了解用于自動化測試的模塊化儀器系統(tǒng)

1. 模塊化儀器——靈活的自定義軟件和可擴展硬件

設備的日趨復雜和技術的漸進融合迫使測試系統(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，測試系統(tǒng)仍須適應設備隨時間變化而帶來的各種變化。而實現(xiàn)這些目標的唯一途徑便是采用一種軟件定義的模塊化架構。本文將通過使用虛擬儀器來解釋軟件定義的概念，為硬件平臺和軟件實現(xiàn)提供多種選擇，并討論模塊化系統(tǒng)是如何滿足理想ATE的需求。

目前就本質而言，有兩種類型的儀器應用，虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器。圖1描述了這兩種類型儀器的架構。

Figure 1. Comparing traditional and virtual instrumentation architectures, both share similar hardware components; the primary difference between the architectures is where the software resides and whether it is user-accessible.

兩種類型儀器的相似之處。兩者都具有測量硬件、一個機箱、一個電源、一根總線、一個處理器、一個操作系統(tǒng)和一個用戶界面。由于這兩類儀器使用相同的基本組件，所以從純硬件的角度來看，兩者間最明顯的區(qū)別在于如何將這些組件進行封裝。一個傳統(tǒng)的（或獨立的）儀器會將所有的組件放在同一個盒子（這個盒子適用于任何一個獨立儀器）中。通過GPIB、USB或LAN/局域網控制的手動儀器便是這類獨立儀器的一個范例。這些儀器是作為獨立實體設計的，其主要設計目的并不是系統(tǒng)應用。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，僅當廠商選擇更新時才可以被更新，而且如何更新也取決于廠商的選擇（例如，通過固件升級）。因此，用戶要想進行傳統(tǒng)儀器功能列表中未包括的測量是不可能的，而且，對于一個傳統(tǒng)儀器，根據新的標準進行測量，或者根據需求的變化調整原系統(tǒng)，都是極具挑戰(zhàn)的。

相比之下，一個通過軟件定義的虛擬儀器使得用戶可以訪問來自硬件的原始數(shù)據，以便自定義測量和用戶界面。通過這種軟件定義的方式，用戶可以進行定制測量，根據新的標準進行測量，或者根據需求變化調整系統(tǒng)（例如增加儀器、通道或測量）。盡管用戶定義軟件可用于獨立的、特殊應用的硬件，但其理想的搭配還是通用的模塊化硬件，它能使測量軟件的靈活性和性能得到充分發(fā)揮。這種靈活的自定義軟件與可擴展硬件的組合，便是模塊化儀器的核心所在。

2. 支持系統(tǒng)擴展的模塊化硬件

模塊化儀器可以采取多種形式。在一個設計良好的模塊化儀器系統(tǒng)中，許多組件，例如機箱和電源，都為多個儀器模塊所共用，而不是為某一儀器功能重復配置這些組件。這些儀器模塊也可以包含不同類型的硬件，包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字化儀與RF等。在某些情形下（如圖2所示），測量硬件僅僅是一個安裝于主機的某個外設端口或外設插槽的外設。在此情形下，主機PC提供用以完成軟件測量的處理器，以及用于電源供應和I/O的機箱。

Figure 2. Examples of measurement hardware choices for modular instrumentation include a USB peripheral module on the left, and a PCI Express plug-in module on the right.

在另一些情形下，例如PXI（PCI的儀器拓展）——一個用于測試、測量和控制的穩(wěn)固平臺，并由超過70個成員公司所支持——測量硬件被安裝于一個工業(yè)機箱（如圖3所示）。

Figure 3. This example of a modular instrumentation system uses PXI hardware and NI LabVIEW graphical development software.

