以虛擬儀控方案解決ATE量測

裝置與技術的要求條件正不斷提升，亦連帶讓測試系統漸趨複雜。測試系統必須隨著裝置更新而變化，而該筆成本所建構的系統，亦必須儘量能夠達到更長的使用週期與壽命。要能滿足上述條件的唯一方法，即為軟體定義的模組化架構。透過虛擬儀控的軟體定義相關概念，搭配硬體平台與軟體建置的選擇，可藉由模組化系統解決自動化測試設備（ATE）的量測問題。

傳統與虛擬式儀控架構

以基本面來說，今日的儀控架構有2種類型，分別是傳統式與虛擬式。圖一則說明此2種類型的架構。

《圖一　傳統與虛擬儀控架構的比較。2種架構均使用相似的硬體元件，而其主要差別則在於軟體常駐之處，與使用者是否可輕鬆使用並存取》

該圖指出此2種方式的相似處。當然，這2種類型均具有量測硬體、機箱、電源供應、匯流排、處理器、作業系統，與使用者介面。由於此2種架構均使用相同的基礎元件，因此最明顯的差異，即是以硬體立場觀看元件的封裝方式。

傳統或獨立的儀器，均將所有元件放置於相同的盒子中，適用於離散式儀器。獨立儀器的範例，即是透過GPIB、USB，或LAN／Ethernet所手動控制的儀器。這些儀器均設計為離散式裝置，並不專屬於某個系統所使用。若要使用大量的傳統儀器，則軟體處理過程與使用者介面，均必須固定於儀器本身之中；且僅限製造商突然心血來潮時，才有可能進行例如韌體的更新。因此，使用者絕不可能執行傳統儀器功能以外的其他量測作業，且往後若要執行新標準的量測或修改系統時，均將有其一定的難度。

反過來看，軟體定義的虛擬儀器，將可隨時提供來自於硬體的原始資料，讓使用者定義自己所需的量測作業與使用者介面。透過軟體定義的方式，使用者可進行客制量測、執行新標準的量測，或依自己需求隨時修改系統，例如新增儀器、通道，或新的量測功能。由於使用者定義的軟體亦可套用至獨立、特定應用的硬體，因此亦是於搭配一般的模組化硬體，以達量測軟體的完全彈性與效能。模組化儀控的核心，即要能整合彈性、使用者定義的軟體，與可調整的硬體元件。

可隨系統進行調整的模組化硬體

模組化儀控具有多種形式。在完整設計的模組化儀控系統中，如機箱與電源供應器的多種元件，均可共用多款儀器模組，不需為了迎合其他儀器再另外購買相同的元件。這些儀器模組亦包含不同類型的硬體，如示波器、函式產生器、數位，與RF。如圖二所示的某些案例中，量測硬體僅為週邊裝置，並安裝於主機電腦的週邊埠或週邊插槽。而主機電腦即可透過本身的I/O、處理器，與電源供應器，於軟體中執行量測單位。

《圖二　模組化儀控的量測硬體選項，左為USB週邊模組；右為PCI Express的插入式模組》

以PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）來說，此適於測試、量測，與控制的平台，共有超過70個會員公司支援該系統，而其量測硬體均安裝於工業級機箱中，如圖三所示。

《圖三　此為PXI硬體與NI的LabVIEW圖形化開發軟體的模組化儀控系統》

在PXI系統中，其主機電腦可嵌入至機箱中，如圖三所示，亦可外接筆記型電腦、桌上型電腦，或以整組伺服器透過連接線控制量測硬體。由於PXI系統使用的匯流排與電腦內建的匯流排完全相同（即為PCI與PCI Express，亦使用現成的電腦元件控制系統，因此不論是使用PXI系統或電腦，均可套用相同的模組化儀控概念。

先不論系統是屬於PXI系統、內建插入式模組的桌上型電腦，或是桌上型電腦使用週邊式的I/O模組，若能共用相同的機箱與控制器，將可大幅降低成本，並讓使用者輕鬆控制量測與分析軟體。雖然模組化儀控亦提供多種設定選項，而其與傳統儀控最大的差異即在於其軟體的開放性。若傳統儀器無法進行修改或其他量測時，使用者卻可透過模組化儀控，依測試需求定義所需的量測。

另一方面，與整合多項功能的單一機盒傳統儀器相較，模組化特性並無法代表完整的儀器架構或通道同步化功能。恰恰相反的是，模組化儀器設計可針對系統用途進行整合。所有的模組化儀器均可透過共用時脈與觸發器，提供相關時脈與同步化功能。以最高同步化精確度、基頻（Baseband）、中頻（Intermediate frequency；IF），與射頻（RF）為例，儀器將可透過100 ps以下的儀器交互歪曲（Interinstrument skew）進行同步化，效果將優於同一儀器跨多個通道的歪曲現象。

模組化特性與優勢

雖然「模組化」有時會遭誤解為硬體封裝的方式之一，但是模組化儀控絕不僅只是封裝而已。模組化儀控系統主要具有3大優點：共用的機箱、背板，與處理器將可降低成本與儀器體積；以主機處理器的高速連結功能達到較高輸出率；並以使用者定義的軟體達到較高彈性與壽命。

如上所述，模組化儀控系統的的所有儀器，均可共用相同的電源供應器、機箱，與控制器。獨立儀器均必須購買多組相同的電源供應器、機箱，與控制器；除了提高成本與儀器體積之外，並將降低穩定度。事實上，不論所使用的匯流排為何，每組自動化測試系統均需要搭配1組電腦；可共用控制器的模組化架構則因而橫跨所有儀器，藉以降低整組系統的成本。

