解讀有關(guān)模塊化儀器的五個(gè)誤解

　　隨著模塊化測(cè)試設(shè)備的日益普及，圍繞模塊化與傳統(tǒng)臺(tái)式儀器的優(yōu)劣對(duì)比產(chǎn)生了許多誤解。這些誤解雖然聽(tīng)起來(lái)很有道理，但這些結(jié)論往往真假并存，讓人虛實(shí)難辨。為了通過(guò)熟悉的語(yǔ)言和容易理解的概念來(lái)理解復(fù)雜事務(wù)，人們口口相傳便形成了所謂的神話，就如近代科學(xué)昌明之前用于解釋星座組成的希臘神話。為應(yīng)用選擇最適合的測(cè)試與測(cè)量?jī)x器同樣復(fù)雜，因此出現(xiàn)誤解并不足為奇。

　　是德科技擁有超過(guò)75年的臺(tái)式儀器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和超過(guò)30年的模塊化儀器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)橛脩籼峁┳罴舛说漠a(chǎn)品。是德科技深知在兩類產(chǎn)品之間做出選擇的難度，但是，去偽存真并消除誤解，是德科技可以幫助客戶針對(duì)具體應(yīng)用選擇理想的產(chǎn)品。下面將討論部分普遍認(rèn)同的誤解并闡明其真相。

　　誤解1:模塊化儀器價(jià)格必然低于臺(tái)式產(chǎn)品

　　該誤解產(chǎn)生的原因在于臺(tái)式儀器普遍價(jià)格昂貴。顯然，功能完備的獨(dú)立儀器包含眾多按鈕并配有前面板顯示屏，非常適合某些研發(fā)環(huán)境，但其并非大多數(shù)自動(dòng)測(cè)試環(huán)境的最佳選擇。模塊化儀器通常將貴重元件隱藏在內(nèi)部，因此給人以價(jià)格低廉的印象。例如，當(dāng)代PXI背板支持18個(gè)插槽和4GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但不可避免地增加了連接器、開(kāi)關(guān)和背板材料的成本。充分裝載寬帶連接儀器的機(jī)箱能夠發(fā)揮高成本帶來(lái)的性能提升，但對(duì)于其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)這些開(kāi)支可能并非必要。因此，實(shí)現(xiàn)單個(gè)儀器的PXI系統(tǒng)，其成本比相同的“臺(tái)式”儀器要高出10%~40%。

　　這個(gè)誤解包含哪些事實(shí)?作為獨(dú)立產(chǎn)品時(shí)，臺(tái)式儀器的價(jià)格可能相對(duì)較低，而在單機(jī)箱內(nèi)集成多臺(tái)儀器的模塊化解決方案往往可以攤薄成本。通常，單臺(tái)機(jī)箱整合2~4臺(tái)儀器可以獲得與臺(tái)式儀器相當(dāng)?shù)膬r(jià)格。

　　此外，儀器制造成本并不等同于客戶的購(gòu)買價(jià)格。部分廠商希望借助模塊化儀器進(jìn)入測(cè)試與測(cè)量市場(chǎng)。為了提高市場(chǎng)份額，一些廠商不惜將產(chǎn)品價(jià)格降低到市場(chǎng)價(jià)格以下，以利潤(rùn)換取市場(chǎng)。當(dāng)然，此類策略不可能長(zhǎng)期持續(xù)。

　　誤解2:模塊化儀器天生能夠提供更高的吞吐量

　　該誤解可能源于模塊化系統(tǒng)通常配置的快速背板。實(shí)際上，在選擇臺(tái)式或模塊化儀器的背板時(shí)，需要綜合考慮預(yù)期應(yīng)用的預(yù)算和功能需要。換句話說(shuō)，模塊化儀器不是必須要配備比臺(tái)式儀器速度更高的背板。背板選擇取決于儀器用途(圖1)。例如，使用臺(tái)式儀器時(shí)，通過(guò)寬帶背板連接儀器采集單元與計(jì)算單元更為方便，因?yàn)閮烧咧g只需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。與此同時(shí)，模塊化儀器的背板必須支持幾乎無(wú)限的連接組合。大多數(shù)當(dāng)代PXI機(jī)箱使用了第二代PCIe總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，以支持背板實(shí)現(xiàn)高吞吐量。部分臺(tái)式儀器的內(nèi)部背板采用了相同的第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)，但臺(tái)式儀器的總線設(shè)計(jì)通常只需支持該儀器的特定要求。例如，第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)的性能要求超過(guò)了16位30MHz任意波形發(fā)生器的性能需要，因此此類設(shè)備通常采用速度和成本相對(duì)較低的總線(例如USB)。同時(shí)，160GSa/s采樣率的示波器的性能要求高于第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)，因此需要速度更高的專有總線。

