以虚拟仪控方案解决ATE量测

装置与技术的要求条件正不断提升，亦连带让测试系统渐趋复杂。测试系统必须随着装置更新而变化，而该笔成本所建构的系统，亦必须尽量能够达到更长的使用周期与寿命。要能满足上述条件的唯一方法，即为软件定义的模块化架构。透过虚拟仪控的软件定义相关概念，搭配硬件平台与软件建置的选择，可藉由模块化系统解决自动化测试设备（ATE）的量测问题。

传统与虚拟式仪控架构

以基本面来说，今日的仪控架构有2种类型，分别是传统式与虚拟式。图一则说明此2种类型的架构。

《图一 传统与虚拟仪控架构的比较。2种架构均使用相似的硬件组件，而其主要差别则在于软件常驻之处，与用户是否可轻松使用并存取》

该图指出此2种方式的相似处。当然，这2种类型均具有量测硬件、机箱、电源供应、总线、处理器、操作系统，与用户接口。由于此2种架构均使用相同的基础组件，因此最明显的差异，即是以硬件立场观看组件的封装方式。

传统或独立的仪器，均将所有组件放置于相同的盒子中，适用于离散式仪器。独立仪器的范例，即是透过GPIB、USB，或LAN／Ethernet所手动控制的仪器。这些仪器均设计为离散式装置，并不专属于某个系统所使用。若要使用大量的传统仪器，则软件处理过程与用户接口，均必须固定于仪器本身之中；且仅限制造商突然心血来潮时，才有可能进行例如韧体的更新。因此，用户绝不可能执行传统仪器功能以外的其他量测作业，且往后若要执行新标准的量测或修改系统时，均将有其一定的难度。

反过来看，软件定义的虚拟仪器，将可随时提供来自于硬件的原始数据，让用户定义自己所需的量测作业与用户接口。透过软件定义的方式，用户可进行客制量测、执行新标准的量测，或依自己需求随时修改系统，例如新增仪器、信道，或新的量测功能。由于用户定义的软件亦可套用至独立、特定应用的硬件，因此亦是于搭配一般的模块化硬件，以达量测软件的完全弹性与效能。模块化仪控的核心，即要能整合弹性、用户定义的软件，与可调整的硬件组件。

可随系统进行调整的模块化硬件

模块化仪控具有多种形式。在完整设计的模块化仪控系统中，如机箱与电源供应器的多种组件，均可共享多款仪器模块，不需为了迎合其他仪器再另外购买相同的组件。这些仪器模块亦包含不同类型的硬件，如示波器、函式产生器、数字，与RF。如图二所示的某些案例中，量测硬件仅为外围装置，并安装于主计算机的外围埠或外围插槽。而主计算机即可透过本身的I/O、处理器，与电源供应器，于软件中执行量测单位。

《图二 模块化仪控的量测硬件选项，左为USB外围模块；右为PCI Express的插入式模块》

以PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）来说，此适于测试、量测，与控制的平台，共有超过70个会员公司支持该系统，而其量测硬件均安装于工业级机箱中，如图三所示。

《图三 此为PXI硬件与NI的LabVIEW图形化开发软件的模块化仪控系统》

在PXI系统中，其主计算机可嵌入至机箱中，如图三所示，亦可外接笔记本电脑、桌面计算机，或以整组服务器透过连接线控制量测硬件。由于PXI系统使用的总线与计算机内建的总线完全相同（即为PCI与PCI Express，亦使用现成的计算机组件控制系统，因此不论是使用PXI系统或计算机，均可套用相同的模块化仪控概念。

先不论系统是属于PXI系统、内建插入式模块的桌面计算机，或是桌面计算机使用外围式的I/O模块，若能共享相同的机箱与控制器，将可大幅降低成本，并让用户轻松控制量测与分析软件。虽然模块化仪控亦提供多种设定选项，而其与传统仪控最大的差异即在于其软件的开放性。若传统仪器无法进行修改或其他量测时，用户却可透过模块化仪控，依测试需求定义所需的量测。

另一方面，与整合多项功能的单一机盒传统仪器相较，模块化特性并无法代表完整的仪器架构或信道同步化功能。恰恰相反的是，模块化仪器设计可针对系统用途进行整合。所有的模块化仪器均可透过共享频率与触发器，提供相关频率与同步化功能。以最高同步化精确度、基频（Baseband）、中频（Intermediate frequency；IF），与射频（RF）为例，仪器将可透过100 ps以下的仪器交互歪曲（Interinstrument skew）进行同步化，效果将优于同一仪器跨多个信道的歪曲现象。

模块化特性与优势

虽然「模块化」有时会遭误解为硬件封装的方式之一，但是模块化仪控绝不仅只是封装而已。模块化仪控系统主要具有3大优点：共享的机箱、背板，与处理器将可降低成本与仪器体积；以主机处理器的高速链接功能达到较高输出率；并以用户定义的软件达到较高弹性与寿命。

如上所述，模块化仪控系统的的所有仪器，均可共享相同的电源供应器、机箱，与控制器。独立仪器均必须购买多组相同的电源供应器、机箱，与控制器；除了提高成本与仪器体积之外，并将降低稳定度。事实上，不论所使用的总线为何，每组自动化测试系统均需要搭配1组计算机；可共享控制器的模块化架构则因而横跨所有仪器，藉以降低整组系统的成本。

