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從機架式測試系統(tǒng)到PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）
摩爾定律將PXI帶向未來
軟件的發(fā)展
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在30多年的時間里，科技界已經(jīng)在各種實踐中見證了摩爾定律。
晶體管密度每18個月就增長一倍，很大程度上地提高了電子設備的性能。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。這些技術上的進步帶來了成本的大幅降低。比如以前價值上百美元的LCD顯示屏現(xiàn)在已經(jīng)可以整合到廉價的賀卡中。因為有了更快、更小、更低廉的設備之后，整個工業(yè)界也見證了一代新興產品的爆發(fā)。這些產品往往集成了很多工具，比如GPS定位系統(tǒng)、數(shù)碼相機、手機等。另外，這些工具往往都具有軟件定義功能，用戶可以下載應用軟件使他們的設備更適應他們的個性化需求。
技術創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)的同時,對每項突破性技術進行檢驗也愈加成為一種挑戰(zhàn)。比如說，將無線局域網(wǎng)技術加入下一代產品就比原來的產品增加了50項新的相關測試。幸運的是，摩爾定律對于下一代的測試平臺和模塊化測試儀器一樣適用。伴隨著軟件定義的解決方案的發(fā)展，這些測試系統(tǒng)性能的提高完全可以跟得上待測設備的發(fā)展步伐。
從機架式測試系統(tǒng)到PXI（面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）
幾十年來，通過使用與工程實驗中同樣的傳統(tǒng)臺式儀器，在機架上一層層地搭建，工程師們已經(jīng)設計了一些自動測試系統(tǒng)。機架系統(tǒng)通過一個儀器控制接口連接到電腦上，電腦上的程序保證系統(tǒng)的自動運行。盡管這些機架式系統(tǒng)能夠完成一定的功能，但它們并沒有按照儀器的設計者所構想的那樣被使用。
傳統(tǒng)的臺式儀器是為了實驗臺而設計的，當工程師或技術人員想要手動測試或者檢測一個儀器的故障時會使用。在機架式系統(tǒng)中，儀器的屏幕、旋鈕以及按鈕常常會變?yōu)橐环N對空間和資金的浪費。進一步來說，這些儀器并沒有像那些自動儀器一樣為了測量速度或者數(shù)據(jù)吞吐量而特別設計。在一個設計實驗平臺上，十秒鐘的測量時間是可以忽略不計的，但當該測量方法被用于一個生產線上的上千臺設備的測量時，這可能就意味著巨額的經(jīng)濟損失。
相比傳統(tǒng)機架式的臺式儀器，使用PXI， 您可以得到一個外形更小巧、性價比更高、更適合您需求的解決方案。
– Jessy Cavazos, Frost & Sullivan
圖1. 不同于傳統(tǒng)的機架式儀器，工程師可以通過升級控制器，在PXI系統(tǒng)整個生命周期內不斷提高其性能。
在過去的幾年里，工業(yè)自動化測試已經(jīng)達到了一個轉折點，現(xiàn)在正在向PXI快速的轉變。專門為自動化測試進行優(yōu)化的PXI提供了一種比機架式儀器更快、更小、更高性價比的解決方案。Harris RF Communications公司，一家軍用多頻帶戰(zhàn)術無線電設備供應商，最近收到很多訂單，預訂其Falcon系列高性能無線電設備。這家公司就需要一種更先進的測試方法，從而可以同時測試更多的無線電設備。Harris選擇了NI TestStand軟件和PXI硬件作為它下一代測試系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺。使用NI平臺，Harris不但可以增加被測無線電設備的數(shù)目，而且將每一臺無線電設備的測試成本減少了74%。
NI最近的全球測試經(jīng)理調查證實了這種轉折趨勢。在調查中，70%以上的測試經(jīng)理表明他們將使用PXI作為他們下一代自動測試系統(tǒng)中至少一種的核心技術。與之形成鮮明的對比的是，只有30%的測試經(jīng)理選擇繼續(xù)在他們的自動測試系統(tǒng)里使用機架式測試儀器。
“使用新的基于NI PXI的技術平臺，我們在保證測量和性能完整性的同時，將成本縮減到原來的1/3，半導體測試的吞吐量提高至原來的10倍。”
– Ray Morgan, ON Semiconductor
傳統(tǒng)臺式儀器的供應商們同樣也在PXI上做了很大的投資。比如說，在2010年9月，Agilent Technologies公司宣布了它對PXI平臺的支持，并推出了40多臺PXI模塊。Agilent與60多個供應商加入了PXI 系統(tǒng)聯(lián)盟。這個聯(lián)盟作為一個推動和維護PXI標準的產業(yè)聯(lián)盟，保證了投資處于公開、多供應商（公平競爭）的環(huán)境下。
圖 2. 新NI PXIe5665提供了業(yè)內領先的RF性能，并且與同樣的機架式解決方案相比，成本縮減四成，體積減小了九成