在一個PXI系統(tǒng)中，主機可以嵌入機箱（如圖3所示），或者是通過線纜接口控制測量硬件的獨立的便攜機、臺式機或服務器。由于一個PXI系統(tǒng)使用與PC內部相同的總線（PCI和PCI Express）和現(xiàn)有的PC組件來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，因此，無論是使用PXI系統(tǒng)還是PC，相同的模塊化儀器概念均可等同應用。（然而，PXI確實為模塊化儀器提供了一些此處未展現(xiàn)的其它優(yōu)點，如更高的通道數(shù)、便攜性和穩(wěn)固性（了解關于PXI的更多信息，請訪問ni.com/china/pxi）。)不論系統(tǒng)使用PXI、帶有內插式模塊的臺式機或是帶有外設I/O模塊的臺式機，這種共享機箱和控制器的方式都大大降低了成本，同時也使用戶能夠對測量與分析軟件進行控制。雖然模塊化儀器存在多種配置選擇，但該類型儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別之處在于，其軟件是開放的，因此當測試需求發(fā)生變化或傳統(tǒng)儀器無法完成測量時，用戶可以自定制測量。

值得注意的是，這種模塊化方法并不意味著，在與將所有功能連接到單一盒子內的傳統(tǒng)儀器相比時，會存在儀器或通道間同步的問題。相反地，模塊化儀器的設計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鐘和觸發(fā)器，提供定時和同步的能力。例如，就最高同步精度而言，基帶、IF和RF儀器可以以低于100 ps儀器間偏移的精度進行同步——優(yōu)于同一臺儀器的多個通道間的同步偏移。

3. 模塊化降低了成本與外形尺寸，提高了吞吐量，并延長了生命周期

雖然術語“模塊化”有時會僅僅基于硬件封裝而被錯誤使用，但模塊化儀器所涵蓋的內容遠不止封裝。用戶期望一個模塊化系統(tǒng)能帶來三方面的收益——通過共用機箱、背板和處理器帶來成本的降低和外形尺寸的減小，通過與主處理器的高速連接帶來更快的吞吐量，以及通過用戶定義的軟件實現(xiàn)更大的靈活性與更長的生命周期。

如上所述，一個模塊化儀器系統(tǒng)中的所有儀器共用一個電源、機箱和控制器。而獨立儀器則為每一個儀器重復配置電源、機箱和（或）控制器，從而增加了成本與尺寸并降低了可靠性。事實上，無論使用何種總線結構，每個自動化測試系統(tǒng)都需要計算機進行控制；在模塊化架構下，所有儀器共用同一個控制器，從而使得在整個系統(tǒng)范圍內分擔成本。在模塊化儀器系統(tǒng)中，G赫茲計算機處理器通過軟件分析數(shù)據并完成測量。其測量結果十倍于甚至百倍于僅由傳統(tǒng)儀器構建的測試系統(tǒng)（這些系統(tǒng)使用內置的廠商定義的固件和專用處理器）的吞吐量。例如，一個典型的矢量信號分析儀（VSA）每秒可以完成0.13次帶內功率測量，然而一個NI模塊化VSA每秒可以完成4.18次帶內功率測量——提高近33倍。

模塊化儀器需要一個高帶寬、低延遲的總線將儀器模塊與共享處理器相連接，以執(zhí)行用戶定義的測量。雖然USB在易用性方面提供了極好的用戶體驗，但PCI與PCI Express（以及以這些總線為基礎拓展所得的PXI平臺）在模塊化儀器中提供了最佳性能。目前， PCI Express提供高達4 GB/s的插槽，而PXI提供帶寬高達2GB/s的插槽——超過高速USB 33倍，100 Mb/s以太網的160倍，甚至是即將推出的千兆以太網的16倍（如圖4所示）。外設總線（例如LAN與USB）總是通過一個內部總線（例如PCI Express）與PC處理器相連，因而理論上總會導致性能下降。我們以一個模塊化RF采集系統(tǒng)為例，來討論高速總線如何影響測試與測量。在一個臺式機或PXI系統(tǒng)中，一個帶有4個2 GB/s的PCI Express插槽，可以將兩個通道100 MS/s 的16位IF（中頻）數(shù)據直接輸送到處理器供運算。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嵌入式的、廠商定義的處理器，以完成測量——這樣的儀器就不再是模塊化的了。

Figure 4. PCI and PCI Express provide the highest bandwidth and lowest latency, decreasing test time and delivering flexibility and longevity through user-defined software.

