了解一个面向自动化测验的模块化仪器体系

1. 模块化仪器体系——灵敏的、用户可以定制的软件和可扩展的硬件组件

设备的日趋杂乱和技能的渐进交融，正唆使测验体系变得愈加灵敏。尽管本钱的压力要求体系具有更长的生命周期，测验体系愈加需求考虑可以包容设备随时刻带来的各种改变。完结这些方针的仅有办法就是选用一种软件界说的模块化架构。该白皮书将经过虚拟仪器体系引进软件界说的概念，为硬件渠道和软件完结供给多种挑选，并评论模块化仪器体系是怎么满意自动化测验设备（ATE）的要求。

就其实质而言，现在有两种类型的仪器体系，虚拟仪器体系和传统仪器体系。图1描绘了这两种类型仪器体系的架构。

上述两个框图展现了这两种类型仪器体系的类似之处。两者都具有丈量硬件、一个机箱、一个电源、一条总线、一个处理器、一个操作体系和一个用户界面。由于这两类仪器运用相同的根本组件，所以单从硬件的视点来看，两者间最显着的差异在于怎么将这些组件进行封装。一个传统的（或分立）仪器将其一切组件放置在同一个机箱（这个机箱适用于任何一个分立仪器）中。一个经过GPIB、USB或LAN/局域网操控的手动仪器就是台式仪器的一个典型。这些仪器是作为分立器材规划的，其首要规划意图并不是集成为体系运用。尽管传统仪器数量很多，但就仪器自身而言，其软件处理和用户界面都是固定的，仅当厂商挑选更新时才可以被更新，并且怎么更新也取决于厂商的挑选（例如，经过固件的更新）。因此，用户不可能经过传统仪器进行其功用列表未包含的丈量，并且，这使得依据新的规范进行丈量，或许依据需求的改变调整原体系，都极具挑战性和潜在危险。

相比之下，由软件界说的虚拟仪器使得用户可以直接拜访硬件上的原始数据，以便界说用户自己的丈量和用户界面。经过这种软件界说的办法，用户可以进行定制的丈量，依据新诞生的规范进行丈量，或许依据需求改变调整体系（例如添加仪器、通道或丈量）。尽管用户界说的软件也可运用于分立的专用硬件，但其最理想的调配仍是通用的模块化硬件，经过这种结合，丈量软件的灵敏性和功用都可以得到充沛的运用。这种灵敏的、用户界说的软件与可扩展的硬件组件的组合，就是模块化仪器体系的中心地点。

2. 支撑体系可扩展性的模块化硬件

模块化仪器体系可以采纳多种形式。在一个规划杰出的模块化仪器体系中，许多组件——例如机箱和电源——为多个仪器模块所共用，而不是为每一个仪器重复装备这些组件。这些仪器模块也可以包含不同类型的硬件，例如示波器、函数发生器、数字化仪以及RF等。在某些景象下（如图2所示），丈量硬件只是是一个装置于主机端口或插槽的外设。在此景象下，主机PC供给用以运转丈量软件的处理器，以及电源和I/O以及机箱。

图2。模块化仪器体系可选的丈量硬件的示例：左图为一个USB外设模块，右图为一个快速PCI刺进式模块。

在另一些景象下，例如PXI（面向仪器的PCI拓宽体系）——一个面向测验、丈量和操控的巩固渠道，并为超越70个成员公司所支撑——其丈量硬件被装置于一个工业机箱内（如图3所示）。

