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從機(jī)架式測(cè)試系統(tǒng)到PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）
摩爾定律將PXI帶向未來(lái)
軟件的發(fā)展
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在30多年的時(shí)間里，科技界已經(jīng)在各種實(shí)踐中見(jiàn)證了摩爾定律,。
晶體管密度每18個(gè)月就增長(zhǎng)一倍,，很大程度上地提高了電子設(shè)備的性能。這不僅僅在最近的Intel i7處理器上可以體現(xiàn),，在很多不斷“減小”的技術(shù)上也可以看到，比如64GB 的固態(tài)硬盤現(xiàn)在已經(jīng)可以做到一張郵票的大小。這些技術(shù)上的進(jìn)步帶來(lái)了成本的大幅降低,。比如以前價(jià)值上百美元的LCD顯示屏現(xiàn)在已經(jīng)可以整合到廉價(jià)的賀卡中。因?yàn)橛辛烁?、更小,、更低廉的設(shè)備之后，整個(gè)工業(yè)界也見(jiàn)證了一代新興產(chǎn)品的爆發(fā),。這些產(chǎn)品往往集成了很多工具,，比如GPS定位系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī),、手機(jī)等,。另外,，這些工具往往都具有軟件定義功能，用戶可以下載應(yīng)用軟件使他們的設(shè)備更適應(yīng)他們的個(gè)性化需求,。
技術(shù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)的同時(shí),對(duì)每項(xiàng)突破性技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)也愈加成為一種挑戰(zhàn),。比如說(shuō)，將無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)加入下一代產(chǎn)品就比原來(lái)的產(chǎn)品增加了50項(xiàng)新的相關(guān)測(cè)試,。幸運(yùn)的是,，摩爾定律對(duì)于下一代的測(cè)試平臺(tái)和模塊化測(cè)試儀器一樣適用。伴隨著軟件定義的解決方案的發(fā)展,，這些測(cè)試系統(tǒng)性能的提高完全可以跟得上待測(cè)設(shè)備的發(fā)展步伐,。
從機(jī)架式測(cè)試系統(tǒng)到PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展）
幾十年來(lái)，通過(guò)使用與工程實(shí)驗(yàn)中同樣的傳統(tǒng)臺(tái)式儀器,，在機(jī)架上一層層地搭建,，工程師們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。機(jī)架系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)儀器控制接口連接到電腦上,，電腦上的程序保證系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行,。盡管這些機(jī)架式系統(tǒng)能夠完成一定的功能，但它們并沒(méi)有按照儀器的設(shè)計(jì)者所構(gòu)想的那樣被使用,。
傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器是為了實(shí)驗(yàn)臺(tái)而設(shè)計(jì)的,，當(dāng)工程師或技術(shù)人員想要手動(dòng)測(cè)試或者檢測(cè)一個(gè)儀器的故障時(shí)會(huì)使用。在機(jī)架式系統(tǒng)中,，儀器的屏幕,、旋鈕以及按鈕常常會(huì)變?yōu)橐环N對(duì)空間和資金的浪費(fèi)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō),，這些儀器并沒(méi)有像那些自動(dòng)儀器一樣為了測(cè)量速度或者數(shù)據(jù)吞吐量而特別設(shè)計(jì),。在一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，十秒鐘的測(cè)量時(shí)間是可以忽略不計(jì)的,，但當(dāng)該測(cè)量方法被用于一個(gè)生產(chǎn)線上的上千臺(tái)設(shè)備的測(cè)量時(shí),，這可能就意味著巨額的經(jīng)濟(jì)損失。
相比傳統(tǒng)機(jī)架式的臺(tái)式儀器,，使用PXI,， 您可以得到一個(gè)外形更小巧、性價(jià)比更高,、更適合您需求的解決方案,。
– Jessy Cavazos, Frost & Sullivan
圖1. 不同于傳統(tǒng)的機(jī)架式儀器，工程師可以通過(guò)升級(jí)控制器,，在PXI系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)不斷提高其性能,。
