同步功能。例如，在最高同步精度方面，基帶、中頻和射頻儀器可以實(shí)現(xiàn)儀器間偏移小于100 ps的相互同步——優(yōu)于同一儀器多個(gè)通道之間的同步偏移。

3. 模塊化降低成本、縮小尺寸、提高吞吐量、延長生命周期

盡管術(shù)語“模塊化”有時(shí)僅用于基于硬件的封裝，但模塊化儀器系統(tǒng)的內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出封裝。用戶應(yīng)該期望模塊化儀器系統(tǒng)帶來三個(gè)好處——更低的成本和更小的尺寸（通過共享機(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）以及更高的靈活性和更長的生命周期（通過用戶定義的軟件）。

如上所述，模塊化儀器系統(tǒng)中的所有儀器共享相同的電源、機(jī)箱和控制器。對于分立儀器，電源、機(jī)箱和/或控制器為每臺儀器重復(fù)配置，從而增加成本和尺寸并降低可靠性。事實(shí)上，每個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)只需要一臺PC，無論P(yáng)C使用何種總線；所有儀器均基于模塊化架構(gòu)，分擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的成本。在模塊化儀器系統(tǒng)中，G Hertz PC 處理器分析數(shù)據(jù)并使用軟件完成測量。其測量吞吐量是傳統(tǒng)儀器（這些儀器使用內(nèi)置供應(yīng)商定義的固件和專用處理器）的十到一百倍。比如一個(gè)典型的矢量信號分析儀（VSA）就可以完成0.

模塊化儀器需要高帶寬、低延遲的總線來從儀器模塊連接到共享處理器以執(zhí)行用戶定義的測量。盡管 USB 在易用性方面提供了出色的用戶體驗(yàn)，但 PCI 和 PCIe（以及基于這些總線擴(kuò)展的 PXI 平臺）在模塊化儀器系統(tǒng)中提供了最佳性能。目前PCIe提供高達(dá)4GB/s的插槽帶寬，是高速USB的33倍，100Mb/s以太網(wǎng)的160倍，甚至是即將到來的千兆以太網(wǎng)的16倍（圖4） ) 顯示)。外圍總線（如 LAN 和 USB）總是通過內(nèi)部總線（如 PCIe）連接到 PC 處理器，因此性能不會(huì)很高。讓我們看一個(gè)高速總線如何影響測試和測量的例子。讓' s 考慮一個(gè)模塊化 RF 采集系統(tǒng)。在臺式機(jī)或具有 4 個(gè) 2 GB/s 插槽的 PXI 系統(tǒng)中，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)流的形式直接傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行計(jì)算處理。由于 LAN 和 USB 都無法滿足這些要求，因此需要提供這種性能水平的儀器總是包括一個(gè)嵌入式的、供應(yīng)商定義的處理器來完成測量——這樣的儀器不再是模塊化的。

圖 4. PCI 和 PCIe 提供最高帶寬和最低延遲，從而通過用戶自定義軟件縮短測試時(shí)間并實(shí)現(xiàn)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)了儀器的高靈活性和更長的生命周期，因?yàn)樗С周浖v留在主機(jī)而不是儀器上。通過在主機(jī)上運(yùn)行的軟件，用戶（而非制造商）可以定義儀器的操作方式。這樣的架構(gòu)使您能夠： 1） 進(jìn)行不常見的測量，無法包含在典型的、供應(yīng)商定義的、非模塊化方法中；2） 為尚未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建度量；和 3） 定義用于進(jìn)行特殊測量的算法。該軟件的用戶定義還意味著您可以在被測設(shè)備發(fā)生變化時(shí)添加或調(diào)整測量。

值得注意的是，這些硬件實(shí)現(xiàn)并沒有犧牲測量性能。目前，采用模塊化儀器系統(tǒng)構(gòu)建的儀器包括業(yè)界精度最高的數(shù)字化儀、帶寬最高的任意波形發(fā)生器、精度最高的7位半數(shù)字萬用表。

4. 支持靈活定制測量的軟件

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)換為有用的測量值。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的模塊化儀器系統(tǒng)會(huì)考慮多個(gè)級別的軟件，包括 I/O 驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序開發(fā)和測試管理，如圖 5 所示。

圖 5. 模塊化儀器系統(tǒng)中常用的軟件級別。.

