作者: Charles Schroeder, 美國國家儀器公司測試市場部總監
玩具改變了他們對世界的認識一樣,26年前,美國國家儀器通過NI LabVIEW係統設計軟件,重新改變了人們對儀器的認知。今年,NI將再次重演曆史,發布一款新型儀器,幫助測試工程師擺脫廠商定義儀器的束縛。
如同每個孩子所擁有的第一套LEGO®
xuduonianlai,yiqidejibenmoshimeiyoutaidadegaibian。xuyaojinxingceshigongzuodegongchengshihekexuejiabixuxiancongceshicelianggongyingshangchugoumaigongnenggudingdeyingjian,ranhouzaibiaozhuntaishijisuanjishangshiyongzhuruLabVIEWzhileideruanjian,tongguoxinhaochuli,juece,zidonghuadengfangshikuozhanyingjiandegongneng。ermokuaihuayiqidechuxianshiyigejudadefeiyue,bingchengweilezidonghuaceshixitongdejidingbiaozhun。danshimokuaihuayiqizhongdexuduogongnengyiyouchangjiazaiqianrushigujianzhongdingyiwanbi,yonghuwufaduigujianjinxinggenggaiyimanzutedingdeyingyongxuqiu。
然(ran)而(er),對(dui)於(yu)許(xu)多(duo)其(qi)他(ta)的(de)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo),固(gu)定(ding)功(gong)能(neng)的(de)硬(ying)件(jian)理(li)念(nian)已(yi)經(jing)過(guo)時(shi)。傳(chuan)統(tong)的(de)手(shou)機(ji)生(sheng)產(chan)商(shang)正(zheng)努(nu)力(li)快(kuai)速(su)轉(zhuan)向(xiang)基(ji)於(yu)軟(ruan)件(jian)的(de)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)。客(ke)戶(hu)希(xi)望(wang)通(tong)過(guo)在(zai)設(she)備(bei)上(shang)運(yun)行(xing)的(de)軟(ruan)件(jian)獲(huo)得(de)更(geng)多(duo)的(de)控(kong)製(zhi),使(shi)得(de)他(ta)們(men)的(de)手(shou)機(ji)具(ju)備(bei)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)個(ge)人(ren)需(xu)求(qiu)的(de)功(gong)能(neng)。而(er)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)也(ye)不(bu)外(wai)乎(hu)此(ci)。
您現在可以使用首款軟件定義的儀器,NI PXIe-5644R矢量信號收發器(VST),來體驗至今最具靈活性的自定義測試儀器。
軟件設計儀器具備的三個本質特性:
· 使用基於FPGA的開源固件設計的儀器硬件,具有即時可用的特點,並包含豐富的範例代碼。
· 優秀的係統設計軟件能夠降低自定義硬件儀器設計的複雜度。
· 從集成一個固定功能的設備到設計出用戶真正需要的儀器,這是一個根本性的理念改變。
使用開源的基於FPGA固件的硬件
新的NI PXIe-5644R VST尺寸更小,成本更低,能更加徹底地以軟件為核心。基於行業領先的FPGA技術和完全基於LabVIEW編寫開源軟件和固件的原則,VST硬件設計可以盡可能地將射頻轉換成比特。使用靈活的軟件設計方案來替換固定的廠家定義的硬件,VST可幫助測試工程師設計出他們真正需要的儀器功能。

圖1:在NI PXIe-5644R VST的設計中,將矢量信號發生器和分析儀與一個FPGA相連接,這樣用戶可以在第一次射頻測試應用中執行閉環的係統級測試任務
VST還能幫助射頻工程師集成最多五個射頻通道(每個通道都具備射頻生成和采集功能)至一個PXI機箱,以滿足並行測試需求和多輸入多輸出(MIMO)應用需求。大多數的傳統儀器解決方案提供一個激勵,或者測量一個響應;而VST在一個獨立硬件上結合了射頻發生器和分析儀,因為這兩個儀器都與一個FPGA相連接,用戶可以在這個FPGA中對固件進行設計,使得他們在第一次射頻測試應用中就能使用閉環的係統級測試功能。
通過將矢量信號發生器(VSG)和矢量信號分析儀(VSA)與LabVIEW可編程實時信號處理與控製相結合,VST具備了以下的特性:
· 一個用戶可編程FPGA
· 覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率範圍
· 80 MHz實時射頻帶寬
