主導(dǎo)技術(shù) 測(cè)控必備:新一代產(chǎn)品測(cè)試技術(shù)

新的測(cè)試需要

    對(duì)測(cè)試的需要從來(lái)未象現(xiàn)在這么強(qiáng)烈。隨著創(chuàng)新步伐不斷加快，對(duì)開(kāi)發(fā)出與眾不同的新產(chǎn)品并迅速投入市場(chǎng)的壓力也隨之增大。客戶(hù)的期望也在不斷提高，例如在電子領(lǐng)域，要求在更小的空間、以更低的成本，集合多種迥異的功能。過(guò)去三年的經(jīng)濟(jì)衰退不但沒(méi)有阻撓人們對(duì)創(chuàng)新的需要，反而增加資源的投入。目前，滿(mǎn)足這些需要是業(yè)務(wù)取得成功的要素之一；無(wú)論是誰(shuí)，只要他能夠最快、最穩(wěn)定、最可靠地滿(mǎn)足這些要求，他就比其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更具有優(yōu)勢(shì)。

    所有這些狀況產(chǎn)生了對(duì)確認(rèn)、驗(yàn)證和制造測(cè)試的最新需要。能夠跟上此創(chuàng)新需要的測(cè)試平臺(tái)不是可有可無(wú)的，而是至關(guān)重要的。平臺(tái)必須包含快速測(cè)試開(kāi)發(fā)工具，能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而適用于整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。快速開(kāi)發(fā)并有效制造產(chǎn)品需要高吞吐量測(cè)試。為測(cè)試功能復(fù)雜的產(chǎn)品，客戶(hù)要求提供準(zhǔn)確的并行測(cè)試能力。另外，因?yàn)槟M(jìn)創(chuàng)新方案使您的產(chǎn)品與眾不同，所以測(cè)試系統(tǒng)也必須能夠快速修改，以測(cè)試新的功能。

    虛擬儀器技術(shù)是這些挑戰(zhàn)的創(chuàng)新性解決方案。它們集快速開(kāi)發(fā)軟件和模塊化的、靈活的硬件于一身，用戶(hù)可以方便地創(chuàng)建自定義測(cè)試系統(tǒng)。

虛擬儀器提供：

直觀(guān)的軟件工具，用于快速測(cè)試開(kāi)發(fā)；
基于創(chuàng)新性商用技術(shù)的快速、精確的、模塊化I/O；
基于PC機(jī)的平臺(tái)，集成同步功能，獲得高精度和大吞吐量。

快速測(cè)試開(kāi)發(fā)軟件

    因?yàn)樽詣?dòng)化越來(lái)越成為快速測(cè)試復(fù)雜產(chǎn)品的必要條件，所以軟件已經(jīng)成為所有測(cè)試系統(tǒng)至關(guān)重要的要素 - 從設(shè)計(jì)驗(yàn)證一直到高度自動(dòng)化的制造測(cè)試。要快速交付能夠適應(yīng)測(cè)試新功能的測(cè)試系統(tǒng)需要一套集成的測(cè)試開(kāi)發(fā)工具。如圖1所示，這些工具包括測(cè)試管理、測(cè)試開(kāi)發(fā)和I/O驅(qū)動(dòng)程序。



圖1 新一代測(cè)試技術(shù)的完整軟件結(jié)構(gòu) 

    測(cè)試管理軟件為高度自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)提供了一個(gè)框架，包括順序控制、分支/循環(huán)、報(bào)告生成及數(shù)據(jù)庫(kù)集成等。另外，測(cè)試管理工具還必須緊密集成到為應(yīng)用程序創(chuàng)建特定測(cè)試程序的測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境中。National Instruments的TestStand是業(yè)界領(lǐng)先的測(cè)試管理環(huán)境，包括與所有常用測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境的連通性，并且可以與這些環(huán)境之間自由地傳遞數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建完全集成的系統(tǒng)。TestStand的結(jié)構(gòu)如圖2所示。因?yàn)闇y(cè)試管理環(huán)境的許多需要根據(jù)應(yīng)用程序的不同而不同，所以它是一個(gè)功能靈活的框架 - 例如，操作界面、報(bào)告格式和執(zhí)行模式全部可以自定義以滿(mǎn)足不同應(yīng)用程序的需要。



