2009 測(cè)試測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

30多年來(lái)，作為測(cè)試測(cè)量行業(yè)的創(chuàng)新者和虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，National Instruments一直致力于為工程師和科學(xué)家們提供一個(gè)通用的軟硬件平臺(tái)，用于科技應(yīng)用和工程創(chuàng)新。伴隨著測(cè)試需求的多樣化和復(fù)雜化，這種以軟件為核心的測(cè)試策略正逐漸成為行業(yè)主流的技術(shù)，并得到廣泛的應(yīng)用，在提高效率的同時(shí)降低測(cè)試成本。在新興商業(yè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)的今天和未來(lái)，測(cè)試測(cè)量行業(yè)正呈現(xiàn)出五個(gè)重要的發(fā)展方向。

趨勢(shì)一：軟件定義的儀器系統(tǒng)成為主流

如今的電子產(chǎn)品(像iPhone和Wii等)已越來(lái)越依重于軟件去定義產(chǎn)品的功能。同樣的，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和客戶需求日益復(fù)雜的今天，用于測(cè)試測(cè)量的儀器系統(tǒng)也朝著以軟件為核心的模塊化方向發(fā)展，使得用戶能夠更快更靈活的將測(cè)試集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中去，進(jìn)一步減少了開發(fā)時(shí)間。

通過(guò)軟件定義模塊化硬件的功能，用戶可以快速實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能，并應(yīng)用定制數(shù)據(jù)分析算法和創(chuàng)建自定義的用戶界面。相比于傳統(tǒng)儀器固定的功能限制和只是“測(cè)試結(jié)果”的呈現(xiàn)，以軟件為核心的模塊化儀器系統(tǒng)能夠賦予用戶更多的主動(dòng)權(quán)，甚至將自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)應(yīng)用到測(cè)試系統(tǒng)中。(見(jiàn)圖1)

在業(yè)界，被認(rèn)為是最保守的客戶之一的美國(guó)國(guó)防部在2002年向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告中指出下一代測(cè)試系統(tǒng)(NxTest)必須是基于現(xiàn)成可用商業(yè)技術(shù)(COTS)的模塊化的硬件，并同時(shí)強(qiáng)調(diào)了軟件的能動(dòng)作用。最新的合成儀器(Synthetic Instrumentation)的概念也無(wú)非是經(jīng)過(guò)重新包裝的虛擬儀器技術(shù)，將軟件的開放性和硬件的模塊化重新結(jié)合在了一起。

在媒體界,《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》雜志的編輯Louis Frenzel先生在他最近關(guān)于測(cè)試行業(yè)趨勢(shì)的文章(Synthetic Instrumentation No Longer A Test Case)中也再次肯定了虛擬儀器技術(shù)對(duì)于測(cè)試測(cè)量行業(yè)的革新作用以及軟件定義儀器的發(fā)展方向。

圖1：以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)參考架構(gòu)

趨勢(shì)二：多核/并行測(cè)試帶來(lái)機(jī)遇和挑戰(zhàn)

多核時(shí)代的來(lái)臨已成為不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，雙核乃至八核的商用PC現(xiàn)在已隨處可見(jiàn)。得益于PC架構(gòu)的軟件定義的儀器，用戶可以在第一時(shí)間享受到多核處理器為自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用帶來(lái)的巨大性能提升。

要充分發(fā)揮多核的性能優(yōu)勢(shì)，就必須創(chuàng)建多線程的應(yīng)用程序，例如我們可以將自動(dòng)化測(cè)試程序的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)記錄乃至用戶界面部分創(chuàng)建不同的線程，從而分配到不同的核上并行的運(yùn)行。不過(guò)，這樣并行的開發(fā)理念使得習(xí)慣于傳統(tǒng)串行開發(fā)方式的工程師難以適應(yīng)，尤其是當(dāng)核的數(shù)目越來(lái)越多……

挑戰(zhàn)和機(jī)遇往往是并存的，作為圖形化語(yǔ)言的代表，LabVIEW在設(shè)計(jì)當(dāng)初就考慮到了并行處理的需求，從LabVIEW 5.0開始支持多線程到現(xiàn)在已有10多年的歷史?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，天生并行的LabVIEW就是這樣一種馳騁多核技術(shù)時(shí)代的編程語(yǔ)言，通過(guò)自動(dòng)的程序多線程化(見(jiàn)圖2)，開發(fā)人員可以無(wú)需考慮底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，就可以高效地享用多核技術(shù)所帶來(lái)的益處。