摩爾定律將PXI帶向未來
利用市場中的現(xiàn)成的技術，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在一個體積只有原來臺式儀器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)的自動測試儀器（Automated test equipment, ATE）來檢測它的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，當它轉向PXI測試系統(tǒng)以后，公司可以將他們測試系統(tǒng)的重量減小66倍、 耗電量減小到原來的1/16。以前裝載一個ATE系統(tǒng)的集裝箱裝載成本就相當于現(xiàn)在整個PXI測試系統(tǒng)的開發(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，工程師不需要更換機箱以及機箱中的儀器，只需要簡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2001年搭建的工作頻率為2.5 G FLOPS的舊系統(tǒng)更換一個使用最新Intel酷睿i7處理芯片的控制器，這樣新系統(tǒng)就可以以35G FLOPS的頻率運行。先進的處理能力對于計算密集型的應用（例如射頻信號的處理和分析）是至關重要的。例如，TriQuint半導體公司將傳統(tǒng)臺式儀器替換為基于PXI的自動測試系統(tǒng)后，實現(xiàn)了在GSM，EDGE和WCDMA功放特性測試中耗時6%至14%的減少。使用NI PXI模塊化儀器，該公司對新產品特性的測試時間從原來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)推動著各種平臺測試性能的提高。新的NI PXIe-5665矢量信號分析儀（Vector signal analyzer, VSA）提供了最好的RF測試性能，包括業(yè)內領先的相位噪聲、幅度精度以及動態(tài)范圍。新的VSA相比之前的臺式儀器，在成本減少四成、體積縮小九成的情況下，仍達到了最優(yōu)的性能。另一個有關領先測量技術的例子是新的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)秀的示波器生產商）聯(lián)合開發(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12.5GS/s的采樣率。
軟件的發(fā)展
當PXI為我們提供了一種更快、更小以及更高性價比的選擇的同時，它的實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商設定功能的臺式儀器不同，PXI測試系統(tǒng)是被其軟件定義的。就像工程師可以下載應用軟件去個性化他們的智能手機一樣，他們現(xiàn)在也可以根據(jù)他們特定的待測設備來個性化他們的測試系統(tǒng)。
PXI系統(tǒng)軟件不斷隨著被測設備復雜度的提高在升級。當工程師測試一個位于芯片上的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)時，他們不再需要通過輸入激勵、等待輸出來檢測和確認元器件的有效性。事實上，測試系統(tǒng)常常需要在實時數(shù)字協(xié)議（例如I2C, PCIExpress和SPI等）通訊的基礎上去調試設備，最后再反過來同步RF測量。這種復雜程度要求軟件能夠實現(xiàn)更高層次的抽象化，從而建模、控制以及測試這些系統(tǒng)。
圖 3. 在測試集成有無線局域網(wǎng)的芯片這樣的復雜系統(tǒng)時，需要新的測試抽象軟件及新的測試能力
幸運的是，像NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)開發(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年的臺式儀器界面相似的圖形化編程環(huán)境讓測試工程師有能力為復雜的激勵響應系統(tǒng)建模，包括復雜的定時和同步。另外，工程師還可以直接將相同的代碼下載到PXI上用戶可訪問的FPGA中，進行嵌入式的信號處理、個性化協(xié)議通訊，等等。
“NI PXI平臺可以在保證很大靈活性和實時性的同時大幅縮減我們的開發(fā)時間。使用LabVIEW可以保證在同一個環(huán)境中開發(fā)使用實時控制器和FPGA模塊，幫助我們達到快速整合的效果，最終還能得到一個獨立可靠的產品。”
– 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候都要更快、更小、更低價。為了跟上待測設備的發(fā)展，測試工程師們必須轉向基于PXI的測試系統(tǒng)。
– Matthew Friedman
NI 公司PXI平臺資深產品經(jīng)理，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟總監(jiān)及市場部聯(lián)合主席。在Twitter上搜索@PXI添加關注Matthew，您可以得到最新的PXI更新消息。