圖2：TestStand測(cè)試管理結(jié)構(gòu) 

    許多自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用程序擁有非常多的觸發(fā)和測(cè)量通道，因此需要一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣將I/O與被測(cè)設(shè)備（DUT）相連接。隨著設(shè)備復(fù)雜性的增加，這些系統(tǒng)的通道數(shù)也隨之增多。為有效地管理如此多的開(kāi)關(guān)路徑，以及快速改變這些路徑來(lái)適應(yīng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要，必須需要開(kāi)關(guān)管理軟件。
NI的Switch Executive是業(yè)界唯一的商用開(kāi)關(guān)管理環(huán)境，提供了一個(gè)完成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)關(guān)路徑配置和記錄等功能的環(huán)境。Switch Executive與NI的TestStand緊密連通，這樣，開(kāi)關(guān)路徑能夠與特定的測(cè)試步驟綁定，有助于測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化"連接、測(cè)試、斷開(kāi)"結(jié)構(gòu)。

    測(cè)試開(kāi)關(guān)環(huán)境是滿(mǎn)足快速測(cè)試發(fā)布要求的最重要組件。此環(huán)境提供快速開(kāi)發(fā)測(cè)?quot;代碼"或程序的工具是至關(guān)重要的。多年以來(lái)，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)的一種重要的軟件技術(shù)是可視化編程?？梢暬幊淌褂?圖標(biāo)"或者符號(hào)功能，以圖形形式代表將要執(zhí)行的操作。這些符號(hào)通過(guò)傳遞數(shù)據(jù)和確定執(zhí)行順序的"線(xiàn)"彼此連接。因?yàn)闇y(cè)試程序可以看到，而不是讀文件或代碼，所以總體性開(kāi)發(fā)和理解測(cè)試程序非常迅速。NI LabVIEW提供了業(yè)界最常用和最完善的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境。另外，LabVIEW的分層數(shù)據(jù)流語(yǔ)言還提高了測(cè)試程序的重新利用能力。

    雖然經(jīng)常被忽視，但是I/O驅(qū)動(dòng)程序是快速測(cè)試開(kāi)發(fā)策略至關(guān)重要的要素之一。此軟件提供了測(cè)試開(kāi)發(fā)軟件和測(cè)量與控制硬件之間的連通性。它包括儀器的驅(qū)動(dòng)程序、配置工具和快速I(mǎi)/O助手。

    儀器驅(qū)動(dòng)程序提供了一套與儀器接口的高層、可讀函數(shù)。每個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序均為特定型號(hào)的儀器量身定做，提供儀器獨(dú)有功能的接口。對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)，特別重要的是它與測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境的集成性，從而儀器命令是測(cè)試開(kāi)發(fā)無(wú)縫的一部分。作為一名測(cè)試開(kāi)發(fā)人員，您需要為選定的開(kāi)發(fā)環(huán)境優(yōu)化驅(qū)動(dòng)程序接口。Ni.com網(wǎng)站中的儀器驅(qū)動(dòng)程序網(wǎng)絡(luò)包含4000余種不同儀器的驅(qū)動(dòng)程序，可以與LabVIEW、C、C++和Visual Basic接口。

    NI Measurement & Automation Explorer等配置工具包含用來(lái)配置和測(cè)試I/O的工具，以及保存定標(biāo)、校準(zhǔn)及通道別名信息的工具。這些工具對(duì)于迅速實(shí)現(xiàn)首次測(cè)量，以及測(cè)試系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)，是非常重要的。

    I/O助手是一些交互工具，用來(lái)極快速地創(chuàng)建測(cè)量或促進(jìn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。例如LabVIEW 7 Express中的Instrument I/O Assistant和DAQ Assistant。圖3所示的DAQ Assistant為用戶(hù)提供了一塊面板，無(wú)需編程就能配置常用的數(shù)據(jù)采集參數(shù)。易于使用的I/O助手與功能強(qiáng)大的編程環(huán)境的結(jié)合對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)和功能來(lái)滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)合的要求是非常必要的。