图3。该模块化仪器体系的典范运用PXI硬件和NI LabVIEW图形化开发软件。

关于一个PXI体系，其主机可以嵌入于机箱（如图3所示），或许是一个别离的便携机、台式机或服务器，它经过有线接口操控丈量硬件。由于PXI体系运用与PC内部总线相同的总线（PCI和PCIe）和现成可用的PC组件，以完结对体系的操控，因此，无论是运用PXI体系仍是PC，均可作为模块化仪器体系的硬件渠道。（但是，PXI为模块化仪器体系供给了一些独有长处，如更高的通道数、便携性和巩固性（如欲了解关于PXI的更多信息，敬请拜访ni.com/pxi）。）不管体系运用了PXI、带有内插式模块或是带有I/O外设模块的台式机，这种同享机箱和处理器的办法不只大大地降低了本钱，一起还支撑用户对丈量与剖析软件的操控。尽管模块化仪器体系也存在许多种装备挑选，但该类型仪器体系与传统仪器体系的差异之处在于，其软件是敞开的，以便在测验需求发生改变或传统仪器无法完结丈量时，用户可以界说自己所需的丈量。

值得注意的是，这种模块化办法并不意味着，与将一切的功用集结在单一盒子内的传统仪器相比较，会存在仪器或通道间同步的问题。相反地，模块化仪器的规划意图在于可被集成，以供体系运用。一切的模块化仪器均经过同享的时钟和触发器，供给守时和同步的才能。例如，就最高同步精度而言，基带、IF和RF仪器可以完结仪器间偏移低于100 ps的彼此同步——优于同一台仪器的多个通道间的同步偏移。

3. 模块化降低本钱，减小尺度，进步吞吐量，并拓宽生命周期

尽管术语“模块化”有时会只是狭窄的仅用于根据硬件封装，但模块化仪器体系所包含的内容远不止封装。用户应当希望模块化仪器体系带来三方面的收益——更低的本钱与更小的尺度（经过共用机箱、背板和处理器），更高的吞吐量（经过与主机处理器的高速衔接），以及更高的灵敏性与更长的生命周期（经过用户界说的软件）。

如上胪陈，模块化仪器体系中的一切仪器共用同一个电源、机箱和操控器。而分立仪器则为每一个仪器重复装备电源供给、机箱和（或）操控器，然后添加了本钱与尺度并降低了可靠性。事实上，每个自动化的测验体系仅需求一个PC，不管该PC运用怎样的总线；一切仪器都根据模块化架构，为整个体系分管了本钱。在模块化仪器体系中，G赫兹PC处理器剖析数据并运用软件完结丈量。其丈量吞吐量是传统仪器（这些仪器运用内置的厂商界说的固件和专用处理器）的十倍到百倍。例如，一个典型的向量信号剖析仪（VSA）每秒可以完结0.13次带内功率丈量，但是一个NI模块化VSA每秒可以完结4.18次带内功率丈量——到达近33倍的改善。

模块化仪器需求一个高带宽、低时延的总线，完结从仪器模块到同享处理器的衔接，以履行用户界说的丈量。尽管USB在易用性方面供给了极好的用户体会，但PCI与PCIe（以及根据这些总线拓宽而得的PXI渠道）在模块化仪器体系中供给了最佳的功用。现在，PCIe供给高达4 GB/s的插槽带宽，——超越高速USB的33倍，是100 Mb/s以太网的160倍，乃至是行将推出的千兆以太网的16倍（如图4所示）。外设总线（例如LAN与USB）总是经过一个内部总线（例如PCIe）与PC处理器相连，因此功用不会很高。咱们来看一个高速总线怎么影响测验与丈量的典范，咱们考虑一个模块化RF收集体系。在一个台式机或一个带有4个2 GB/s插槽的PXI体系，可以将两个通道的100 MS/s、16-位IF（中频）数据以数据流的办法直接传输到一个处理器供运算处理。由于LAN与USB都不能满意这些需求，所以需求供给这样功用水平的仪器总是包含一个嵌入式的、厂商界说的处理器，以完结丈量——这样的仪器就不再是模块化的了。

