搭配使用 LabVIEW 以提升測試輸出率

20 世紀的建築大師萊特 (Frank Lloyd Wright) 即說過：「每幢偉大的建築…必來自於建築師所耗費的大量時間與心血。」測試系統架構亦然。當設計、開發，並建置測試系統時，必須搭配如多核心處理器的相關技術、FPGA，還有如 PCI Express 的高速資料匯流排，以相輔相成完成系統。透過 NI LabVIEW 平行程式設計軟體與 NI TestStand 測試管理軟體以整合這些技術，讓測試工程師可建立高效能的測試系統，以進行平行處理、平行量測，甚至可於生產線上進行完全的平行測試作業。若同時搭配 PC 架構的技術，則可超過傳統儀控的速度達 10 倍以上。

平行處理

在傳統的 CPU 設計中，效能往往受限於如高時脈所產生的高溫問題。為了確保電腦平台可趕上處理需求，晶片製造商現正開發多重處理核心的處理器。為了讓自動化測試應用能夠充分利用多核心技術的效能與輸出率，軟體應用程式必須針對多處理核心，建立可於處理核心中執行的多執行緒。

圖 1. LabVIEW 編譯器針對程式碼的平行區段建立獨立執行緒，且使用者不需進行設定。

 

然而，對大部分的設計與測試工程師而言，均需以文字架構的程式設計語言 (如 ANSI C) 撰寫多執行緒的應用，同時必須具備建立語法的專業知識，再以執行緒的安全性為前提，管理執行緒並傳輸資料。使用如 LabVIEW 的圖形化程式設計環境，工程師即可完全利用多核心的處理功能。如圖 1 所示，LabVIEW 中的 2 個迴路並未共用資料相依性 (Data dependency)，且個別於執行緒中自動執行，同時省去工程師的執行緒管理細節作業。若需使用多核心處理器的範例，請參閱「以 NI LabVIEW 最佳化自動測試應用的多核心處理器」。

針對特殊的資料運用與訊號處理作業，往往需要專屬的處理功能以獨立進行這些工作。

雖然多核心控制器可提供適合的解決方案，但即便達到平行處理的最大效能，仍難以超越 FPGA 的功能。FPGA 可針對自動化測試系統達到絕佳的效能與可靠性，亦為目前平行可程式化計算硬體的最佳範例之一。LabVIEW FPGA Module 使用 LabVIEW 嵌入式技術，可於 NI 可重設 I/O (RIO) 硬體上，將 LabVIEW 圖形化開發功能擴充為 FPGA。由於 LabVIEW 即代表了平行機制與資料流，因此特別適用於 FPGA 的程式設計作業。透過 LabVIEW FPGA Module，不需初階硬體語言或硬體機板層級 (Board-level) 設計，即可建立客制化的量測與控制硬體。此客制化平行硬體適用於專屬的時脈與觸發常式、超高速控制、數位協定的介接功能、數位訊號處理 (DSP)，與需要精確高速硬體的其他應用。

透過 FPGA，即可建置協同處理 (Coprocessing) 的應用 (參閱圖 2)。舉例來說，使用 LabVIEW FPGA 的新定點 (Fixed-point) 數學功能，搭配 ni.com/ipnet 的快速傅立葉轉換 (FFT) IP，即可於 NI PXI-7852 的 R 系列模組 Virtex-5 LX50 FPGA 中，放置最多 40 組平行 FFT 作業。透過 PXI Express 的專屬頻寬 (每方向最高 1 GB/s) 與水平的點對點串流方式，此功能類型的附加價值正不斷提升。

 

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圖 2. LabVIEW FPGA 的定點數學功能，可於 PXI FPGA 系統中進行 FFT 相關的協同處理應用，並進一步提升效能。

 

平行量測

平行量測不僅依賴處理器，更需要測試系統中的所有子元件同時支援平行模型。此包含資料擷取與轉換作業。

圖 3. PCI Express 具有專屬頻寬而非共用的資料傳輸通道，可大幅提升擷取並串流至磁碟的資料量。

 

由於匯流排上的裝置均共用系統頻寬，因此現今模組化儀控最常見的資料傳輸匯流排，包含 PCI、USB、乙太網路，與 GPIB – 並不支援完全平行的資料傳輸模型。若 I/O 裝置擷取或產生的累計速率 (Cumulative rate)，高於該匯流排的速率，則可能發生資料流失。此問題的一般解決方式，即是依序執行量測作業，並整合 I/O 裝置內建記憶體的大型緩衝區，讓資料在等待通訊匯流排時不致遺失。