圖3：NI DAQ Assistant提供了一個(gè)在LabVIEW中快速配置數(shù)據(jù)采集任務(wù)的交互工具 

模塊化I/O
    第二個(gè)至關(guān)重要的測(cè)試技術(shù)是模塊化I/O，包括模塊化儀器和數(shù)據(jù)采集等技術(shù)。此測(cè)量硬件布置在一塊印刷電路板上，可以插入到PC或PXI底板中。模塊化I/O采用商業(yè)芯片技術(shù)以較低的成本創(chuàng)建高性能虛擬儀器。ADC、DAC、FGPA和DSP等商業(yè)技術(shù)的廣泛使用使模塊化I/O的功能和性能迅速改善。圖4所示是模塊化數(shù)字化儀的當(dāng)前性能，通過(guò)頻率（將信號(hào)數(shù)字化的速度）和位（數(shù)字化精度）來(lái)表現(xiàn)。在很多情況下，虛擬儀器的精度超過(guò)了傳統(tǒng)儀器。



圖4：虛擬儀器的測(cè)量能力超過(guò)傳統(tǒng)儀器 

    模塊化I/O采用總線(xiàn)和處理器技術(shù)，因此它實(shí)現(xiàn)了高速測(cè)量和高速輸出到PC機(jī)內(nèi)存的能力。例如，PCI總線(xiàn)能夠達(dá)到132 MB/s的吞吐量 - 比用來(lái)連接大多數(shù)傳統(tǒng)儀器的GPIB總線(xiàn)快了100倍以上。在虛擬儀器系統(tǒng)中，使用GHz PC處理器來(lái)分析數(shù)據(jù)并使用軟件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果是純粹建立在包含內(nèi)置供應(yīng)商定義硬件和應(yīng)用專(zhuān)用處理器的傳統(tǒng)儀器之上的測(cè)試系統(tǒng)吞吐量的10至100倍。在許多測(cè)試為其瓶頸的系統(tǒng)中，通過(guò)使用多個(gè)冗余儀器來(lái)滿(mǎn)足吞吐量要求。預(yù)算緊縮正在壓迫這種提高吞吐量的"強(qiáng)力"方法。赑XI模塊化I/O的系統(tǒng)能夠以超過(guò)100 MB/s的速度將數(shù)字化儀處理的數(shù)據(jù)連續(xù)輸入PC中，或者每秒進(jìn)行3000次5 1/2位DMM測(cè)量。目前，對(duì)于大規(guī)模測(cè)試的要求使得這些吞吐量增益和成本節(jié)省對(duì)于保持競(jìng)爭(zhēng)力是至關(guān)重要的。
 
基于PC機(jī)的測(cè)試平臺(tái)

    在今天，所有現(xiàn)代的測(cè)試系統(tǒng)均包含一臺(tái)PC機(jī)。它不僅僅只是測(cè)試系統(tǒng)的一部分，而是正在成為至關(guān)重要的集成平臺(tái) - 測(cè)試系統(tǒng)的核心。GHz處理器、高速總線(xiàn)、廣泛使用的軟件、不斷提高的性能和特別低的價(jià)格使得PC機(jī)實(shí)際上成為一個(gè)理想的測(cè)試平臺(tái)。圖5所示是一個(gè)實(shí)例，說(shuō)明了PC機(jī)在過(guò)去20年中發(fā)生的性能進(jìn)步。在測(cè)試系統(tǒng)中，性能提高達(dá)到同等規(guī)模的唯一元素可能就是DUT本身了。



圖5：PC平臺(tái)在過(guò)去20年間的性能提高超過(guò)了10,000倍 

    虛擬儀器采用PC和PC技術(shù)使測(cè)試應(yīng)用程序的性能獲得同等規(guī)模的進(jìn)步。對(duì)于虛擬儀器系統(tǒng)，在您升級(jí)了PC機(jī)之后，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)都將從更快的處理器、更大的存儲(chǔ)器和更先進(jìn)的外圍設(shè)備中獲益。