· 結合了射頻發生器和分析儀,以及一個高速數字I/O端口
· 使用三個PXI Express插槽,降低成本,減小封裝
· 支持最新的無線標準(802.11ac和 LTE)
軟件使得矢量信號收發器更為強大

圖2:該LabVIEW 2012框圖展示了VST信號鏈的每一部分,從信號采集到校準,再到數字信號處理(DSP)及存儲於內存中
LabVIEW軟(ruan)件(jian)結(jie)合(he)該(gai)新(xin)型(xing)射(she)頻(pin)儀(yi)器(qi),能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)所(suo)有(you)具(ju)備(bei)射(she)頻(pin)知(zhi)識(shi)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)和(he)科(ke)學(xue)家(jia)成(cheng)功(gong)設(she)計(ji)出(chu)新(xin)的(de)特(te)性(xing)或(huo)提(ti)高(gao)現(xian)有(you)儀(yi)器(qi)性(xing)能(neng)。軟(ruan)件(jian)應(ying)當(dang)首(shou)先(xian)讓(rang)客(ke)戶(hu)在(zai)儀(yi)器(qi)中(zhong)以(yi)係(xi)統(tong)級(ji)別(bie)對(dui)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)設(she)計(ji),以(yi)基(ji)本(ben)模(mo)塊(kuai)完(wan)成(cheng)圖(tu)形(xing)化(hua)和(he)編(bian)程(cheng),來(lai)簡(jian)化(hua)儀(yi)器(qi)的(de)複(fu)雜(za)度(du)。接(jie)著(zhe),軟(ruan)件(jian)應(ying)當(dang)在(zai)底(di)層(ceng)抽(chou)象(xiang)化(hua)射(she)頻(pin)儀(yi)器(qi)軟(ruan)件(jian)和(he)固(gu)件(jian)的(de)複(fu)雜(za)度(du),使(shi)用(yong)戶(hu)快(kuai)速(su)理(li)解(jie)信(xin)號(hao)流(liu),並(bing)且(qie)了(le)解(jie)在(zai)什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)該(gai)進(jin)行(xing)怎(zen)樣(yang)的(de)增(zeng)加(jia)或(huo)修(xiu)改(gai)。這(zhe)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)以(yi)層(ceng)次(ci)化(hua)的(de)方(fang)式(shi)深(shen)入(ru)了(le)解(jie)每(mei)個(ge)抽(chou)象(xiang)處(chu)理(li),訪(fang)問(wen)儀(yi)器(qi)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)功(gong)能(neng)。
編寫軟件的語言應當兼顧微處理器和FPGA,使(shi)得(de)用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)在(zai)任(ren)意(yi)位(wei)置(zhi)利(li)用(yong)這(zhe)兩(liang)個(ge)處(chu)理(li)器(qi)架(jia)構(gou)的(de)內(nei)在(zai)並(bing)行(xing)性(xing)來(lai)執(zhi)行(xing)自(zi)定(ding)義(yi)功(gong)能(neng)。最(zui)後(hou),軟(ruan)件(jian)應(ying)當(dang)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)參(can)考(kao)設(she)計(ji),以(yi)幫(bang)助(zhu)那(na)些(xie)更(geng)加(jia)熟(shu)悉(xi)傳(chuan)統(tong)儀(yi)器(qi)的(de)客(ke)戶(hu)立(li)即(ji)獲(huo)取(qu)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)。
LabVIEW可以滿足上述的全部需求。它可以對在儀器上的FPGA、實時處理器和PC軟件並行編程進行優化。其天生的數據流編程模型也能提供直觀的方式,顯示數據從I/O管腳輸入到應用程序的過程。這種方法可以解決可視化的問題,並能夠在同一個程序框圖中實現。
