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歡迎參閱設計新一代測試系統開發指南。此份指南收集了技術文件的內容，針對開發測試系統所設計，可降低成本、增加測試輸出率，並可搭配未來的需要。此份白皮書並說明：模組化儀控平台與傳統儀控平台之間的相異處。若要下載完整的開發指南 (共 120 頁)，請到 www.ni.com/automatedtest/zht/。
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模組化儀控 (Modular Instrumentation) – 具彈性且由使用者定義的軟體，加上可調整的硬體元件
裝置與技術的要求條件正不斷提升，亦連帶讓測試系統漸趨複雜。測試系統必須隨著裝置更新而變化，而該筆成本所建構的系統，亦必須儘量能夠達到更長的使用週期與壽命。要能滿足上述條件的唯一方法，即為軟體定義的模組化架構。此篇技術文件將透過虛擬儀控，說明軟體定義的相關概念，並提說硬體平台與軟體建置的選擇，最後討論模組化系統之所以可解決自動化測試設備 (ATE) 的原因。
以基本面來說，今日的儀控架構有 2 種類型 – 傳統式與虛擬式。圖 1 則說明此 2 種類型的架構。
圖 1. 傳統與虛擬儀控架構的比較。2 種架構均使用相似的硬體元件，而其主要差別則在於軟體常駐之處，與使用者是否可輕鬆使用並存取。
該圖指出此 2 種方式的相似處。當然，這 2 種類型均具有量測硬體、機箱、電源供應、匯流排、處理器、作業系統，與使用者介面。由於此 2 種架構均使用相同的基礎元件，因此最明顯的差異，即是以硬體立場觀看元件的封裝方式。傳統或獨立的儀器，均將所有元件放置於相同的盒子中，適用於離散式儀器。獨立儀器的範例，即是透過 GPIB、USB，或 LAN/Ethernet 所手動控制的儀器。這些儀器均設計為離散式裝置，並不專屬於某個系統所使用。若要使用大量的傳統儀器，則軟體處理過程與使用者介面，均必須固定於儀器本身之中，且僅限製造商突然心血來潮時，才有可能進行更新 (例如韌體更新)。因此，使用者絕不可能執行傳統儀器功能以外的其他量測作業，且往後若要執行新標準的量測或修改系統時，均將有其一定的難度。
相反來說，軟體定義的虛擬儀器，將可隨時提供來自於硬體的原始資料，讓使用者定義自己所需的量測作業與使用者介面。透過軟體定義的方式，使用者可進行客制量測、執行新標準的量測，或依自己需求隨時修改系統 (例如新增儀器、通道，或新的量測功能)。由於使用者定義的軟體亦可套用至獨立、特定應用的硬體，因此亦是於搭配一般的模組化硬體，以達量測軟體的完全彈性與效能。模組化儀控的核心，即要能整合彈性、使用者定義的軟體，與可調整的硬體元件。
可隨系統進行調整的模組化硬體
模組化儀控具有多種形式。在完整設計的模組化儀控系統中，如機箱與電源供應器的多種元件，均可共用多款儀器模組，而不需為了迎合其他儀器再另外購買相同的元件。這些儀器模組亦包含不同類型的硬體，如示波器、函式產生器、數位，與 RF。如圖 2 所示的某些案例中，量測硬體僅為週邊裝置，並安裝於主機電腦的週邊埠或週邊插槽。而主機電腦即可透過本身的 I/O、處理器，與電源供應器，於軟體中執行量測單位。
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圖 2. 模組化儀控的量測硬體選項，左為 USB 週邊模組；右為 PCI Express 的插入式模組。
又以 PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) 來說，此適於測試、量測，與控制的平台，共有超過 70 個會員公司支援該系統，而其量測硬體均安裝於工業級機箱中 (如圖 3)。
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圖 3. 此為 PXI 硬體與 NI LabVIEW 圖形化開發軟體的模組化儀控系統。