對于一個模塊化儀器，與主機的高速連接是提供靈活性和長生命周期的關鍵，因為它使軟件而非儀器駐留于主機。通過在主機上運行軟件，用戶（而不是廠商）可以定義儀器如何運行。這樣的架構使您能夠：1）進行那些不夠普遍以致未能包含在典型的、廠商定義的、非模塊化的途徑中的測量；2）為尚未發(fā)布的標準創(chuàng)建測量； 3）定義用于進行特殊測量的算法。軟件的用戶定義本質也意味著，當待測設備發(fā)生變化時，您可以對測量甚至儀器進行增加或調整。您也可以使用軟件的直接訪問，通過網絡來監(jiān)聽或控制這些模塊化儀器。

值得注意的是，這些硬件的實現(xiàn)并沒有犧牲測量性能。目前，通過模塊化儀器方法的設計的儀器，包括業(yè)界最高分辨率的數(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. 靈活的自定義測量軟件

模塊化儀器中軟件的作用是不容忽視的。軟件將來自硬件的原始比特流轉換為一個有用的測量值。一個設計良好的模塊化儀器系統(tǒng)能兼顧軟件的多層結構，包括I/O驅動程序、應用開發(fā)程序和測試管理程序。

Figure 5. Software layers are often used in a modular instrumentation system.

位于最底層的測量與控制服務，是最常被忽略的，但卻是一個模塊化儀器系統(tǒng)最關鍵的要素之一。該層代表I/O驅動軟件和硬件配置工具。這個驅動軟件非常關鍵，因為它為測試開發(fā)軟件和用于測量與控制的硬件之間提供連接。

儀器驅動程序提供一個高層、直接可讀的、與儀器交互的函數(shù)的集合。每個儀器驅動程序都是為特定的儀器模塊量身定做，以提供一個調用其獨特功能的接口。對于一個儀器驅動程序，特別重要的是其與開發(fā)環(huán)境的集成，以便儀器命令成為應用開發(fā)的無縫集成的一部分。系統(tǒng)開發(fā)人員需要根據所選的開發(fā)環(huán)境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）對儀器驅動進行優(yōu)化。

同樣包含在測量與控制服務中的是配置工具。這些配置工具包括用于配置和測試I/O的資源，存儲擴展、校準和通道混疊信息。這些工具對于一個儀器系統(tǒng)的快速構建、故障排除和維護非常重要。

位于應用開發(fā)環(huán)境層的軟件能提供用于開發(fā)應用所需的代碼或程序的工具。雖然圖形化編程不是每一個模塊化儀器系統(tǒng)所必需的，但出于易用性和快速開發(fā)的考慮，這些系統(tǒng)經常使用圖形化工具。圖形化編程使用“圖標”或符號函數(shù)，以繪圖方式表示所要執(zhí)行的操作，如圖7所示。這些符號通過傳遞數(shù)據并確定執(zhí)行順序的“線”相連。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。

一些應用還需要一個名為軟件管理的附加層，用于測試執(zhí)行或測試數(shù)據的可視化。對于高度自動化的測試系統(tǒng)，測試管理軟件為順序執(zhí)行、分支/循環(huán)、報告生成和數(shù)據庫集成提供了一個框架。測試管理工具還必須提供與創(chuàng)建專用代碼的開發(fā)環(huán)境的緊密集成。例如，NI TestStand提供了用于順序執(zhí)行、分支、報告生成和數(shù)據庫集成的框架，并包含與所有常用開發(fā)環(huán)境的連接。對于其它需要可視化觀察大量測試數(shù)據的應用，其他的工具或許有用。這些需求包括快速訪問大量的離散數(shù)據、持續(xù)報告和數(shù)據可視化。這些軟件工具，針對數(shù)據采集過程中所采集到的數(shù)據和（或）仿真過程中所生成的數(shù)據，為管理、分析和報告這些數(shù)據提供輔助。
對于一個模塊化儀器系統(tǒng)，該軟件架構中的每一層都應當予以重視。

5. 模塊化儀器——滿足自動化測試的需求

隨著設備變得愈為復雜并涵蓋更多迥異的技術，測試系統(tǒng)必須變得更為靈活。測試系統(tǒng)必須適應隨時變化的設備，然后與此同時，成本的壓力要求系統(tǒng)具有更長的生命周期。實現(xiàn)這些目標的唯一途徑便是采用一種軟件定義的模塊化架構。通過共享組件、高速總線和開放的用戶定義軟件，模塊化儀器便是滿足當今和未來自動化測試需求的最合適的選擇。