最底層是測控服務(wù)層。雖然經(jīng)常被忽視，但它仍然是模塊化儀器系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元素之一。這一層代表 I/O 驅(qū)動(dòng)軟件和硬件配置工具。該驅(qū)動(dòng)程序軟件非常關(guān)鍵，因?yàn)樗峁┝藴y試開發(fā)軟件與用于測量和控制的硬件之間的連接。

儀器驅(qū)動(dòng)程序提供了一組用于與儀器交互的高級用戶可讀函數(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)接口來訪問儀器的獨(dú)特功能。在儀器驅(qū)動(dòng)中，與開發(fā)環(huán)境的集成尤為重要，因?yàn)樗P(guān)系到儀器的命令能否與應(yīng)用開發(fā)無縫集成。系統(tǒng)開發(fā)人員需要針對他們選擇的開發(fā)環(huán)境（例如 NI LabVIEW、C、C++ 或 Microsoft .NET）優(yōu)化的儀器驅(qū)動(dòng)程序接口。

測控服務(wù)層還包括配置工具。這些配置工具包括 I/O 的配置和測試資源，以及存儲擴(kuò)展、校準(zhǔn)和通道相關(guān)信息。這些工具對于儀器系統(tǒng)的快速構(gòu)建、故障排除和維護(hù)非常重要。

應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境層的軟件提供了開發(fā)應(yīng)用程序所需的代碼或程序的工具。雖然模塊化儀器系統(tǒng)不需要圖形化編程，但這些系統(tǒng)通常使用圖形工具來確保易用性和快速開發(fā)。圖形編程使用“圖標(biāo)”或符號函數(shù)，它們以圖形方式表示要執(zhí)行的操作，如圖 6 所示。這些符號通過“連線”連接以傳輸數(shù)據(jù)并確定它們的執(zhí)行順序。LabVIEW提供了業(yè)界最常用、最完整的圖形化開發(fā)環(huán)境。

圖 6. 用 LabVIEW 編寫的典型激勵(lì)/響應(yīng)應(yīng)用程序（使用模塊化儀器系統(tǒng)）的代碼，1） 通過任意波形發(fā)生器生成信號；2） 使用數(shù)字化儀/示波器采集信號；3） 進(jìn)行快速傅立葉變換；4） 在用戶界面（前面板）上繪制 FFT 結(jié)果。

一些應(yīng)用程序還需要一個(gè)額外的軟件管理層來執(zhí)行測試或測試數(shù)據(jù)的可視化。這個(gè)需求體現(xiàn)在系統(tǒng)管理軟件層。對于高度自動(dòng)化的測試系統(tǒng)，測試管理軟件提供了一個(gè)用于順序執(zhí)行、分支/循環(huán)、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫集成的框架。測試管理工具還必須能夠緊密集成專用代碼開發(fā)環(huán)境。例如，NI TestStand 為順序執(zhí)行、分支、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)庫集成提供了這樣一個(gè)框架，并包括與所有常見開發(fā)環(huán)境的連接。其他工具可能對需要觀察大量測試數(shù)據(jù)的其他應(yīng)用程序有所幫??助。這些要求包括快速訪問大量分散的數(shù)據(jù)、一致的報(bào)告、和數(shù)據(jù)可視化。這些軟件工具為收集過程中收集的數(shù)據(jù)和/或模擬過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的管理、分析和報(bào)告提供輔助功能。

對于模塊化儀器系統(tǒng)，應(yīng)仔細(xì)考慮軟件架構(gòu)中的每一層。

5. 模塊化儀器系統(tǒng)——滿足自動(dòng)化測試需求

隨著設(shè)備變得越來越復(fù)雜并涵蓋更多不同的技術(shù)，測試系統(tǒng)必須變得更加靈活。盡管測試系統(tǒng)必須適應(yīng)隨時(shí)間變化的設(shè)備，但成本壓力要求系統(tǒng)具有更長的生命周期。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的唯一方法是采用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)最能滿足 ATE 當(dāng)前和未來的需求。