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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(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(shè)備之后，整個工業(yè)界也見證了一代新興產(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、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(yīng)用軟件使他們的設(shè)備更適應(yīng)他們的個性化需求。

技術(shù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)的同時,對每項突破性技術(shù)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(shù)加入下一代產(chǎn)品就比原來的產(chǎn)品增加了50項新的相關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計者所構(gòu)想的那樣被使用。

傳統(tǒng)的臺式儀器是為了實驗臺而設(shè)計的，當(dāng)工程師或技術(shù)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(shè)計。在一個設(shè)計實驗平臺上，十秒鐘的測量時間是可以忽略不計的，但當(dāng)該測量方法被用于一個生產(chǎn)線上的上千臺設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)折點，現(xiàn)在正在向PXI快速的轉(zhuǎn)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(shù)無線電設(shè)備供應(yīng)商，最近收到很多訂單，預(yù)訂其Falcon系列高性能無線電設(shè)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(shè)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(shè)備的數(shù)目，而且將每一臺無線電設(shè)備的測試成本減少了74%。

NI最近的全球測試經(jīng)理調(diào)查證實了這種轉(zhuǎn)折趨勢。在調(diào)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(shù)。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(shù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，保證了投資處于公開、多供應(yīng)商（公平競爭）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(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(fēng)，當(dāng)它轉(zhuǎn)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(dāng)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(gòu)，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(yīng)用（例如射頻信號的處理和分析）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(chǎn)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(nèi)領(lǐng)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(guān)領(lǐng)先測量技術(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(dāng)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(yīng)商設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)備復(fù)雜度的提高在升級。當(dāng)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(chǔ)上去調(diào)試設(shè)備，最后再反過來同步RF測量。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(fù)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(fù)雜的激勵響應(yīng)系統(tǒng)建模，包括復(fù)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(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候都要更快、更小、更低價。為了跟上待測設(shè)備的發(fā)展，測試工程師們必須轉(zhuǎn)向基于PXI的測試系統(tǒng)。

– Matthew Friedman 

NI 公司PXI平臺資深產(chǎn)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(guān)注Matthew，您可以得到最新的PXI更新消息。