在 PXI 系統中，其主機電腦可嵌入至機箱中 (如圖 3 所示)，亦可外接筆記型電腦、桌上型電腦，或以整組伺服器透過連接線控制量測硬體。由於 PXI 系統使用的匯流排與電腦內建的匯流排完全相同 – 即為 PCI 與 PCI Express – 亦使用現成的電腦元件控制系統，因此不論是使用 PXI 系統或電腦，均可套用相同的模組化儀控概念。(PXI 模組化儀控其他如增加通道數、可攜性，與堅固耐用的優點，均無法於此處呈現；若要進一步了解 PXI，請至 www.ni.com/pxi/zht/)先不論系統是屬於 PXI 系統、內建插入式模組的桌上型電腦，或是桌上型電腦使用週邊式的 I/O 模組，若能共用相同的機箱與控制器，將可大幅降低成本，並讓使用者輕鬆控制量測與分析軟體。雖然模組化儀控亦提供多種設定選項，而其與傳統儀控最大的差異即在於其軟體的開放性；若傳統儀器無法進行修改或其他量測時，使用者卻可透過模組化儀控，依測試需求定義所需的量測。
應特別注意的是，當與整合多項功能的單一機盒傳統儀器相較，模組化特性並無法代表完整的儀器架構或通道同步化功能。正好相反，模組化儀器均設計為可針對系統用途進行整合。所有的模組化儀器均可透過共用時脈與觸發器，提供相關時脈與同步化功能。以最高同步化精確度、基頻 (Baseband)、中頻 (IF)，與射頻 (RF) 為例，儀器將可透過 100 ps 以下的儀器交互歪曲 (Interinstrument skew) 進行同步化 – 效果將優於同一儀器跨多個通道的歪曲現象。
模組化特性將可降低成本、縮小體積、提高傳輸率，並延長使用壽命
雖然「模組化」有時會遭誤解為硬體封裝的方式之一，但是模組化儀控絕不僅只是封裝而已。模組化儀控系統主要具有 3 大優點：共用的機箱、背板，與處理器將可降低成本與儀器體積；以主機處理器的高速連結功能達到較高輸出率；並以使用者定義的軟體達到較高彈性與壽命。
如上所述，模組化儀控系統的的所有儀器，均可共用相同的電源供應器、機箱，與控制器。獨立儀器均必須購買多組相同的電源供應器、機箱，與控制器；除了提高成本與儀器體積之外，並將降低穩定度。事實上，不論所使用的匯流排為何，每組自動化測試系統均需要搭配 1 組電腦；可共用控制器的模組化架構則因而橫跨所有儀器，藉以降低整組系統的成本。在模組化儀控系統中，GHz 的電腦處理器可透過軟體分析資料，並進行量測。若傳統儀器使用內建的製造商定義韌體與特定應用處理器，則模組化儀控的測試系統可達 10 ~ 100 倍的傳輸率。舉例來說，常見的向量訊號分析器 (VSA) 每秒可執行 0.13 次 的帶內功率 (Power-in-band) 量測，而 NI 的模組化 VSA 可於每秒執行 4.18 次的帶內功率量測 – 足足是 33 倍之譜。
模組化儀器需要高頻寬、低潛時 (Latency) 的匯流排，以將儀器模組連接至共用的處理器，適於執行使用者定義的量測。雖然目前 USB 已可滿足簡單易用的需要，而 PCI 與 PCI Express (為 PXI 平台與匯流排的延伸) 更能達到模組化儀控的最高效能。PCI Express 插槽目前可達最高 4 GB/s 頻寬，而 PXI 可達 2 GB/s – 為高速 USB 的 33 倍、100 Mb/s Ethernet 的 160 倍，甚至是 Gb/s Ethernet 的 16 倍 (如圖 4)。如 LAN 與 USB 的週邊匯流排，均必須透過如 PCI Express 的內部匯流排連接電腦處理器，也因此僅可達較低的效能。若顧慮到高速匯流排可能影響測試與量測作業，則建議採用模組化的 RF 擷取系統。桌上型電腦或 PXI 系統的中 PCI Express x4 (2 GB/s) 插槽，則可透過 2 個 100 MS/s 的通道，將 16 位元解析度的中頻 (Intermediate frequency，IF) 資料直接串流至處理器進行運算。由於 LAN 與 USB 均無法達到上述要求，則需要此種效能的儀器往往均搭配製造商定義的嵌入式處理器，以執行所需的量測作業 – 因此亦不具模組化的特性。
圖 4. 透過使用者定義的軟體，PCI 與 PCI Express 可達最高頻寬、最低潛時、縮短測試時間，並提供極高的彈性與使用壽命。
