2009测试测量行业发展趋势

伴随着软件为核心的测试理念，在新兴商业技术不断涌现的今天，测试测量行业也正呈现出五个重要的发展趋势。

趋势一：软件定义的仪器系统成为主流
现在的电子产品（像iPhone和Wii等）已越来越依重于软件去定义产品的功能。同样，在产品设计和客户需求日益复杂的今天，用于测试测量的仪器系统也朝着以软件为核心的模块化方向发展，通过整合通用的模块化硬件和自定义的软件处理，使得用户能够更快更灵活地配置测试系统，并满足不断改变的测试需求。
通过软件定义模块化硬件的功能，用户可以快速实现不同的测试功能，并应用定制数据分析算法和创建自定义的用户界面。相比于传统仪器固定的功能限制和只是"测试结果"的呈现，以软件为核心的模块化仪器系统能够赋予用户更多的主动权，甚至将自主的知识产权(IP)应用到测试系统中。


在业界，被认为是最保守的客户之一的美国国防部在2002年向国会提交的报告中指出下一代测试系统（NxTest）必须是基于现成可用商业技术（COTS）的模块化的硬件，并同时强调了软件的能动作用。最新的合成仪器（Synthetic Instrumentation）的概念也无非是经过重新包装的虚拟仪器技术，将软件的开放性和硬件的模块化重新结合在了一起。

图1 以软件为核心的模块化系统参考架构


如今，数以千计的公司正采用以软件为核心的模块化的系统架构为标准（见图1）构建仪器系统。根据PXI系统联盟（PXISA）的统计，到2009年末，将有超过100 000台PXI系统应用于各大项目；预计到2014年，PXI在测量与自动化领域的赢利将有望保持每年17.6%的复合增长率（CAGR）。

趋势二：多核/并行测试带来机遇和挑战
多核时代的来临已成为不可避免的发展趋势，双核乃至八核的商用PC现在已随处可见。得益于软件定义的仪器系统，用户可以在第一时间享受到多核处理器为自动化测试应用带来的巨大性能提升。


要充分发挥多核的性能优势，就必须创建多线程的应用程序，例如，我们可以将自动化测试程序的数据采集、数据分析、数据记录乃至用户界面部分创建不同的线程，从而分配到不同的核上并行的运行。不过，这样并行的开发理念使得习惯于传统串行开发方式的工程师难以适应，尤其是当核的数目越来越多时。


挑战和机遇往往是并存的，作为图形化语言的代表，LabVIEW在设计当初就考虑到了并行处理的需求，从LabVIEW 5.0开始支持多线程到现在已有10多年的历史。可以毫不夸张地说，天生并行的LabVIEW就是这样一种驰骋多核技术时代的编程语言，通过自动的程序多线程化，开发人员无须考虑底层的实现机制，就可以高效地享用多核技术所带来的益处。


无论是欧南天文台极大望远镜高达2700万次乘加运算的镜面控制，到Tokamak核聚变装置的实时处理运算，还是NASA的飞机安全性测试和TORC汽车控制快速原型设计，LabVIEW多核技术都为这些应用带来了巨大的性能和吞吐量的提升，随着多核技术的进一步发展，提升的幅度将更为可观。

趋势三：基于FPGA的自定义仪器将更为流行
随着设计和测试的融合越来越紧密，人们对于测试的确定性、实时性和灵活性的要求也越来越高，FPGA（现场可编程门阵列）技术正逐渐被引入到最新的模块化仪器系统中，这也就是我们所说的基于FPGA的自定义仪器。


FPGA的高性能和可重复配置特性一直是硬件设计工程师们的最爱，而对于测试工程师而言，又何尝不想拥有硬件级的确定性和并行性呢。像诸如实时系统仿真、高速内存测试等应用都需要用到FPGA来确保响应的实时性和高速的数据流入和流出，FPGA的IP核更是可以为工程师植入自主知识产权的算法提供契机。然而，苦于对硬件设计知识的缺乏和对VHDL或Verilog语言编程的恐惧，许多测试工程师对于FPGA技术望而却步。


现在，NI提供的R系列数据采集卡和FlexRIO产品家族将高性能的FPGA集成到现成可用的I/O 板卡上，供用户根据应用进行定制和重复配置，同时配合LabVIEW FPGA直观方便的图形化编程，用户能够在无须编写底层VHDL代码的情况下，快速地配置和编程FPGA的功能，用于自动化测试和控制应用。


前不久，欧洲核子研究中心（CERN）为世界最强大的粒子加速度器--大型强子对撞机（LHC）配备了超过120套带有可重复配置I/O模块的NI PXI系统，用于控制准直仪的运动轨迹和监测其实时位置，从而确保粒子在既定的路径中运作。为了保证极高的可靠性和精确性，FPGA成为其必备的测试和控制技术。

趋势四：无线标准测试的爆炸性增长
近年来无线通信标准的发展可谓是日新月异，从2000年前只有四五种无线标准到现在众多新标准如雨后春笋般涌现。越来越多的消费电子产品和工业产品都或多或少地集成了无线通信的功能，像苹果公司最新的3G版iPhone手机，更是同时集成了UMTS、HSDPA、GSM、EDGE、Wi-Fi、GPS和蓝牙等多种最新的无线标准。这些都给无线技术的开发和测试带来了巨大的挑战，测试技术如何跟上无线技术的发展成为工程师面临的最大难题。通常传统射频仪器的购买周期是5～7年，而新标准和新技术的推出周期却是每两年一轮，购买的射频测试设备由于其固件和功能的限定通常难以跟上新标准的发展速度。



图2 基于LabVIEW和PXI的软件无线电测试平台


面对这样的挑战，一种以软件为核心的无线测试方案正崭露头角。信号的上下变频和数字化由模块化的射频硬件完成，而编解码和调制解调的过程全部通过软件实现。这样，在统一的模块化硬件平台上，只需修改软件就可以满足不同无线标准的测试需求，使得工程师有能力在第一时间测试最新的标准，加快产品的上市时间。


NI LabVIEW和PXI RF平台就是这样一个软件无线电的测试平台，多年来已经成为工程师和科学家们开发无线标准和测试无线应用的必备工具。德州大学奥斯汀分校的师生基于NI的软件无线电平台，在短短6周时间内开发出MIMO-OFDM 4G的系统原型；成都华日通信公司（国内无线电频谱管理设备主要供应商）利用NI PXI矢量信号分析仪和LabVIEW开发了带有自主产权的HR-100宽带无线电接收机和监测系统，已广泛应用于国内的频谱监测和信号定向领域。聚星仪器（NI大陆地区系统联盟商）也开发出了全球首个支持C1G2 RFID标准全部指令的测试设备，并实现了与RFID标签微秒级的实时通信。