作者: Charles Schroeder, 美國國家儀器公司測試市場(chǎng)部總監

   如同每個(gè)孩子所擁有的第一套LEGO®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(guò)NI LabVIEW系統設計軟件，重新改變了人們對儀器的認知。今年，NI將再次重演歷史，發(fā)布一款新型儀器，幫助測試工程師擺脫廠(chǎng)商定義儀器的束縛。

   許多年來(lái)，儀器的基本模式?jīng)]有太大的改變。需要進(jìn)行測試工作的工程師和科學(xué)家必須先從測試測量供應商處購買(mǎi)功能固定的硬件，然后在標準臺式計算機上使用諸如LabVIEW之類(lèi)的軟件，通過(guò)信號處理，決策，自動(dòng)化等方式擴展硬件的功能。而模塊化儀器的出現是一個(gè)巨大的飛躍，并成為了自動(dòng)化測試系統的既定標準。但是模塊化儀器中的許多功能已由廠(chǎng)家在嵌入式固件中定義完畢，用戶(hù)無(wú)法對固件進(jìn)行更改以滿(mǎn)足特定的應用需求。

   然而，對于許多其他的應用來(lái)說(shuō)，固定功能的硬件理念已經(jīng)過(guò)時(shí)。傳統的手機生產(chǎn)商正努力快速轉向基于軟件的智能手機?？蛻?hù)希望通過(guò)在設備上運行的軟件獲得更多的控制，使得他們的手機具備滿(mǎn)足特定個(gè)人需求的功能。而測試設備也不外乎此。

   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(fā)器（VST），來(lái)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(gè)本質(zhì)特性：

• 使用基于FPGA的開(kāi)源固件設計的儀器硬件，具有即時(shí)可用的特點(diǎn)，并包含豐富的范例代碼。
• 優(yōu)秀的系統設計軟件能夠降低自定義硬件儀器設計的復雜度。
• 從集成一個(gè)固定功能的設備到設計出用戶(hù)真正需要的儀器，這是一個(gè)根本性的理念改變。

   使用開(kāi)源的基于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?；谛袠I(yè)領(lǐng)先的FPGA技術(shù)和完全基于LabVIEW編寫(xiě)開(kāi)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(lái)替換固定的廠(chǎng)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(fā)生器和分析儀與一個(gè)FPGA相連接，這樣用戶(hù)可以在第一次射頻測試應用中執行閉環(huán)的系統級測試任務(wù)

   VST還能幫助射頻工程師集成最多五個(gè)射頻通道（每個(gè)通道都具備射頻生成和采集功能）至一個(gè)PXI機箱，以滿(mǎn)足并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(gè)激勵，或者測量一個(gè)響應；而VST在一個(gè)獨立硬件上結合了射頻發(fā)生器和分析儀，因為這兩個(gè)儀器都與一個(gè)FPGA相連接，用戶(hù)可以在這個(gè)FPGA中對固件進(jìn)行設計，使得他們在第一次射頻測試應用中就能使用閉環(huán)的系統級測試功能。

   通過(guò)將矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）與LabVIEW可編程實(shí)時(shí)信號處理與控制相結合，VST具備了以下的特性：

• 一個(gè)用戶(hù)可編程FPGA
• 覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率范圍
• 80 MHz實(shí)時(shí)射頻帶寬
• 結合了射頻發(fā)生器和分析儀，以及一個(gè)高速數字I/O端口
• 使用三個(gè)PXI Express插槽，降低成本，減小封裝
• 支持最新的無(wú)線(xiàn)標準（802.11ac和 LTE）

   軟件使得矢量信號收發(fā)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）及存儲于內存中

   LabVIEW軟件結合該新型射頻儀器，能夠幫助所有具備射頻知識的工程師和科學(xué)家成功設計出新的特性或提高現有儀器性能。軟件應當首先讓客戶(hù)在儀器中以系統級別對軟件進(jìn)行設計，以基本模塊完成圖形化和編程，來(lái)簡(jiǎn)化儀器的復雜度。接著(zhù)，軟件應當在底層抽象化射頻儀器軟件和固件的復雜度，使用戶(hù)快速理解信號流，并且了解在什么時(shí)候該進(jìn)行怎樣的增加或修改。這能夠幫助客戶(hù)以層次化的方式深入了解每個(gè)抽象處理，訪(fǎng)問(wèn)儀器中的每一個(gè)功能。