在模組化儀器中，由於高速連結功能可將軟體常駐於主機而非儀器中，因此可提供絕佳的彈性與使用壽命。因為軟體直接於主機中執行，使用者更可依需求定義儀器的作業方式。此架構可讓使用者 (1) 以非一般製造商定義、非模組化的方式進行所需量測、(2) 針對研發中標準進行量測，並 (3) 定義特殊量測所需的運算式。可由使用者定義的軟體，亦可於改變受測裝置時，視需要新增或修改量測作業。亦可透過網路，直接以軟體監控這些模組化儀器。
而且，這些硬體建置作業絲毫不會影響量測效能。目前，以模組化儀控概念所設計的儀器，已可達業界最高解析度的示波器、最高頻率的任意波形產生器，還有最精確的 7 位半數位電表。
可進行彈性、客制化量測的軟體
軟體於模組化儀控所扮演的角色極為重要。軟體可針對來自於硬體的原始位元串流，將之轉換為有意義的量測結果。如圖 5 所示，妥善設計的模組化儀控系統，將包含多層軟體，如 I/O 驅動程式、應用開發，與測試管理工具。
圖 5. 模組化儀控系統所常見的軟體層。
位於底部的 Measurement and Control Services 雖然常遭忽略，卻為模組化儀控系統的必備要素之一。此層軟體包含 I/O 驅動程式與硬體設定工具。由於驅動程式可連接測試開發軟體與量測硬體，因此為基礎必備要件。
儀器驅動程式為讓使用者輕鬆解讀的高階函式，用以介接儀器。每組儀器驅動程式均為特定儀器所量身打造，以完整展現其功能。儀器驅動程式的特殊要點，即在於能夠整合開發環境，讓儀器指令碼可緊密結合應用開發過程。若儀器驅動程式介面可針對開發環境 (如 NI LabVIEW、C、C++，或 Microsoft .NET) 進行最佳化，當然對開發人員是再好不過。
Measurement and Control Services 中亦包含設定工具。這些設定工具包含設定並測試 I/O 的資源，並可儲存調整、校準，與通道別名 (Channel-aliasing) 的相關資訊。這些工具極試用於儀控系統的建立、除錯，與維護作業。
Application Development Environment 中的軟體，則提供應用程式碼或開發程序的相關工具。雖然圖形化程式設計並非模組化儀器系統所必須，但是這些系統一般均使用圖形化工具，以簡化使用程序與開發作業。如圖 6 所示，圖形化程式設計均使用「圖示」或符號形函式，以圖畫的方式呈現所將執行的動作。這些符號均透過「接線 (Wire)」相互連結，並傳送資料以決定執行順序。LabVIEW 更提供業界最普遍、最完整的圖形化開發環境。
圖 6. 針對模組化儀控，以 LabVIEW 撰寫的常見激發/響應應用，可 (1) 從任意波形產生器產生訊號，(2) 從示波器擷取訊號，(3) 執行快速傅利葉轉換 (FFT)，並可 (4) 於人機介面呈現 FFT 的結果。
針對執行測試或呈現測試資料，某些應用更需要另外的軟體管理。此即表示於 System Management Software 層中。對高度自動化的測試系統來說，測試管理軟體的架構可進行序列、分流 (Branching)/迴路 (Looping)、報表產生，與資料庫整合。測試管理工具亦可因應特定應用的程式碼，緊密整合至開發環境中。舉例來說，NI TestStand 即提供序列、分流、報表產生，與資料庫整合功能，並可連接所有常見的開發環境。若應用必須呈現大量的測試資料，則可使用其他工具。除了必須能存取大量分散的資料之外，更要能持續製作報表並呈現資料。這些軟體工具，可針對資料擷取、產生，或模擬期間所產生的大量資料，進行管理、分析，與報表製作。
模組化儀控系統的每個軟體架構層，均應面面俱到。
模組化儀控可切合自動化測試的需求
由於日趨複雜的裝置更包含越來越多的離散技術，測試系統亦必須具有更高的彈性。測試系統除了要能因應裝置的快速變化之外，其所投資的成本亦應達到最高效益與系統使用壽命。要能滿足上述條件的唯一方法，即為軟體定義的模組化架構。透過共用元件、高速匯流排，與開放的使用者定義軟體，模組化儀控絕對適合現今與未來的 ATE 需要。
相關 NI 產品與技術文件
NI 為自動化測試的領導者，並提供相關硬體與軟體產品，以建立新一代的測試系統。
軟體
硬體
技術文件
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合法
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