　　圖1:臺(tái)式儀器與模塊化儀器架構(gòu)對(duì)比。

　　該誤解包括兩個(gè)方面的事實(shí)。首先，模塊化儀器的背板的確通常速度很快，因?yàn)樗鼈儽辉O(shè)計(jì)成支持廣泛的應(yīng)用和不同的數(shù)據(jù)速率。為了滿足儀器間快速通信的要求，模塊化解決方案通常需要使用通用或標(biāo)準(zhǔn)背板。模塊化儀器則通常選擇寬帶背板標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)最嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　其次，模塊化儀器升級(jí)部件更方便，也就是說(shuō)模塊化系統(tǒng)可以更靈活且更經(jīng)濟(jì)高效地升級(jí)任何限制性能的部件，相比之下，臺(tái)式儀器速度升級(jí)更加困難。例如，如果CPU成為模塊化系統(tǒng)的性能瓶頸，用戶可以在市場(chǎng)出現(xiàn)新款PC時(shí)輕松升級(jí)。同樣，如果模數(shù)轉(zhuǎn)換器影響系統(tǒng)性能，真正的模塊化體系結(jié)構(gòu)支持用戶僅升級(jí)數(shù)字化儀。因此，即使臺(tái)式儀器和模塊化儀器具有相同的初始速度，模塊化儀器可以通過(guò)逐步升級(jí)實(shí)現(xiàn)速度提升并超過(guò)臺(tái)式設(shè)備。

　　誤解3:模塊化儀器具有較高吞吐量的原因在于其采用二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)程序接口(例如IVI)替代了文本接口(例如SCPI)

　　模塊化儀器不一定要使用二進(jìn)制接口，臺(tái)式儀器也不一定要使用SCPI接口。有些臺(tái)式儀器可以同時(shí)支持SCPI和IVI,部分模塊化產(chǎn)品同樣如此。最終選擇通常取決于儀器的用途。[!--empirenews.page--]

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，發(fā)送和接收驅(qū)動(dòng)程序命令耗時(shí)僅占測(cè)量時(shí)間的極小部分。鑒于儀器廠商致力于幫助用戶簡(jiǎn)化測(cè)量，這一點(diǎn)更為明顯。例如，是德科技“單鍵測(cè)試”(OBT)應(yīng)用程序可以讓用戶使用有限的命令完成整個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)(例如GSM、LTE等)的測(cè)試。這些OBT應(yīng)用程序可以使用SCPI(可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令)執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試(只需用戶啟動(dòng)測(cè)試，并在測(cè)試結(jié)束后獲取結(jié)果)，也可以使用儀器內(nèi)部的高速二進(jìn)制通信來(lái)完成測(cè)試過(guò)程中的硬件控制。因此，客戶使用SCPI或者IVI啟動(dòng)一鍵式測(cè)試的吞吐量差異可以忽略不計(jì)。

　　該誤解包括哪些事實(shí)?通過(guò)IVI等二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)程序接口發(fā)送命令的速度高于SCPI等解釋型命令接口。如果應(yīng)用需要大量且頻繁的PC與儀器之間的通信，驅(qū)動(dòng)程序接口成為性能限制因素的可能性將增加。這與系統(tǒng)是否采用模塊化結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。

　　誤解4:模塊化儀器的信號(hào)完整性不如臺(tái)式設(shè)備

　　大多數(shù)情況下，儀器采用模塊化外形尺寸并不會(huì)影響其信號(hào)完整性。事實(shí)上，在許多應(yīng)用中，多個(gè)儀器之間的相互依賴會(huì)直接影響系統(tǒng)級(jí)的指標(biāo)。對(duì)于這些應(yīng)用，模塊化系統(tǒng)通常可以提供更好的指標(biāo)。例如，有些應(yīng)用要求很嚴(yán)苛的儀器間偏差(例如MIMO應(yīng)用)，此時(shí)，使用通用背板更容易滿足要求。

