透过PXI Express将实际环境带到测试环境中

最近在Google Maps中发现新功能─Street View。该功能可让使用者选定城市，并虚拟浏览城市街道。套用Google Maps产品经理Stephen Chau的话：「这可以让你感觉身历其境！」使用者现在可以存取实际的地理资料，取代过去仅有线条与文字的传统地图，所撷取并分析的数据总量必极为庞大。

设计与测试工程师在产品设计阶段，均希望能够将实际条件带入测试作业，但由于仪器的限制，往往仅限于模拟。时至今日，如PC总线、处理器，与数据储存功能的计算机技术均突飞猛进，让新一代的仪器控制作业可将实际条件带入至测试环境中。透过计算机整合技术，搭配工业标准PXI所延伸的PXI Express接口，可让使用者在应用中全面提升技术。

以低价位进行更全面的测试

我们先假想要设计行动电话，并于芝加哥冬天的条件下进行测试。方法之一即为将所有测试仪器带上街，以分析行动电话的相关反应数据。接着回到实验室继续进行设计，然后再带着所有测试设备回到街上取得新的测试数据。此方法除了麻烦且累赘之外，亦耗费大量成本与时间。另一种方法即为在「模拟」的天气条件下测试行动电话，既省时亦省钱。不过许多人常常忽略了此方法的缺点，毕竟是模拟，难以囊括实际条件下的所有突发状况与不确定性。此难处又如何克服呢？是否有任何低成本又实际的方式，以实际天气条件测试行动电话？

透过最近开发的计算机技术，即可整合上述2种方法的优点。一方面记录所需的RF光谱以进行测试，并稍后于实验室中以实际条件测试相关装置。此方法仅需记录实际讯号1次，即可重复播放这些讯号并带入至装置中；而且可于实验室中使用所有的测试设备。成本方面，使用者可省下多次实地测试的费用；透过现成的新技术，不需再另外购买昂贵的数据串流解决方案。

软件即为仪器

若要了解此作业方式，必须先观看2幅主要的仪器控制示意图。传统仪器控制或称为「Instrumentation 1.0」，为制造商定义的量测作业，由仪器本身的韧体所建置而成。由于连接仪器与计算机的GPIB、LAN，或USB总线频宽有其限制，因此仅能将最后结果传输至计算机。如图1所示。


图说：图1、总线的频宽(BWbus)低于讯号的频宽(BWsignal)，因此仅能于仪器中进行处理程序，并仅将最后制造商定义的量测／结果传送至计算机。

若仅需制造商提供量测作业解决方案，且仅需最后结果，则此图表则可顺利运行无虞。若需进行测试系统的自动化，或需仪器提供弹性的功能，则该应用最好能为开放且模块化的虚拟仪器，或称为「Instrumentation 2.0」。如图2所示。



图说：图2、总线频宽(BWbus)大于讯号频宽(BWsignal)，因此可传送完整的波形至计算机，并以软件定义量测作业。

「Instrumentation 2.0」这个词是相对于「Web 2.0」而来，其新应用则能满足使用者的需要。与「Web 2.0」的诸多应用如部落格、在线影片分享工具、维基百科相仿，可自由发布数据，而其它使用者则接收相关内容与讯息。新的仪器控制图表功能，也让工程师轻松建立自己所需的测试功能。在此方法中，仪器再也不会笼统的进行整套处理程序。反之，仪器将仅进行撷取(或产生)原始讯号，并将原始波形传送至计算机进行处理程序。使用者现在可以完全存取所有讯号，并透过如NI LabVIEW简单易用的程序设计语言，以操作讯号并定义所需的功能。苹果计算机(Apple)的新产品iPhone也使用相同的方法取代实体键盘与按钮的固定功能，大量透过软件产生各应用所需的客制界面。在相同概念之下，此处的软件即等于仪器。

