了解用于自动化测试的模块化仪器系统

3. 模块化降低了成本与外形尺寸，提高了吞吐量，并延长了生命周期

虽然术语“模块化”有时会仅仅基于硬件封装而被错误使用，但模块化仪器所涵盖的内容远不止封装。用户期望一个模块化系统能带来三方面的收益——通过共用机箱、背板和处理器带来成本的降低和外形尺寸的减小，通过与主处理器的高速连接带来更快的吞吐量，以及通过用户定义的软件实现更大的灵活性与更长的生命周期。

如上所述，一个模块化仪器系统中的所有仪器共用一个电源、机箱和控制器。而独立仪器则为每一个仪器重复配置电源、机箱和（或）控制器，从而增加了成本与尺寸并降低了可靠性。事实上，无论使用何种总线结构，每个自动化测试系统都需要计算机进行控制；在模块化架构下，所有仪器共用同一个控制器，从而使得在整个系统范围内分担成本。在模块化仪器系统中，G赫兹计算机处理器通过软件分析数据并完成测量。其测量结果十倍于甚至百倍于仅由传统仪器构建的测试系统（这些系统使用内置的厂商定义的固件和专用处理器）的吞吐量。例如，一个典型的矢量信号分析仪（VSA）每秒可以完成0.13次带内功率测量，然而一个NI模块化VSA每秒可以完成4.18次带内功率测量——提高近33倍。

模块化仪器需要一个高带宽、低延迟的总线将仪器模块与共享处理器相连接，以执行用户定义的测量。虽然USB在易用性方面提供了极好的用户体验，但PCI与PCI Express（以及以这些总线为基础拓展所得的PXI平台）在模块化仪器中提供了最佳性能。目前， PCI Express提供高达4 GB/s的插槽，而PXI提供带宽高达2GB/s的插槽——超过高速USB 33倍，100 Mb/s以太网的160倍，甚至是即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）总是通过一个内部总线（例如PCI Express）与PC处理器相连，因而理论上总会导致性能下降。我们以一个模块化RF采集系统为例，来讨论高速总线如何影响测试与测量。在一个台式机或PXI系统中，一个带有4个2 GB/s的PCI Express插槽，可以将两个通道100 MS/s 的16位IF（中频）数据直接输送到处理器供运算。由于LAN与USB都不能满足这些需求，所以需要提供这样性能水平的仪器总是包含一个嵌入式的、厂商定义的处理器，以完成测量——这样的仪器就不再是模块化的了。

Figure 4. PCI and PCI Express provide the highest bandwidth and lowest latency, decreasing test time and delivering flexibility and longevity through user-defined software.

对于一个模块化仪器，与主机的高速连接是提供灵活性和长生命周期的关键，因为它使软件而非仪器驻留于主机。通过在主机上运行软件，用户（而不是厂商）可以定义仪器如何运行。这样的架构使您能够：1）进行那些不够普遍以致未能包含在典型的、厂商定义的、非模块化的途径中的测量；2）为尚未发布的标准创建测量； 3）定义用于进行特殊测量的算法。软件的用户定义本质也意味着，当待测设备发生变化时，您可以对测量甚至仪器进行增加或调整。您也可以使用软件的直接访问，通过网络来监听或控制这些模块化仪器。

值得注意的是，这些硬件的实现并没有牺牲测量性能。目前，通过模块化仪器方法的设计的仪器，包括业界最高分辨率的数字化仪、最高带宽的任意波形发生器和最精确的7位半数字万用表。

4. 灵活的自定义测量软件

模块化仪器中软件的作用是不容忽视的。软件将来自硬件的原始比特流转换为一个有用的测量值。一个设计良好的模块化仪器系统能兼顾软件的多层结构，包括I/O驱动程序、应用开发程序和测试管理程序。

Figure 5. Software layers are often used in a modular instrumentation system.

位于最底层的测量与控制服务，是最常被忽略的，但却是一个模块化仪器系统最关键的要素之一。该层代表I/O驱动软件和硬件配置工具。这个驱动软件非常关键，因为它为测试开发软件和用于测量与控制的硬件之间提供连接。

仪器驱动程序提供一个高层、直接可读的、与仪器交互的函数的集合。每个仪器驱动程序都是为特定的仪器模块量身定做，以提供一个调用其独特功能的接口。对于一个仪器驱动程序，特别重要的是其与开发环境的集成，以便仪器命令成为应用开发的无缝集成的一部分。系统开发人员需要根据所选的开发环境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）对仪器驱动进行优化。

同样包含在测量与控制服务中的是配置工具。这些配置工具包括用于配置和测试I/O的资源，存储扩展、校准和通道混叠信息。这些工具对于一个仪器系统的快速构建、故障排除和维护非常重要。

位于应用开发环境层的软件能提供用于开发应用所需的代码或程序的工具。虽然图形化编程不是每一个模块化仪器系统所必需的，但出于易用性和快速开发的考虑，这些系统经常使用图形化工具。图形化编程使用“图标”或符号函数，以绘图方式表示所要执行的操作，如图7所示。这些符号通过传递数据并确定执行顺序的“线”相连。LabVIEW提供了业界最常用的、也是最完整的图形化开发环境。