在過(guò)去的幾年里，工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，現(xiàn)在正在向PXI快速的轉(zhuǎn)變,。專門為自動(dòng)化測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化的PXI提供了一種比機(jī)架式儀器更快,、更小、更高性價(jià)比的解決方案,。Harris RF Communications公司,，一家軍用多頻帶戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電設(shè)備供應(yīng)商，最近收到很多訂單,，預(yù)訂其Falcon系列高性能無(wú)線電設(shè)備,。這家公司就需要一種更先進(jìn)的測(cè)試方法,，從而可以同時(shí)測(cè)試更多的無(wú)線電設(shè)備,。Harris選擇了NI TestStand軟件和PXI硬件作為它下一代測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。使用NI平臺(tái),，Harris不但可以增加被測(cè)無(wú)線電設(shè)備的數(shù)目,，而且將每一臺(tái)無(wú)線電設(shè)備的測(cè)試成本減少了74%。
NI最近的全球測(cè)試經(jīng)理調(diào)查證實(shí)了這種轉(zhuǎn)折趨勢(shì),。在調(diào)查中,，70%以上的測(cè)試經(jīng)理表明他們將使用PXI作為他們下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中至少一種的核心技術(shù)。與之形成鮮明的對(duì)比的是,，只有30%的測(cè)試經(jīng)理選擇繼續(xù)在他們的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)里使用機(jī)架式測(cè)試儀器,。
“使用新的基于NI PXI的技術(shù)平臺(tái)，我們?cè)诒ＷC測(cè)量和性能完整性的同時(shí),，將成本縮減到原來(lái)的1/3,，半導(dǎo)體測(cè)試的吞吐量提高至原來(lái)的10倍。”
– Ray Morgan, ON Semiconductor
傳統(tǒng)臺(tái)式儀器的供應(yīng)商們同樣也在PXI上做了很大的投資,。比如說(shuō),，在2010年9月，Agilent Technologies公司宣布了它對(duì)PXI平臺(tái)的支持,，并推出了40多臺(tái)PXI模塊,。Agilent與60多個(gè)供應(yīng)商加入了PXI 系統(tǒng)聯(lián)盟。這個(gè)聯(lián)盟作為一個(gè)推動(dòng)和維護(hù)PXI標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,，保證了投資處于公開(kāi),、多供應(yīng)商（公平競(jìng)爭(zhēng)）的環(huán)境下。
圖 2. 新NI PXIe5665提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的RF性能,，并且與同樣的機(jī)架式解決方案相比,，成本縮減四成，體積減小了九成
摩爾定律將PXI帶向未來(lái)
利用市場(chǎng)中的現(xiàn)成的技術(shù),，PXI從摩爾定律中獲得了巨大的好處,。使用那些只有20年前1/2000大小的晶體管,，NI在一個(gè)體積只有原來(lái)臺(tái)式儀器1/10的3UPXI模塊中創(chuàng)造了高性能的射頻儀器。有效地縮減了機(jī)架儀器占用的空間,，減少了儀器重量和耗電量,。Analog Devices公司一直使用傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試儀器（Automated test equipment, ATE）來(lái)檢測(cè)它的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)，當(dāng)它轉(zhuǎn)向PXI測(cè)試系統(tǒng)以后,，公司可以將他們測(cè)試系統(tǒng)的重量減小66倍,、 耗電量減小到原來(lái)的1/16。以前裝載一個(gè)ATE系統(tǒng)的集裝箱裝載成本就相當(dāng)于現(xiàn)在整個(gè)PXI測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本,。
摩爾定律的效果同樣顯著地表現(xiàn)在PXI的處理能力方面,。使用模塊化控制器架構(gòu)，工程師不需要更換機(jī)箱以及機(jī)箱中的儀器,，只需要簡(jiǎn)單地更換一下控制器,，就可以增加額外的處理能力了。為了提高性能,，他們可以輕松地為一個(gè)2001年搭建的工作頻率為2.5 G FLOPS的舊系統(tǒng)更換一個(gè)使用最新Intel酷睿i7處理芯片的控制器,，這樣新系統(tǒng)就可以以35G FLOPS的頻率運(yùn)行。先進(jìn)的處理能力對(duì)于計(jì)算密集型的應(yīng)用（例如射頻信號(hào)的處理和分析）是至關(guān)重要的,。例如,，TriQuint半導(dǎo)體公司將傳統(tǒng)臺(tái)式儀器替換為基于PXI的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了在GSM,，EDGE和WCDMA功放特性測(cè)試中耗時(shí)6%至14%的減少,。使用NI PXI模塊化儀器，該公司對(duì)新產(chǎn)品特性的測(cè)試時(shí)間從原來(lái)的兩周縮減到了一天,。