無(wú)論是歐南天文臺(tái)極大望遠(yuǎn)鏡高達(dá)2700萬(wàn)次乘加運(yùn)算的鏡面控制，到Tokamak核聚變裝置的實(shí)時(shí)處理運(yùn)算，還是NASA的飛機(jī)安全性測(cè)試和TORC汽車控制快速原型設(shè)計(jì)，LabVIEW多核技術(shù)都為這些應(yīng)用帶來(lái)了巨大的性能和吞吐量的提升，隨著多核技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，提升的幅度將更為可觀。

圖2：LabVIEW中的自動(dòng)多線程和并行的數(shù)據(jù)流編程

趨勢(shì)三：基于FPGA的自定義儀器將更為流行

隨著設(shè)計(jì)和測(cè)試的要求越來(lái)越高，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)技術(shù)正逐漸被引入到最新的模塊化儀器中，這也就是我們所說(shuō)的基于FPGA的自定義儀器。

FPGA的高性能和可重復(fù)配置特性一直是硬件設(shè)計(jì)工程師們的最愛(ài)，而對(duì)于測(cè)試工程師而言，又何嘗不想擁有硬件級(jí)的確定性和并行性呢？像諸如實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真、高速內(nèi)存測(cè)試等應(yīng)用都需要用到FPGA來(lái)確保響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和高速的數(shù)據(jù)流入和流出，F(xiàn)PGA的IP核更是可以為工程師植入自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的算法提供契機(jī)。然而，苦于對(duì)硬件設(shè)計(jì)知識(shí)的缺乏和對(duì)VHDL或Verilog語(yǔ)言編程的恐懼，許多測(cè)試工程師對(duì)于FPGA技術(shù)望而卻步。

現(xiàn)在，NI提供的R系列數(shù)據(jù)采集和FlexRIO產(chǎn)品家族將高性能的FPGA集成到現(xiàn)成可用的I/O 板卡上，供用戶根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行定制和重復(fù)配置，同時(shí)配合LabVIEW FPGA直觀方便的圖形化編程，用戶能夠在無(wú)需編寫底層VHDL代碼的情況下，快速地配置和編程FPGA的功能，用于自動(dòng)化測(cè)試和控制應(yīng)用。(見(jiàn)圖3)

前段時(shí)間，歐洲核子研究中心(CERN)為世界最強(qiáng)大的粒子加速度器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)配備了超過(guò)120套帶有可重復(fù)配置I/O模塊的NI PXI系統(tǒng)，用于控制瞄準(zhǔn)儀的運(yùn)動(dòng)軌跡和監(jiān)測(cè)其實(shí)時(shí)位置，從而確保粒子在既定的路徑中運(yùn)作。為了保證極高的可靠性和精確性，F(xiàn)PGA成為其必備的測(cè)試和控制技術(shù)。

隨著對(duì)FPGA技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜性的簡(jiǎn)化，可以預(yù)計(jì)，擁有高性能和靈活性的FPGA技術(shù)將越來(lái)越多的被應(yīng)用于未來(lái)的儀器系統(tǒng)中.

圖3:NI帶FPGA的可重復(fù)配置I/O板卡和LabVIEW FPGA圖形化編程

趨勢(shì)四：無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的爆炸性增長(zhǎng)

近年來(lái)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展可謂是日新月異，從2000年前只有四五種的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)到現(xiàn)在眾多新標(biāo)準(zhǔn)如雨后春筍般涌現(xiàn)。越來(lái)越多的消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品都或多或少的集成了無(wú)線通信的功能，像蘋果公司最新的3G版iPhone手機(jī)，更是同時(shí)集成了UMTS, HSDPA, GSM, EDGE, Wi-Fi, GPS和藍(lán)牙等多種最新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。這些都給無(wú)線技術(shù)的開發(fā)和測(cè)試帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，測(cè)試技術(shù)如何跟上無(wú)線技術(shù)的發(fā)展成為工程師面臨的最大難題。通常傳統(tǒng)射頻儀器的購(gòu)買周期是5至7年，而新標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的推出周期卻是每?jī)赡暌惠啠?gòu)買的射頻測(cè)試設(shè)備由于其固件和功能的限定通常難以跟上新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度。