图4。PCI与PCIe供给了最高的带宽和最低的时延，然后缩短了测验时刻并经过用户界说的软件完结了高灵敏性和长生命周期。

在模块化仪器中，与主机的高速衔接完结了该仪器的高灵敏性和更长的生命周期，由于它支撑软件驻留于该主机，而不是驻留在该仪器。运用该主机上运转的软件，用户（而不是厂商）可以界说仪器的运转办法。这样的架构使您可以：1）进行那些不行遍及致使未能包含在典型的、厂商界说的、非模块化办法中的丈量；2）为没有发布的规范创立丈量；以及3）界说用于进行特别丈量的算法。软件的用户界说也意味着，您可以在受测设备发生改变时添加或调整丈量。您也可以运用软件直接拜访跨网络监督或操控这些模块化仪器。

值得注意的是，这些硬件完结办法并没有献身丈量功用。现在，运用模块化仪器体系建立的仪器包含业界最高精度的数字化仪、最高带宽的恣意波形发生器和最准确的7位半数字万用表。

4. 支撑灵敏、定制丈量的软件

软件在模块化仪器体系中的效果十分重要。软件将来自硬件的原始比特流通换为一个有用的丈量值。一个规划杰出的模块化仪器体体系筹软件的多个层次，包含I/O驱动程序、运用程序开发和测验办理，如图5所示。

图5。一个模块化仪器体系中常用的软件层次。.

坐落最底层的是丈量与操控服务层，，尽管常常被忽视，它仍然是一个模块化仪器体系最为要害的要素之一。该层代表了I/O驱动软件和硬件装备东西。这个驱动软件十分要害，由于它供给了测验开发软件和用于丈量与操控的硬件之间的衔接。

仪器驱动程序供给一组面向与仪器交互的高层次的、用户可读的函数。每个仪器驱动程序都有一个特定的仪器模型，以供给一个拜访该仪器共同功用的接口。在一个仪器驱动程序中，与开发环境的集成尤为重要，由于这关系着仪器的指令能否与运用开发无缝集成。体系开发人员需求专为他们所选的开发环境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）而优化的仪器驱动程序接口。

相同包含在丈量与操控服务层中的还有装备东西。这些装备东西包含用于I/O的装备和测验资源，以及存储扩展、校准和通道相关信息。这些东西关于一个仪器体系的快速构建、毛病扫除和保护十分重要。

运用开发环境层中的软件供给了用于开发运用所需的代码或规程的东西。尽管图形化编程并不是模块化仪器体系所必需的，但这些体系一般运用图形化东西，以保证其易用性和快速开发。图形化编程运用“图标”或符号函数，它们以图示办法表明所要履行的操作，如图6所示。这些符号经过“连线”相连，以传递数据并确认其履行的次序。LabVIEW供给了业界最常用的、也是最完好的图形化开发环境。

一些运用还需求一个附加的软件办理层，用于测验履行或测验数据的可视化。这一要求在体系办理软件层得以表现。关于高度自动化的测验体系，测验办理软件供给了一个面向次序履行、分支/循环、陈述生成和数据库集成的结构。测验办理东西还有必要可以严密集成专用代码的开发环境。例如，NI TestStand供给了用于次序履行、分支、陈述生成和数据库集成的这样一个结构，并包含了与一切常用开发环境的衔接。而其他一些东西可能对其它需求调查很多测验数据的运用起到协助。这些需求包含快速拜访很多散落的数据、共同的陈述和数据的可视化。这些软件东西，针对收集进程中所收集的数据和（或）仿真进程中所生成的数据，为办理、剖析和陈述这些数据供给辅佐功用。

关于模块化仪器体系，该软件架构中的每一层都应当细心考虑。

5. 模块化仪器体系——满意自动化测验的需求

当设备变得愈为杂乱并包含更多悬殊的技能时，测验体系有必要变得更为灵敏。尽管测验体系有必要包容随时刻改变的设备，但本钱的压力要求体系具有更长的生命周期。完结这些方针的仅有办法就是，选用一种软件界说的模块化架构。经过同享组件、高速总线和敞开的、用户界说的软件，模块化仪器体系最佳地满意了ATE的现在需求和未来的需求。