    PXI（CompactPCI eXtensions for Instrumentation）是建立在PC機(jī)技術(shù)之上的模塊化I/O的標(biāo)準(zhǔn)。PXI為基于PC機(jī)的結(jié)構(gòu)添加了集成定時(shí)和同步、工業(yè)條件堅(jiān)固性，以及更多的通道數(shù)。PXI是一個(gè)系統(tǒng)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)得到65家公司的支持。

    PXI提供的定時(shí)和同步結(jié)構(gòu)是另一項(xiàng)至關(guān)重要的測(cè)試技術(shù)。使用這些功能，多個(gè)模塊化I/O設(shè)備的定時(shí)特性能夠?qū)崿F(xiàn)精確的同步，大大提高了精度和吞吐量。PXI背板包括共享觸發(fā)器、一個(gè)高穩(wěn)定的共享時(shí)鐘，以及一組保證同步性能的星型觸發(fā)線(xiàn)路。如圖6所示。



圖6：PXI平臺(tái)包含定時(shí)和同步的專(zhuān)用資源 

    說(shuō)明定時(shí)和同步如何提高測(cè)試系統(tǒng)吞吐量的一個(gè)實(shí)例是使用DMM和開(kāi)關(guān)掃描一組DC測(cè)量值。掃描開(kāi)關(guān)和DMM的一個(gè)關(guān)鍵功能是在測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的過(guò)程中進(jìn)行握手的能力。對(duì)于握手掃描，DMM接收來(lái)自開(kāi)關(guān)的數(shù)字脈沖（"Scanner Advanced"）、進(jìn)行測(cè)量，然后產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖（"Measurement Complete"）。在開(kāi)關(guān)接收到"Measurement Complete"信號(hào)之后，它進(jìn)入板載掃描列表上的下一個(gè)輸入項(xiàng)。在開(kāi)關(guān)模塊的繼電器穩(wěn)定之后，開(kāi)關(guān)發(fā)出一個(gè)"Scanner Advanced"脈沖，并觸發(fā)DMM進(jìn)行新的測(cè)量，重新開(kāi)始前文所述的過(guò)程。過(guò)程一直重復(fù)，直到掃描列表完成為止。握手信號(hào)可以通過(guò)PXI觸發(fā)總線(xiàn)直接發(fā)送。在采用此種方式時(shí)，與軟件定時(shí)方法相比，基于PXI的開(kāi)關(guān)/DMM系統(tǒng)可以將測(cè)試時(shí)間優(yōu)化50％以上。

虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

    數(shù)以千計(jì)的公司已經(jīng)成功地將虛擬儀器部署在他們的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和制造工廠(chǎng)中，以提高性能、靈活性和生產(chǎn)力，如前文所述。下面的每個(gè)實(shí)例均說(shuō)明了這些技術(shù)對(duì)于那些已經(jīng)認(rèn)識(shí)到他們能夠使測(cè)試成為戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)的公司是如何的至關(guān)重要。

Lexmark提高了墨水盒測(cè)試精度

    Lexmark是印刷解決方案開(kāi)發(fā)和制造的全球領(lǐng)導(dǎo)者，包括噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)，以及相關(guān)耗材。為滿(mǎn)足他們對(duì)于高吞吐量和低測(cè)試成本的要求，Lexmark采用了基于PC機(jī)的、使用LabVIEW和NI模塊化儀器的解決方案。

    Lexmark能夠隨著需要的變化調(diào)節(jié)其測(cè)試方案的規(guī)模。在1997年，系統(tǒng)使用一個(gè)8位、20 MS/s數(shù)字化儀（NI PCI-5102）和LabVIEW 4.1。然而，隨著噴墨打印頭技術(shù)的發(fā)展，Lexmark對(duì)于速度和分辨率的要求也增加。目前的制造系統(tǒng)使用LabVIEW 7 Express和基于PXI的系統(tǒng)，包括最新的14位、100 MS/s數(shù)字化儀（NI PXI-5122）和100 MHz數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀（NI PXI-6552）。在提高測(cè)試系統(tǒng)性能的同時(shí)，Lexmark實(shí)際上因?yàn)椴捎昧俗钚碌臏y(cè)量技術(shù)而降低了設(shè)備成本。最重要地是，通過(guò)使用基于軟件的虛擬儀器結(jié)構(gòu)，他們能夠在要求變化時(shí)，以最小的軟件修改量升級(jí)系統(tǒng)。 