面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，一種以軟件為核心的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)正嶄露頭角。信號(hào)的上下變頻和數(shù)字化由模塊化的射頻硬件的完成，而編解碼和調(diào)制解調(diào)的過(guò)程全部通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。這樣，在統(tǒng)一的模塊化硬件平臺(tái)上，只需修改軟件就可以滿足不同無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求，使得工程師有能力在第一時(shí)間測(cè)試最新的標(biāo)準(zhǔn)，加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。

NI LabVIEW和PXI RF平臺(tái)就是這樣一個(gè)軟件無(wú)線電的測(cè)試平臺(tái)，多年來(lái)已經(jīng)成為工程師和科學(xué)家們開發(fā)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試無(wú)線應(yīng)用的必備工具。德州大學(xué)奧斯汀分校的師生基于NI的軟件無(wú)線電平臺(tái)，在短短6周時(shí)間內(nèi)開發(fā)出MIMO-OFDM 4G的系統(tǒng)原型；成都華日通信公司(國(guó)內(nèi)無(wú)線電頻譜管理設(shè)備主要供應(yīng)商)利用NI PXI矢量信號(hào)分析儀和LabVIEW開發(fā)了帶有自主產(chǎn)權(quán)的HR-100寬帶無(wú)線電接收機(jī)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的頻譜監(jiān)測(cè)和信號(hào)定向領(lǐng)域。聚星儀器(NI大陸地區(qū)系統(tǒng)聯(lián)盟商)也開發(fā)出了全球首個(gè)支持C1G2 RFID標(biāo)準(zhǔn)全部指令的測(cè)試設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)了與RFID標(biāo)簽微秒級(jí)的實(shí)時(shí)通信。

圖4：基于LabVIEW和PXI軟件無(wú)線臺(tái)測(cè)試平臺(tái)                            

趨勢(shì)五：協(xié)議感知（Protocol-Aware）ATE將影響半導(dǎo)體的測(cè)試

如今的半導(dǎo)體器件變得愈加的復(fù)雜，高級(jí)的片上系統(tǒng)(SoC)和封裝系統(tǒng)(SiP)相比典型的基于矢量的器件測(cè)試而言，需要更為復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)的功能測(cè)試?，F(xiàn)在器件的功能也不再是通過(guò)簡(jiǎn)單的并行數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)，而是更多的依賴于高速串行總線和無(wú)線協(xié)議進(jìn)行輸出，這就要求測(cè)試設(shè)備和器件之間能夠在指定的時(shí)鐘周期內(nèi)完成高速的激勵(lì)和響應(yīng)測(cè)試。

復(fù)雜的測(cè)試需求催生了協(xié)議感知(Protocol-Aware)ATE的誕生，Andrew Evans在2007國(guó)際測(cè)試會(huì)議(ITC)上發(fā)表的論文“The New ATE - Protocol Aware”中首次提出了這個(gè)概念。這是一種模仿器件真實(shí)使用環(huán)境(包括外圍接口)的方法，按照器件期望的使用方式，進(jìn)行有針對(duì)性的器件功能測(cè)試和驗(yàn)證。

國(guó)際半導(dǎo)體測(cè)試協(xié)會(huì)(STC)和新近成立的半導(dǎo)體測(cè)試合作聯(lián)盟(CAST)都在考慮為自動(dòng)化測(cè)試廠商制定開放的測(cè)試架構(gòu)以滿足日益增加的半導(dǎo)體測(cè)試需求和降低測(cè)試成本。NI作為STC協(xié)會(huì)便攜式測(cè)試儀器模塊(PTIM)工作組的主席，正在致力于創(chuàng)建一種新的指南和標(biāo)準(zhǔn)，使得工程師能夠?qū)⒌谌降哪K化測(cè)試儀器(如PXI)集成到傳統(tǒng)的半導(dǎo)體ATE中，以實(shí)現(xiàn)更為靈活自定義、符合“協(xié)議感知”要求的半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)。

把握發(fā)展趨勢(shì)，占據(jù)市場(chǎng)先機(jī)，在全球經(jīng)濟(jì)步入調(diào)整期的今天，相信測(cè)試測(cè)量行業(yè)仍會(huì)有一個(gè)美好的未來(lái)。