了解用于自动化测试的模块化仪器系统

1. 模块化仪器——灵活的自定义软件和可扩展硬件

设备的日趋复杂和技术的渐进融合迫使测试系统变得更加灵活。尽管成本的压力要求系统具有更长的生命周期，测试系统仍须适应设备随时间变化而带来的各种变化。而实现这些目标的唯一途径便是采用一种软件定义的模块化架构。本文将通过使用虚拟仪器来解释软件定义的概念，为硬件平台和软件实现提供多种选择，并讨论模块化系统是如何满足理想ATE的需求。

目前就本质而言，有两种类型的仪器应用，虚拟仪器和传统仪器。图1描述了这两种类型仪器的架构。

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.

两种类型仪器的相似之处。两者都具有测量硬件、一个机箱、一个电源、一根总线、一个处理器、一个操作系统和一个用户界面。由于这两类仪器使用相同的基本组件，所以从纯硬件的角度来看，两者间最明显的区别在于如何将这些组件进行封装。一个传统的（或独立的）仪器会将所有的组件放在同一个盒子（这个盒子适用于任何一个独立仪器）中。通过GPIB、USB或LAN/局域网控制的手动仪器便是这类独立仪器的一个范例。这些仪器是作为独立实体设计的，其主要设计目的并不是系统应用。虽然传统仪器数量众多，但就仪器本身而言，其软件处理和用户界面都是固定的，仅当厂商选择更新时才可以被更新，而且如何更新也取决于厂商的选择（例如，通过固件升级）。因此，用户要想进行传统仪器功能列表中未包括的测量是不可能的，而且，对于一个传统仪器，根据新的标准进行测量，或者根据需求的变化调整原系统，都是极具挑战的。

相比之下，一个通过软件定义的虚拟仪器使得用户可以访问来自硬件的原始数据，以便自定义测量和用户界面。通过这种软件定义的方式，用户可以进行定制测量，根据新的标准进行测量，或者根据需求变化调整系统（例如增加仪器、通道或测量）。尽管用户定义软件可用于独立的、特殊应用的硬件，但其理想的搭配还是通用的模块化硬件，它能使测量软件的灵活性和性能得到充分发挥。这种灵活的自定义软件与可扩展硬件的组合，便是模块化仪器的核心所在。

2. 支持系统扩展的模块化硬件

模块化仪器可以采取多种形式。在一个设计良好的模块化仪器系统中，许多组件，例如机箱和电源，都为多个仪器模块所共用，而不是为某一仪器功能重复配置这些组件。这些仪器模块也可以包含不同类型的硬件，包括示波器、函数发生器、数字化仪与RF等。在某些情形下（如图2所示），测量硬件仅仅是一个安装于主机的某个外设端口或外设插槽的外设。在此情形下，主机PC提供用以完成软件测量的处理器，以及用于电源供应和I/O的机箱。

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的仪器拓展）——一个用于测试、测量和控制的稳固平台，并由超过70个成员公司所支持——测量硬件被安装于一个工业机箱（如图3所示）。

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

在一个PXI系统中，主机可以嵌入机箱（如图3所示），或者是通过线缆接口控制测量硬件的独立的便携机、台式机或服务器。由于一个PXI系统使用与PC内部相同的总线（PCI和PCI Express）和现有的PC组件来实现对系统的控制，因此，无论是使用PXI系统还是PC，相同的模块化仪器概念均可等同应用。（然而，PXI确实为模块化仪器提供了一些此处未展现的其它优点，如更高的通道数、便携性和稳固性（了解关于PXI的更多信息，请访问ni.com/china/pxi）。)不论系统使用PXI、带有内插式模块的台式机或是带有外设I/O模块的台式机，这种共享机箱和控制器的方式都大大降低了成本，同时也使用户能够对测量与分析软件进行控制。虽然模块化仪器存在多种配置选择，但该类型仪器与传统仪器的区别之处在于，其软件是开放的，因此当测试需求发生变化或传统仪器无法完成测量时，用户可以自定制测量。

值得注意的是，这种模块化方法并不意味着，在与将所有功能连接到单一盒子内的传统仪器相比时，会存在仪器或通道间同步的问题。相反地，模块化仪器的设计目的在于可被集成以供系统使用。所有的模块化仪器均通过共享的时钟和触发器，提供定时和同步的能力。例如，就最高同步精度而言，基带、IF和RF仪器可以以低于100 ps仪器间偏移的精度进行同步——优于同一台仪器的多个通道间的同步偏移。