   1997  2001  2003 
數(shù)字波形發(fā)生  第三方
ISA板 
(25 MHz)  NI PCI-6534
(20 MHz)   NI PXI-6552
(100 MHz) 
電阻測(cè)量用數(shù)字化儀  NI PCI-5102 
(10 MS/s, 8-bit)
NI-SCOPE
  NI PCI-5911
(12.5 MS/s, 12-bit)
NI-SCOPE  NI PXI-5122
(100 MS/s, 14-bit)
NI-SCOPE 
軟件  LabVIEW 4.1  LabVIEW 6i LabVIEW 7 Express 

圖7：Lexmark成功地更改了測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)模以滿(mǎn)足不斷提高的噴墨打印頭測(cè)試要求 

美國(guó)空軍使用虛擬儀器增加任務(wù)執(zhí)行能力
    在2002年，ManTech測(cè)試系統(tǒng)獲得了一個(gè)價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的合同開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)LANTIRN系統(tǒng)所用的測(cè)試設(shè)備，并提供技術(shù)支持。LANTIRN（低海拔夜間導(dǎo)航與目標(biāo)導(dǎo)向紅外線(xiàn)）是一個(gè)在美國(guó)空軍主要戰(zhàn)斗機(jī)型上使用的系統(tǒng)，包括F-15E攻擊鷹和F-16C/D戰(zhàn)隼。LANTIRN顯著地提高了這些飛機(jī)的戰(zhàn)斗效能，它們可能低海拔、夜間和各種天氣條件下飛行，用各種精確制導(dǎo)和非制導(dǎo)武器攻擊地面目標(biāo)。

    原來(lái)的LANTIRN測(cè)試系統(tǒng)可以追溯到20世紀(jì)80年代末期，基于MicroVAX計(jì)算機(jī)，與獨(dú)立式儀器綁定。系統(tǒng)不僅僅尺寸大，需要7個(gè)完整機(jī)架的空間，而且由于測(cè)試系統(tǒng)元件的逐漸過(guò)時(shí)，美國(guó)空軍面臨著一大堆可靠性和維護(hù)問(wèn)題。

    ManTech采用PXI和NI模塊化儀器，以及市場(chǎng)上現(xiàn)成的技術(shù)，將測(cè)試系統(tǒng)的尺寸減小了50％以上，同時(shí)滿(mǎn)足了軍隊(duì)對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)和非運(yùn)行狀態(tài)的可靠要求。

    降低了3G移動(dòng)電話(huà)的制造測(cè)試成本
信威通信技術(shù)有限公司是中國(guó)的一家電信公司，最先合作開(kāi)發(fā)出SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。SCDMA協(xié)議是TD-SCDMA的基礎(chǔ)，它是在中國(guó)開(kāi)發(fā)的3G協(xié)議。新維SCDMA在1.8 GHz帶寬下運(yùn)行，為小型城市提供了一種低成本無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)和消息服務(wù)解決方案。

    VI Services（NI的聯(lián)盟伙伴）與新維有限公司合作，成功地使用PXI-5660 RF信號(hào)分析儀、LabVIEW和VI Services的無(wú)限測(cè)試工具包開(kāi)發(fā)出一個(gè)SCDMA移動(dòng)電話(huà)在線(xiàn)測(cè)試站。對(duì)于各個(gè)移動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品系列，新維有限公司均用基于虛擬儀器的新型測(cè)試站取代了原來(lái)基于獨(dú)立式通信測(cè)試套件的測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)，每條生產(chǎn)線(xiàn)的測(cè)試吞吐量幾乎增加了一倍，因此，通過(guò)采用虛擬儀器方法，性能提高了近4倍。

    因?yàn)橄到y(tǒng)使用軟件進(jìn)行信號(hào)分析，所以它能夠在新的移動(dòng)電話(huà)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)進(jìn)行升級(jí)，而無(wú)需購(gòu)買(mǎi)附加測(cè)試設(shè)備。