   編寫(xiě)軟件的語(yǔ)言應當兼顧微處理器和FPGA，使得用戶(hù)可以在任意位置利用這兩個(gè)處理器架構的內在并行性來(lái)執行自定義功能。最后，軟件應當提供良好的參考設計，以幫助那些更加熟悉傳統儀器的客戶(hù)立即獲取測量結果。

   LabVIEW可以滿(mǎn)足上述的全部需求。它可以對在儀器上的FPGA、實(shí)時(shí)處理器和PC軟件并行編程進(jìn)行優(yōu)化。其天生的數據流編程模型也能提供直觀(guān)的方式，顯示數據從I/O管腳輸入到應用程序的過(guò)程。這種方法可以解決可視化的問(wèn)題，并能夠在同一個(gè)程序框圖中實(shí)現。

   自從1998年以來(lái)，經(jīng)過(guò)實(shí)際的驗證，LabVIEW可應用于實(shí)時(shí)系統的編程，從2003年起，LabVIEW即可直接對FPGA進(jìn)行編程。事實(shí)上，多年來(lái)通過(guò)基于LabVIEW的可重復配置I/O（RIO）構架的產(chǎn)品，LabVIEW已經(jīng)能夠應對高性能、確定性任務(wù)的系統設計挑戰。在CERN的大型強子對撞機中管理視準儀，在全球的醫生辦公室中控制激光進(jìn)行白內障手術(shù)，構建未來(lái)可再生能源的獲取和分布式系統，這些都是LabVIEW用于確定性、高性能要求應用中的案例。NI PXIe-5644R VST的發(fā)布為射頻領(lǐng)域的工程師也帶來(lái)了這些強大的功能。

   LabVIEW 2012提供了新的模板和范例項目，可應用于大多數的NI硬件設備，包括VST。范例項目可以確保系統的質(zhì)量和可擴展性，并包含了可以使VST作為VSA和VSG工作于嵌入式射頻流盤(pán)應用的軟件，從而給予用戶(hù)一個(gè)強大的測試應用起始點(diǎn)。所有的模板和范例項目都是開(kāi)源的，并且包含了相關(guān)文檔，清楚地闡明了應用方法，以及增加或修改功能的最佳實(shí)踐方法。
 
            

   圖3：用戶(hù)可以使用LabVIEW FPGA模塊來(lái)對VST上的FPGA進(jìn)行編程，其具有整合浮點(diǎn)計算和分析的特性

   用戶(hù)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(jìn)行編程。諸如整合浮點(diǎn)計算和分析的功能可以提供給用戶(hù)更多的選擇進(jìn)行代碼移植和復用，并提供了一個(gè)新的優(yōu)化技術(shù)以生成高性能的FPGA IP核。

   對儀器的全新認知

   在經(jīng)過(guò)數十年學(xué)習如何對廠(chǎng)家定義的儀器進(jìn)行編程后，用戶(hù)現在可以使用NI PXIe-5644R VST和LabVIEW來(lái)設計自己的儀器。

   通過(guò)軟件設計的方法，用戶(hù)不用再去問(wèn)：“我如何才能讓這個(gè)盒子發(fā)揮廠(chǎng)家預先設計的功能？”相反地，用戶(hù)會(huì )開(kāi)始問(wèn)：“如果我能讓這臺儀器做我想讓它做的事情，我會(huì )讓它做什么，我該如何去做呢？”

   較早使用VST的用戶(hù)將他們的設備用于以下應用：

• 將協(xié)議嵌入到儀器中以搭建協(xié)議感知的射頻測試器
• 通過(guò)整合的實(shí)時(shí)通道模型來(lái)仿真現場(chǎng)射頻設備測試
• 使用硬件在環(huán)技術(shù)對射頻功率放大器的非線(xiàn)性進(jìn)行伺服
• 軟件定義無(wú)線(xiàn)電以未來(lái)射頻標準進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)

   對于部分人來(lái)說(shuō)，其應用和未來(lái)的發(fā)展是顯而易見(jiàn)的；而其他的人則會(huì )需要一段時(shí)間才會(huì )接受這個(gè)新方法。就如同當年用戶(hù)授權的智能手機的出現一樣?，F在回頭去看，我們無(wú)法想象不能使用智能手機去實(shí)現無(wú)數應用的生活，但當第一部智能手機問(wèn)世時(shí)，大多數的人還只是把它認為是一部普通的手機。一旦軟件定義的儀器成為主流，你對儀器的看法又會(huì )如何改變呢？

   了解VST的詳情請訪(fǎng)問(wèn)www.ni.com/vst/zhs