相對來說，PCI Express 為最新的高效能資料傳輸匯流排，可對各裝置提供專屬頻寬，而該傳輸率仍可高於前述的其他匯流排。PCI Express 具有 x1、x4、x8，與 x16 的通道 (Lane)，每通道可達 250 MB/s 傳輸率。x1 與 x4 為儀器硬體的常見選項，並分別提供 250 MB/s 與 1 GB/s (4 通道可達 250 MB/s) 專屬頻寬。

若於背板採用 PCI Express 技術，PXI Express 可將現有的 PXI 頻寬從 132 MB/s 提升至 6 GB/s，增幅可達到 45 倍；同時仍維持 PXI 模組的軟硬體相容性。PXI Express 可完全整合於 PXI 平台，並可提供各插槽每方向最高 1 GB/s 專屬頻寬，並達到業界最高的效能時脈與同步化功能。

 

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圖 4. PCI Express 與模組化儀控具有平行量測的可調整式模型架構。

 

當 PXI Express 模組擷取資料時，將透過專屬的 PCI Express 通道從內建記憶體開始傳輸，並串流至硬碟或系統記憶體。一旦進入系統記憶體，LabVIEW 應用即可存取資料。若搭配使用多核心處理器，則可完成從訊號到最後量測的平行量測作業。

 

平行測試

透過多核心處理、PCI Express，與 LabVIEW，工程師可建立平行的量測系統，以同時測試單一在測單元 (UUT)。然而，平行測試的定義卻為能夠同步測試多個 UUT。反之則為依序測試 UUT。雖然平行測試可降低混合 (Aggregate) 測試的次數、提升測試輸出率，並改善儀器使用效率，卻仍無法降低開發平行測試系統的複雜度。若要開發可單次測試多重 UUT 的測試管理軟體，則需要初步了解作業系統搭配平行作業的方式，如 Windows Critical Sections；且需在沒有衝突或停頓 (Deadlock) 的情況下，仔細考量能讓儀器共用多重 UUT 的方式。

另 1 個開發客制平行測試系統的替代方法，即是使用現成的測試管理軟體，如 NI TestStand。NI TestStand 內建的功能，可避免開發低階測試系統時的複雜性，可於多執行緒中執行平行測試序列，並同時管理作業系統與儀器資源。此外，可參閱 NI TestStand Resource Profiler以了解儀器使用方式與平行測試系統，進一步縮短測試時間並提升輸出率。Resource Profiler 將分析測試系統的執行方式，並找出儀器的效能瓶頸，以最佳化測試程式碼，並建議未來所應添購的儀器。如圖 5 所示，Profiler 將可即時顯示儀器使用情況與其他資源。

 

圖 5. NI TestStand Resource Profiler 可讓使用者了解平行測試系統的執行狀況，以提升輸出率。

 

若要了解平行測試架構的效能優點，則可參考分別以 PXI 平台與傳統儀器所建置的基本 W-CDMA 測試序列。透過 W-CDMA 的測試規格，該比較測試將可同時顯示量測的時間與精確度，如鄰近通道功率 (ACP)、佔用頻寬 (OBW)、互補累積分佈函式 (CCDF)，與錯誤向量幅度 (EVM)。如圖 6 所示，以 NI TestStand、LabVIEW，與 PXI 平台為架構的平行測試平台，將可提升量測速度最多 5 倍。此效能可讓末端使用者省下大量成本。若要進一步了解此比較分析的相關資訊，請參閱 RF 基準比較技術文件。

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圖 6. 以 LabVIEW、NI TestStand，與 PXI 為架構的 NI 平行測試平台，可達傳統儀控量測速度的 5 倍。

 

建置平行的測試架構

多核心處理器、FPGA，與 PCI Express 正改變電腦的應用領域；並根據應用邏輯的資料流，使 LabVIEW 圖形化程式設計達到真正的平行處理與量測。透過 NI TestStand，則平行測試架構更趨完善。此架構可讓測試系統：使用 PCI Express 的測試系統可提升資料傳輸率；使用 LabVIEW 與多核心處理功能則可提升處理效能；使用 NI TestStand 則可降低每 UUT 的總測試成本。

 

相關資源

• NI TestStand 4.1 – 加速平行測試
• 以平行測試提升效能
• 以平行測試技術最佳化測試系統的效能
• 可降低測試成本的平行測試架構