自從1998年以來,經過實際的驗證,LabVIEW可應用於實時係統的編程,從2003年起,LabVIEW即可直接對FPGA進行編程。事實上,多年來通過基於LabVIEW的可重複配置I/O(RIO)構架的產品,LabVIEW已經能夠應對高性能、確定性任務的係統設計挑戰。在CERNdedaxingqiangziduizhuangjizhongguanlishizhunyi,zaiquanqiudeyishengbangongshizhongkongzhijiguangjinxingbaineizhangshoushu,goujianweilaikezaishengnengyuandehuoquhefenbushixitong,zhexiedoushiLabVIEW用於確定性、高性能要求應用中的案例。NI PXIe-5644R VST的發布為射頻領域的工程師也帶來了這些強大的功能。
LabVIEW 2012提供了新的模板和範例項目,可應用於大多數的NI硬件設備,包括VST。範例項目可以確保係統的質量和可擴展性,並包含了可以使VST作為VSA和VSGgongzuoyuqianrushishepinliupanyingyongderuanjian,congergeiyuyonghuyigeqiangdadeceshiyingyongqishidian。suoyoudemobanhefanlixiangmudoushikaiyuande,bingqiebaohanlexiangguanwendang,qingchudichanmingleyingyongfangfa,yijizengjiahuoxiugaigongnengdezuijiashijianfangfa。

圖3:用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊來對VST上的FPGA進行編程,其具有整合浮點計算和分析的特性
用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊(在最新的2012版本中還增加了許多新的功能)對VST上的FPGA進jin行xing編bian程cheng。諸zhu如ru整zheng合he浮fu點dian計ji算suan和he分fen析xi的de功gong能neng可ke以yi提ti供gong給gei用yong戶hu更geng多duo的de選xuan擇ze進jin行xing代dai碼ma移yi植zhi和he複fu用yong,並bing提ti供gong了le一yi個ge新xin的de優you化hua技ji術shu以yi生sheng成cheng高gao性xing能neng的deFPGA IP核。
對儀器的全新認知
在經過數十年學習如何對廠家定義的儀器進行編程後,用戶現在可以使用NI PXIe-5644R VST和LabVIEW來設計自己的儀器。
通過軟件設計的方法,用戶不用再去問:“我如何才能讓這個盒子發揮廠家預先設計的功能?”相反地,用戶會開始問:“如果我能讓這台儀器做我想讓它做的事情,我會讓它做什麼,我該如何去做呢?”
較早使用VST的用戶將他們的設備用於以下應用:
· 將協議嵌入到儀器中以搭建協議感知的射頻測試器
· 通過整合的實時通道模型來仿真現場射頻設備測試
· 使用硬件在環技術對射頻功率放大器的非線性進行伺服
· 軟件定義無線電以未來射頻標準進行原型開發
對於部分人來說,其應用和未來的發展是顯而易見的;而(er)其(qi)他(ta)的(de)人(ren)則(ze)會(hui)需(xu)要(yao)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)才(cai)會(hui)接(jie)受(shou)這(zhe)個(ge)新(xin)方(fang)法(fa)。就(jiu)如(ru)同(tong)當(dang)年(nian)用(yong)戶(hu)授(shou)權(quan)的(de)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)的(de)出(chu)現(xian)一(yi)樣(yang)。現(xian)在(zai)回(hui)頭(tou)去(qu)看(kan),我(wo)們(men)無(wu)法(fa)想(xiang)象(xiang)不(bu)能(neng)使(shi)用(yong)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)去(qu)實(shi)現(xian)無(wu)數(shu)應(ying)用(yong)的(de)生(sheng)活(huo),但(dan)當(dang)第(di)一(yi)部(bu)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)問(wen)世(shi)時(shi),大(da)多(duo)數(shu)的(de)人(ren)還(hai)隻(zhi)是(shi)把(ba)它(ta)認(ren)為(wei)是(shi)一(yi)部(bu)普(pu)通(tong)的(de)手(shou)機(ji)。一(yi)旦(dan)軟(ruan)件(jian)定(ding)義(yi)的(de)儀(yi)器(qi)成(cheng)為(wei)主(zhu)流(liu),你(ni)對(dui)儀(yi)器(qi)的(de)看(kan)法(fa)又(you)會(hui)如(ru)何(he)改(gai)變(bian)呢(ne)?