　　該誤解包括哪些事實(shí)?空間受限的應(yīng)用更適合選擇模塊化解決方案，例如重視單位面積成本的某些制造環(huán)境。許多廠商在設(shè)計(jì)過(guò)程中做出的選擇驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在空間有限的應(yīng)用中，模塊化儀器廠商傾向于犧牲部分性能來(lái)縮減儀器尺寸。例如，他們可能選用體積較小、性能較低的振蕩器，或縮小PCB的走線間距，從而導(dǎo)致信號(hào)耦合。但是，這是儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中的權(quán)衡，并非模塊化本身的缺點(diǎn)。

　　一些模塊化儀器應(yīng)用了分區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)更方便的儀器部件升級(jí)。跨越模擬接口的分區(qū)可能需要增加連線，這可能會(huì)小幅影響性能。此外，支持部件升級(jí)的系統(tǒng)可能會(huì)增加儀器校準(zhǔn)的難度。

　　誤解5:模塊化儀器指模塊化硬件，而不是模塊化軟件

　　提及模塊化儀器，大多數(shù)工程師想到的是PXI、AXI、VXI或其他類型的機(jī)箱和插入式模塊。符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱當(dāng)然屬于模塊化的重要內(nèi)容，但必須結(jié)合模塊化軟件和校準(zhǔn)才能發(fā)揮模塊化硬件的最大價(jià)值。例如，是德科技的M9391A和M9393A PXIe矢量信號(hào)分析儀(圖2)是包含4款PXI模塊的模塊化系統(tǒng)：時(shí)鐘源、頻率合成器、下變頻器和數(shù)字化儀。

　　圖2:是德科技“真正的模塊化”矢量信號(hào)分析儀-M9393A PXI VSA。

　　縮減硬件尺寸是模塊化的重要目標(biāo)，但硬件、軟件和校準(zhǔn)的全面模塊化才能實(shí)現(xiàn)模塊化的真正價(jià)值。例如，上述產(chǎn)品允許客戶獨(dú)立升級(jí)時(shí)鐘源，以獲得更出色的相位噪聲性能。驅(qū)動(dòng)程序必須支持模塊化。同樣，傳統(tǒng)臺(tái)式儀器的校準(zhǔn)涵蓋全部4個(gè)部件，目的是應(yīng)用最簡(jiǎn)便的方法確保最佳性能，但該方法不適合支持時(shí)鐘源模塊升級(jí)的系統(tǒng)。此時(shí)需要采用不同的模塊化校準(zhǔn)方法，以確?？缮?jí)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)此例可知，模塊化儀器中硬件和軟件同樣重要。

　　該誤解包含哪些事實(shí)?部分模塊化產(chǎn)品只是采用模塊化背板的傳統(tǒng)臺(tái)式儀器-這是事實(shí)。例如，有的PXI VSA只是占據(jù)多個(gè)PXI背板插槽的一個(gè)大型模塊，而非4個(gè)模塊組成的系統(tǒng)。此類產(chǎn)品的軟件和校準(zhǔn)與傳統(tǒng)儀器并無(wú)二致。盡管具有體積小、支持儀器間快速連接等模塊化硬件的優(yōu)勢(shì)，但此類產(chǎn)品在可升級(jí)性方面無(wú)法與支持模塊化硬件、軟件及校準(zhǔn)的產(chǎn)品(例如M9393A PXIe VSA)相提并論。

　　總結(jié)

　　模塊化與臺(tái)式測(cè)試儀器的差異并不明顯，但十分重要。通常，模塊化更適合構(gòu)建多儀器系統(tǒng)。但當(dāng)需要從單臺(tái)儀器獲得最佳性能時(shí)，專用臺(tái)式儀器就很棒。在大多數(shù)系統(tǒng)中，可以綜合選擇臺(tái)式和模塊化儀器，在價(jià)格、性能和靈活性之間獲得最佳的組合。臺(tái)式儀器可能更適合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的原型測(cè)試階段，而模塊化產(chǎn)品有可能在系統(tǒng)驗(yàn)證等階段發(fā)揮更大效用。因此，確定一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)式儀器與模塊化產(chǎn)品靈活轉(zhuǎn)換的方法，從而節(jié)省測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用才是上佳之選。