在模块化仪控系统中，GHz的计算机处理器可透过软件分析数据并进行量测。若传统仪器使用内建的制造商定义韧体与特定应用处理器，则模块化仪控的测试系统可达10～100倍的传输率。举例来说，常见的向量讯号分析器（VSA）每秒可执行0.13次的带内功率（Power-in-band）量测，而NI的模块化VSA可于每秒执行4.18次的带内功率量测，足足有33倍之谱。

模块化仪器需要高带宽、低潜时（Latency）的总线，以将仪器模块连接至共享的处理器，适于执行用户定义的量测。虽然目前USB已可满足简单易用的需要，而PCI与PCI Express更能达到模块化仪控的最高效能。PCI Express插槽目前可达最高4Gb/s带宽，而PXI可达2Gb/s，为高速USB的33倍、100Mbps Ethernet的160倍，甚至是Gb Ethernet（GbE）的16倍，如图四所示。如LAN与USB的外围总线，均必须透过如PCI Express的内部总线连接计算机处理器，也因此仅可达较低的效能。若顾虑到高速总线可能影响测试与量测作业，则建议采用模块化的RF撷取系统。桌面计算机或PXI系统的中PCI Express×4（2 Gb/s）插槽，则可透过2个100MS/s的信道，将16位分辨率的中频（IF）数据直接串流至处理器进行运算。由于LAN与USB均无法达到上述要求，则需要此种效能的仪器往往均搭配制造商定义的嵌入式处理器，以执行所需的量测作业，因此亦不具模块化的特性。

《图四 透过用户定义的软件，PCI与PCI Express可达最高带宽、最低潜时、缩短测试时间，并提供极高的弹性与使用寿命》

在模块化仪器中，由于高速链接功能可将软件常驻于主机而非仪器中，因此可提供使用弹性与使用寿命。因为软件直接于主机中执行，用户更可依需求定义仪器的作业方式。此架构可让用户

同时由用户定义的软件，亦可于改变受测装置时，视需要新增或修改量测作业，亦可透过网络，直接以软件监控这些模块化仪器。

而且，这些硬件建置作业丝毫不会影响量测效能。目前，以模块化仪控概念所设计的仪器，已可达业界最高分辨率的示波器、最高频率的任意波形产生器，还有最精确的7位半数字电表。

可进行弹性和客制化量测的软件

软件于模块化仪控所扮演的角色极为重要。软件可针对来自于硬件的原始位串流，将之转换为有意义的量测结果。如图五所示，妥善设计的模块化仪控系统，将包含多层软件，如I/O驱动程序、应用开发，与测试管理工具。

《图五 模块化仪控系统所常见的软件层》

位于底部的Measurement and Control Services虽然常遭忽略，却为模块化仪控系统的必备要素之一，此层软件包含I/O驱动程序与硬件配置工具。由于驱动程序可连接测试开发软件与量测硬件，因此为基础必备要件。

仪器驱动程序是为让用户轻松解读的高阶函式，用以介接仪器。每组仪器驱动程序均为特定仪器所量身打造，以完整展现功能。仪器驱动程序的特殊要点，即在于能够整合开发环境，让仪器脚本可紧密结合应用开发过程。若仪器驱动程序接口可针对开发环境（如 NI LabVIEW、C、C++，或Microsoft .NET）进行优化，对开发人员自然是事半功倍。

Measurement and Control Services中亦包含设定工具。这些设定工具包含设定并测试I/O的资源，并可储存调整、校准，与信道别名（Channel-aliasing）的相关信息。这些工具极试用于仪控系统的建立、除错，与维护作业。

Application Development Environment中的软件，则提供应用程序代码或开发程序的相关工具。虽然图形化程序设计并非模块化仪器系统所必须，但是这些系统一般均使用图形化工具，以简化使用程序与开发作业。如图六所示，图形化程序设计均使用「图标」或符号形函式，以图画的方式呈现所将执行的动作。这些符号均透过「接线（Wire）」相互链接，并传送数据以决定执行顺序。LabVIEW更提供业界图形化开发环境。

《图六 针对模块化仪控，以LabVIEW撰写的常见激发响应应用，可（1）从任意波形产生器产生讯号，（2）从示波器撷取讯号，（3）执行快速傅利叶转换（FFT），并可（4）于人机接口呈现FFT的结果》

针对执行测试或呈现测试数据，某些应用更需要另外的软件管理。此即表示于System Management Software 层中。对高度自动化的测试系统来说，测试管理软件的架构可进行序列、分流（Branching）／回路（Looping）、报表产生，与数据库整合。测试管理工具亦可因应特定应用的程序代码，紧密整合至开发环境中。举例来说，NI TestStand即提供序列、分流、报表产生，与数据库整合功能，并可连接所有常见的开发环境。若应用必须呈现大量的测试数据，则可使用其他工具。除了必须能存取大量分散的数据之外，更要能持续制作报表并呈现数据。这些软件工具，可针对数据撷取或产生，或仿真期间所产生的大量数据，进行管理、分析，与报表制作。

模块化仪控可切合自动化测试的需求

由于日趋复杂的装置更包含越来越多的离散技术，测试系统亦必须具有更高的弹性。测试系统除了要能因应装置的快速变化之外，其所投资的成本亦应达到最高效益与系统使用寿命。要能满足上述条件的唯一方法，即为软件定义的模块化架构。透过共享组件、高速总线，与开放的用户定义软件，模块化仪控绝对适合现今与未来的ATE需要。

（作者任职于美商National Instruments国家仪器）