如何实现以软件为核心设计模块化仪器测试系统

如今，伴随着测试需求的多样化和复杂化，软件定义的仪器系统已成为测试测量行业最重要的发展趋势和主流技术。软件定义的模块化系统不仅可以帮助用户在提高效率的同时降低测试成本，还能满足未来不断升级扩展的需要。

软件定义的模块化测试系统成为行业主流技术

当今的电子产品（例如iPhone）不但集成越来越多的功能，而且越来越依重于通过软件去定义产品功能。同样地，在产品设计和客户需求日益复杂的今天，用于测试测量的仪器系统也越来越突出软件定义的作用。通过软件定义硬件的功能，用户能够更快更灵活的配置测试系统，并满足不断改变的测试需求，例如同一个数字化仪可以实现示波器、频谱分析仪和视频分析仪等不同的功能。此外，通过软件还可以自定义更加友好的人机界面。

同时，为了实现对电子产品所集成的多种功能进行测试，同时也为了达到更好的灵活性和可升级性，测试系统正逐渐朝着模块化、小体积的方向发展，也就是将复杂的测试系统简化成模块化的硬件和软件去逐一实现，需要增加测试项目时只需增加相应的功能模块即可满足未来的升级需求。

基于这两个发展方向，以软件为核心的模块化仪器技术应运而生，并成为测试测量行业最重要的发展趋势和主流技术。相比于传统仪器固定的功能配置和只是对“测试结果”的呈现，以软件为核心的模块化仪器技术赋予用户更多自定义的测量功能。基于商业的高速总线（如PXI/PXI Express）可以确保大量原始数据的传输；一旦获取了原始数据，就能发挥软件的强大功能，对原始测量数据进行自定义处理、分析、显示、报告生成或数据存储。例如利用软件配置模块化射频仪器，并结合自定义的软件调制与解调，就能在同样的硬件平台上实现多种无线协议的测试，这也正体现了我们所说的软件无线电的概念。

以软件为核心的模块化仪器五层架构

具体而言，一个细化的以软件为核心的模块化测试系统架构如图1所示。现在许多企业都以该架构为标准构建测试系统。

图1 以软件为核心的模块化测试系统五层架构

结构层次五：系统管理软件

系统管理软件层位于五层架构的最高层。对于一个自动化测试系统，有些测试任务会根据待测设备（DUT）的不同而不同，如仪器配置、结果分析等；而有些对于所有的待测设备则是通用的，如测试流程的管理，测试报告的生成等。测试管理软件的作用就是将通用任务分离出来，通过专业的软件服务创建测试流程、集成报告生成和数据库管理等功能。专业测试管理软件（如NI TestStand）除提供上述功能，还内建了并行和自动协调测试工具可以帮助用户大幅提升测试效率，增加系统吞吐量。

结构层次四：应用开发软件

应用开发软件在测试架构中扮演着承上启下的作用。系统开发者需要借助它实现具体的测量应用程序、向最终用户显示必要的信息以及连接其它应用程序；同时测试开发软件需要通过设备驱动程序与I/O连接。不仅如此，用于开发测量应用的软件，还需要集成强大的数据分析和再现功能，并且是具有长生命周期的主流软件。NI的图形化的编程软件LabVIEW为用户提供了高效而直观的测试测量应用程序开发工具，满足所有上述需求。对于习惯于文本编程的用户，基于ANSI C的LabWindows/CVI和基于Microsoft Visual Studio的Measurement Studio也是不错的选择。

结构层次三：系统服务和驱动

系统服务和驱动层是连接软件开发环境和硬件设备的纽带。除了起到设备驱动的作用，这一层应该包含更多关于硬件配置管理，诊断测试等功能。例如，NI Measurement and Automation Explorer （MAX） 软件可以帮助开发者对所有的NI硬件和通过总线相连的众多传统仪器进行统一的自动检测和配置。系统服务和驱动还通过应用编程接口（API）提供了对应用开发软件层的集成，这样开发者可以很容易的实现设备的编程，从而提高开发效率，减少维护成本。

结构层次二：处理总线平台

仪器总线种类很多，每一种都有其适合的应用，例如GPIB总线目前还是最常见的台式仪器控制总线；LAN/LXI总线特别适合于分布式的系统。为了发挥不同总线的优势，达到系统性能的最优化，许多测试应用都基于混合总线测试系统。作为一个开放的、基于PC技术的测试测量平台，PXI和PXI Express提供了业界最好的数据带宽性能和背板集成的定时和同步功能，以其作为核心总线不会成为整个混合系统的传输瓶颈。同时PXI和PXI Express拥有和多种其它总线互连的软硬件接口支持，使其成为混合总线测试平台核心总线的理想选择。

结构层次一：仪器和设备I/O

作为系统架构的最底层，仪器和设备I/O层将直接接触到实际的物理信号，完成信号调理、A/D和D/A转换等工作。模块化的I/O主要是基于PXI和PXI Express总线的仪器，现在，有超过70家厂商提供超过1500种的PXI模块化仪器，其中包括Agilent，Rhode & Schwarz，Keithley和NI在内的众多知名公司，产品覆盖从数字化仪、信号发生、RF、电源到开关模块等各种I/O模块。基于模块化的软件架构和PXI/PXI Express为核心的控制模块，用户还可以轻松的集成基于GPIB，USB，LAN/LXI等总线的传统仪器，保护原有投资价值。

以软件为核心的模块化测试系统架构的应用

如今，数以千计的公司采用了以软件为核心的模块化的系统架构为标准构建仪器系统。例如，微软基于NI LabVIEW和PXI模块化仪器，为Xbox 360控制器设计的测试系统的速度是前一代测试系统的两倍；华录松下使用NI TestStand， NI LabVIEW和模块化仪器为新型DVD刻录机开发了完整的自动化测试系统，大大提高了效率。这样的例子不胜枚举。采用以软件为核心的模块化架构不仅为可以加速测试系统开发时间，节省成本，而且基于该架构，还能将最新的商业技术引入测试系统，开创创新应用。这些应用包括基于多核处理器的并行测试、基于FPGA的自定义仪器设计和硬件在环仿真、基于PXI Express总线和磁盘阵列技术的测试数据高速流盘等等。相信以软件为核心的模块化架构未来仍将是测试技术的主流，并不断深入每个测试领域，拓展新的应用方向。

责任编辑：gt