在模組化儀控系統中，GHz的電腦處理器可透過軟體分析資料並進行量測。若傳統儀器使用內建的製造商定義韌體與特定應用處理器，則模組化儀控的測試系統可達10～100倍的傳輸率。舉例來說，常見的向量訊號分析器（VSA）每秒可執行0.13次的帶內功率（Power-in-band）量測，而NI的模組化VSA可於每秒執行4.18次的帶內功率量測，足足有33倍之譜。

模組化儀器需要高頻寬、低潛時（Latency）的匯流排，以將儀器模組連接至共用的處理器，適於執行使用者定義的量測。雖然目前USB已可滿足簡單易用的需要，而PCI與PCI Express更能達到模組化儀控的最高效能。PCI Express插槽目前可達最高4Gb/s頻寬，而PXI可達2Gb/s，為高速USB的33倍、100Mbps Ethernet的160倍，甚至是Gb Ethernet（GbE）的16倍，如圖四所示。如LAN與USB的週邊匯流排，均必須透過如PCI Express的內部匯流排連接電腦處理器，也因此僅可達較低的效能。若顧慮到高速匯流排可能影響測試與量測作業，則建議採用模組化的RF擷取系統。桌上型電腦或PXI系統的中PCI Express×4（2 Gb/s）插槽，則可透過2個100MS/s的通道，將16位元解析度的中頻（IF）資料直接串流至處理器進行運算。由於LAN與USB均無法達到上述要求，則需要此種效能的儀器往往均搭配製造商定義的嵌入式處理器，以執行所需的量測作業，因此亦不具模組化的特性。

《圖四　透過使用者定義的軟體，PCI與PCI Express可達最高頻寬、最低潛時、縮短測試時間，並提供極高的彈性與使用壽命》

在模組化儀器中，由於高速連結功能可將軟體常駐於主機而非儀器中，因此可提供使用彈性與使用壽命。因為軟體直接於主機中執行，使用者更可依需求定義儀器的作業方式。此架構可讓使用者

同時由使用者定義的軟體，亦可於改變受測裝置時，視需要新增或修改量測作業，亦可透過網路，直接以軟體監控這些模組化儀器。

而且，這些硬體建置作業絲毫不會影響量測效能。目前，以模組化儀控概念所設計的儀器，已可達業界最高解析度的示波器、最高頻率的任意波形產生器，還有最精確的7位半數位電表。

可進行彈性和客製化量測的軟體

軟體於模組化儀控所扮演的角色極為重要。軟體可針對來自於硬體的原始位元串流，將之轉換為有意義的量測結果。如圖五所示，妥善設計的模組化儀控系統，將包含多層軟體，如I/O驅動程式、應用開發，與測試管理工具。

《圖五　模組化儀控系統所常見的軟體層》

位於底部的Measurement and Control Services雖然常遭忽略，卻為模組化儀控系統的必備要素之一，此層軟體包含I/O驅動程式與硬體設定工具。由於驅動程式可連接測試開發軟體與量測硬體，因此為基礎必備要件。

儀器驅動程式是為讓使用者輕鬆解讀的高階函式，用以介接儀器。每組儀器驅動程式均為特定儀器所量身打造，以完整展現功能。儀器驅動程式的特殊要點，即在於能夠整合開發環境，讓儀器指令碼可緊密結合應用開發過程。若儀器驅動程式介面可針對開發環境（如 NI LabVIEW、C、C++，或Microsoft .NET）進行最佳化，對開發人員自然是事半功倍。

Measurement and Control Services中亦包含設定工具。這些設定工具包含設定並測試I/O的資源，並可儲存調整、校準，與通道別名（Channel-aliasing）的相關資訊。這些工具極試用於儀控系統的建立、除錯，與維護作業。

Application Development Environment中的軟體，則提供應用程式碼或開發程序的相關工具。雖然圖形化程式設計並非模組化儀器系統所必須，但是這些系統一般均使用圖形化工具，以簡化使用程序與開發作業。如圖六所示，圖形化程式設計均使用「圖示」或符號形函式，以圖畫的方式呈現所將執行的動作。這些符號均透過「接線（Wire）」相互連結，並傳送資料以決定執行順序。LabVIEW更提供業界圖形化開發環境。

《圖六　針對模組化儀控，以LabVIEW撰寫的常見激發響應應用，可（1）從任意波形產生器產生訊號，（2）從示波器擷取訊號，（3）執行快速傅利葉轉換（FFT），並可（4）於人機介面呈現FFT的結果》

針對執行測試或呈現測試資料，某些應用更需要另外的軟體管理。此即表示於System Management Software 層中。對高度自動化的測試系統來說，測試管理軟體的架構可進行序列、分流（Branching）／迴路（Looping）、報表產生，與資料庫整合。測試管理工具亦可因應特定應用的程式碼，緊密整合至開發環境中。舉例來說，NI TestStand即提供序列、分流、報表產生，與資料庫整合功能，並可連接所有常見的開發環境。若應用必須呈現大量的測試資料，則可使用其他工具。除了必須能存取大量分散的資料之外，更要能持續製作報表並呈現資料。這些軟體工具，可針對資料擷取或產生，或模擬期間所產生的大量資料，進行管理、分析，與報表製作。

模組化儀控可切合自動化測試的需求

由於日趨複雜的裝置更包含越來越多的離散技術，測試系統亦必須具有更高的彈性。測試系統除了要能因應裝置的快速變化之外，其所投資的成本亦應達到最高效益與系統使用壽命。要能滿足上述條件的唯一方法，即為軟體定義的模組化架構。透過共用元件、高速匯流排，與開放的使用者定義軟體，模組化儀控絕對適合現今與未來的ATE需要。

（作者任職於美商National Instruments國家儀器）