模塊化儀器系統(tǒng)——靈活且用戶(hù)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。但成本的壓力要求系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的生命周期，而測(cè)試系統(tǒng)更加需要考慮能夠容納設(shè)備隨時(shí)間帶來(lái)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)。本文將通過(guò)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(mǎn)足自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）的要求。
　　目前有兩種類(lèi)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(lèi)型儀器系統(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(hù)訪(fǎng)問(wèn)。

　　圖1展示了這兩種類(lèi)型儀器系統(tǒng)的相似之處。兩者都具有測(cè)量硬件、1個(gè)機(jī)箱、1個(gè)電源、1條總線(xiàn)、1個(gè)處理器、1個(gè)操作系統(tǒng)和1個(gè)用戶(hù)界面。由于這兩類(lèi)儀器使用相同的基本組件，所以單從硬件的角度來(lái)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。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)箱適用于任何分立儀器)中。通過(guò)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(hù)界面都是固定的，僅當(dāng)廠(chǎng)商選擇更新時(shí)才可以被更新，而且如何更新也取決于廠(chǎng)商的選擇(例如通過(guò)固件的更新)。因此，用戶(hù)不可能通過(guò)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(hù)可以直接訪(fǎng)問(wèn)硬件上的原始數(shù)據(jù)，以便定義用戶(hù)自己的測(cè)量和用戶(hù)界面。通過(guò)這種軟件定義的方式，用戶(hù)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(hù)定義的軟件也可應(yīng)用于分立的專(zhuān)用硬件，但其最理想的搭配還是通用的模塊化硬件，通過(guò)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(hù)定義的軟件與可擴(kuò)展的硬件組件組合，便是模塊化儀器系統(tǒng)的核心所在。
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(lèi)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、電源、I/O以及機(jī)箱。

　　在另一些情形下，例如在PXI(面向儀器的PCI拓展系統(tǒng))中，其測(cè)量硬件被安裝于工業(yè)機(jī)箱內(nèi)，如圖3所示。

　　對(duì)于PXI系統(tǒng)，其主機(jī)可以嵌入于機(jī)箱，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(guò)有線(xiàn)接口控制測(cè)量硬件。由于PXI系統(tǒng)使用與PC內(nèi)部總線(xiàn)相同的總線(xiàn)(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(wú)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)，只是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。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(hù)對(duì)測(cè)量與分析軟件的控制。雖然模塊化儀器系統(tǒng)也存在多種配置選擇，但該類(lèi)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(kāi)放的，以便在測(cè)試需求發(fā)生變化或傳統(tǒng)儀器無(wú)法完成測(cè)量時(shí)，用戶(hù)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(wèn)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(guò)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。
模塊化降低成本、減小尺寸、提高吞吐量、拓展生命周期
　　雖然“模塊化”有時(shí)會(huì)狹隘地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(hù)應(yīng)當(dāng)期望模塊化儀器系統(tǒng)帶來(lái)三方面的收益：更低的成本與更小的尺寸(通過(guò)共用機(jī)箱、背板和處理器)；更高的吞吐量(通過(guò)與主機(jī)處理器的高速連接)；更高的靈活性與更長(zhǎng)的生命周期(通過(guò)用戶(hù)定義的軟件)。
　　如上所述，模塊化儀器系統(tǒng)中的所有儀器共用同1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，不論P(yáng)C使用怎樣的總線(xiàn)，每個(gè)自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)僅需要1個(gè)PC，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，GHz 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(chǎng)商定義的固件和專(zhuān)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，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(xiàn)，實(shí)現(xiàn)從儀器模塊到共享處理器的連接，以執(zhí)行用戶(hù)定義的測(cè)量。雖然USB在易用性方面提供了極好的用戶(hù)體驗(yàn)，但PCI與PCIe(以及基于這些總線(xiàn)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(guò)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(xiàn)(例如LAN與USB)是通過(guò)一個(gè)內(nèi)部總線(xiàn)(例如PCIe)與PC處理器相連，因而性能不會(huì)很高。下面舉一個(gè)高速總線(xiàn)如何影響測(cè)試與測(cè)量的范例：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2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)教幚砥鞴┻\(yùn)算處理。由于LAN與USB都不能滿(mǎn)足這些需求，所以需要提供一個(gè)嵌入式的、廠(chǎng)商定義的處理器，以完成測(cè)量，而這樣的儀器就不再是模塊化的了。

　　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(zhǎng)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(hù)(而不是廠(chǎng)商)可以定義儀器的運(yùn)行方式。這樣的架構(gòu)使用戶(hù)能夠：(1)進(jìn)行那些不夠普遍以致未能包含在典型的、廠(chǎng)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；(3)定義用于進(jìn)行特殊測(cè)量的算法。軟件的用戶(hù)定義也意味著，用戶(hù)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。用戶(hù)也可以利用軟件直接訪(fǎng)問(wèn)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(méi)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(wàn)用表。
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(lái)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(kāi)發(fā)和測(cè)試管理，如圖5所示。

　　位于最底層的是測(cè)量與控制服務(wù)層，雖然常常被忽視，但它仍然是一個(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(kāi)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(hù)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，以提供訪(fǎng)問(wèn)該儀器獨(dú)特功能的接口。在儀器驅(qū)動(dòng)程序中，與開(kāi)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(kāi)發(fā)無(wú)縫集成。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要專(zhuān)為他們所選的開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境層中的軟件提供了用于開(kāi)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(kāi)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。這些符號(hào)通過(guò)“連線(xiàn)”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(kāi)發(fā)環(huán)境。
　　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(kù)集成的框架。測(cè)試管理工具還必須能夠緊密集成專(zhuān)用代碼的開(kāi)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(kù)集成的一個(gè)框架，并包含了與所有常用開(kāi)發(fā)環(huán)境的連接。而其他一些工具可能對(duì)需要觀(guān)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(fǎng)問(wèn)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(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)和（或）仿真過(guò)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。
模塊化儀器系統(tǒng)——滿(mǎn)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(zhǎng)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(guò)共享組件、高速總線(xiàn)和開(kāi)放的、用戶(hù)定義的軟件，模塊化儀器系統(tǒng)最佳地滿(mǎn)足了ATE目前的需求和未來(lái)的需要。