PXI不僅僅提供了一種更小和更快的解決方法,，還持續(xù)推動(dòng)著各種平臺(tái)測(cè)試性能的提高。新的NI PXIe-5665矢量信號(hào)分析儀（Vector signal analyzer, VSA）提供了最好的RF測(cè)試性能,，包括業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的相位噪聲,、幅度精度以及動(dòng)態(tài)范圍。新的VSA相比之前的臺(tái)式儀器,，在成本減少四成,、體積縮小九成的情況下，仍達(dá)到了最優(yōu)的性能,。另一個(gè)有關(guān)領(lǐng)先測(cè)量技術(shù)的例子是新的NI PXIe-5186數(shù)字化儀,。該數(shù)字化儀由NI公司和Tektronix（世界上最優(yōu)秀的示波器生產(chǎn)商）聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是現(xiàn)在市面上最高性能的PXI數(shù)字化儀,，擁有5GHz的帶寬和高達(dá)12.5GS/s的采樣率,。
軟件的發(fā)展
當(dāng)PXI為我們提供了一種更快、更小以及更高性價(jià)比的選擇的同時(shí)，它的實(shí)際意義在于提供了一種真正的軟件定義的解決方案,。與傳統(tǒng)的有著特定或者供應(yīng)商設(shè)定功能的臺(tái)式儀器不同,，PXI測(cè)試系統(tǒng)是被其軟件定義的。就像工程師可以下載應(yīng)用軟件去個(gè)性化他們的智能手機(jī)一樣,，他們現(xiàn)在也可以根據(jù)他們特定的待測(cè)設(shè)備來(lái)個(gè)性化他們的測(cè)試系統(tǒng),。
PXI系統(tǒng)軟件不斷隨著被測(cè)設(shè)備復(fù)雜度的提高在升級(jí)。當(dāng)工程師測(cè)試一個(gè)位于芯片上的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),，他們不再需要通過(guò)輸入激勵(lì),、等待輸出來(lái)檢測(cè)和確認(rèn)元器件的有效性。事實(shí)上,，測(cè)試系統(tǒng)常常需要在實(shí)時(shí)數(shù)字協(xié)議（例如I2C, PCIExpress和SPI等）通訊的基礎(chǔ)上去調(diào)試設(shè)備,，最后再反過(guò)來(lái)同步RF測(cè)量。這種復(fù)雜程度要求軟件能夠?qū)崿F(xiàn)更高層次的抽象化,，從而建模,、控制以及測(cè)試這些系統(tǒng)。
圖 3. 在測(cè)試集成有無(wú)線局域網(wǎng)的芯片這樣的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí),，需要新的測(cè)試抽象軟件及新的測(cè)試能力
幸運(yùn)的是，像NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件這樣的工具就可以滿足這種要求,。和已經(jīng)使用了25年的臺(tái)式儀器界面相似的圖形化編程環(huán)境讓測(cè)試工程師有能力為復(fù)雜的激勵(lì)響應(yīng)系統(tǒng)建模,，包括復(fù)雜的定時(shí)和同步。另外,，工程師還可以直接將相同的代碼下載到PXI上用戶可訪問(wèn)的FPGA中,，進(jìn)行嵌入式的信號(hào)處理、個(gè)性化協(xié)議通訊,，等等,。
“NI PXI平臺(tái)可以在保證很大靈活性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)大幅縮減我們的開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用LabVIEW可以保證在同一個(gè)環(huán)境中開(kāi)發(fā)使用實(shí)時(shí)控制器和FPGA模塊,，幫助我們達(dá)到快速整合的效果,，最終還能得到一個(gè)獨(dú)立可靠的產(chǎn)品。”
– Miguel Núñez, Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)
正如摩爾定律所闡述的,，新研發(fā)的裝置比以往任何時(shí)候都要更快,、更小、更低價(jià),。為了跟上待測(cè)設(shè)備的發(fā)展,，測(cè)試工程師們必須轉(zhuǎn)向基于PXI的測(cè)試系統(tǒng)。
– Matthew Friedman
NI 公司PXI平臺(tái)資深產(chǎn)品經(jīng)理,，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟總監(jiān)及市場(chǎng)部聯(lián)合主席,。在Twitter上搜索@PXI添加關(guān)注Matthew，您可以得到最新的PXI更新消息。