新的计算机技术─PCI Express

此时你心里可能产生的疑问：应如何传送完整波形至计算机？以传统的仪器控制来说，受限的总线频宽即是无法传送完整波形的答案。计算机总线技术已经发展了数十年，而今天最快、最普及的总线技术即为PCI Express，也是开启「Instrumentation 2.0」的要素之一。PCI Express具有目前计算机总线的最高输出率与最低潜时，适用于仪器控制作业。该总线并具有不同版本，为x1、x2、x4、x8、x16与x32，代表输出率的频宽。每通道(Lane)具有250 MS/s输出率，因此x1的连结可达250 MB/s，而x32连结可达8 GB/s输出率。当x32版本尚未出现之前，x1、x4，与x16的总线版本已经普及了数年。PCI Express受欢迎的功能之一，即为该机板均具有专属的输出率；此特性与其它的计算机总线相反，均根据连接至总线的所有装置而共享相同输出率。

新的计算机技术─多核心处理器

总线技术已经如此开放成熟，并可传输完整波形至计算机。但若处理器无法消化巨量数据又该如何？这时出现了多核心技术。处理器技术依循着摩尔定律(Moore’s Law)不断提升速度已达数年，但最新的技术是在单一处理器中达到多核心或计算引擎。双核心处理器为目前个人与工业计算机最普及的配备，而且Intel公司计划于5年内发展出80核心的处理器技术。多核心可平行处理多项作业，可分散处理PCI Express总线所传送的大量数据。然而，软件应用程序必须也能够搭配多核心处理器的平行处理功能。多年以来，NI LabVIEW图形化程序设计语言早已可平行处理多项作业，只要是以LabVIEW为架构的现有应用，即可自动利用多核心处理器的处理效能。表1即为现有的LabVIEW程序之下，单核心与双核心处理器的效能比较。



图说：表1、从单核心到双核心的LabVIEW效能提升。

新的计算机技术─RAID 数据储存

回想上述例子：长时间记录RF光谱，以撷取行动电话在实际天气条件下的效能。截至目前为止所含括的技术有：PCI Express、多核心与LabVIEW的平行程序设计，均协助解决了眼前的挑战。但是还有1块关键拼图─记录RF光谱以供未来使用的技术。计算机内部的硬盘约为40 MB/s的读写速度。因此，目前的技术瓶颈已不再是计算机总线的速度，而是硬盘。独立磁盘冗余数组(RAID)整合多个实体磁盘为1组单位。数据将由RAID控制器整理过后，平行写入至多个磁盘中，因此可提升写入速度。就如同读取数据，RAID控制器在回送数据之前，将从多个磁盘一同编送(Weave)数据。NI的RAID解决方案，即包含4硬盘与12硬盘的RAID选项。透过12组硬盘的RAID，即可记录数据并播放达最高600 MB/s传输率，可一并降低系统瓶颈。

整合RAID与PCI Express之后，将可为先前无法解决的应用挑战，提供完整的解决方案。举例来说，针对客制化的数字芯片测试，再也不需加载包含测试波形(Test pattern)的数字波形产生器内存。反之，可直接从计算机或RAID储存内存，串流出更长的测试波形。事实上，新的NI PCI Express与PXI Express高速数字I/O适配卡─NI 6537与NI 6536分别具有50与25 MHz的频率，并未内建内存；因此可降低适配卡的成本。


图说：图3、NI 8262为12组硬盘的RAID硬盘，具有最高600 MB/s的稳定数据写入与读取速率。

搭配新计算机技术的PXI Express

就如同完成拼图一般。上述所提到的计算机技术均已独立完成开发，并搭配而成完整的拼图作品。而PXI即为使用所有新技术的单一平台，并可视之为Instrumentation 2.0的新生婴儿。PXI已成为工业级标准达10年之久，以PCI与PCI Express总线为基础，成为模块化的仪器控制平台，适于高速传输计算机与仪器之间的讯号。如同计算机一般，PXI嵌入式控制器具有标准的Windows接口(亦具有实时与远程的控制处理器)，还有Intel与AMD的最新多核心处理器。PXI规格是由PXI系统联盟(pxisa.org)所统一制订，以维护PXI与PXI Express软硬件的完整兼容性。因此可整合新的PXI Express仪器与超过1,200种的PXI模块，以完成所需的测试系统。
作者：美商国家仪器模块化仪器控制产品经理Kaustubh Wagle