LabVIEW軟件結合創新型硬件，為儀器設備帶來永久性的變化

 

作者: Charles Schroeder, 美國國家儀器公司測試市場部總監

 

如同每個孩子所擁有的第一套LEGO®玩具改變了他們對世界的認識一樣，26年前，美國國家儀器通過NI LabVIEW系統設計軟件，重新改變了人們對儀器的認知。今年，NI將再次重演歷史，發布一款新型儀器，幫助測試工程師擺脫廠商定義儀器的束縛。

 

許多年來，儀器的基本模式沒有太大的改變。需要進行測試工作的工程師和科學家必須先從測試測量供應商處購買功能固定的硬件，然后在標準臺式計算機上使用諸如LabVIEW之類的軟件，通過信號處理，決策，自動化等方式擴展硬件的功能。而模塊化儀器的出現是一個巨大的飛躍，并成為了自動化測試系統的既定標準。但是模塊化儀器中的許多功能已由廠家在嵌入式固件中定義完畢，用戶無法對固件進行更改以滿足特定的應用需求。

 

然而，對于許多其他的應用來說，固定功能的硬件理念已經過時。傳統的手機生產商正努力快速轉向基于軟件的智能手機。客戶希望通過在設備上運行的軟件獲得更多的控制，使得他們的手機具備滿足特定個人需求的功能。而測試設備也不外乎此。

 

您現在可以使用首款軟件定義的儀器，NI PXIe-5644R矢量信號收發器（VST），來體驗至今較具靈活性的自定義測試儀器。

 

軟件設計儀器具備的三個本質特性：

·           使用基于FPGA的開源固件設計的儀器硬件，具有即時可用的特點，并包含豐富的范例代碼。

·           優秀的系統設計軟件能夠降低自定義硬件儀器設計的復雜度。

·           從集成一個固定功能的設備到設計出用戶真正需要的儀器，這是一個根本性的理念改變。

 

使用開源的基于FPGA固件的硬件

 

新的NI PXIe-5644R VST尺寸更小，成本更低，能更加徹底地以軟件為核心。基于行業領先的FPGA技術和完全基于LabVIEW編寫開源軟件和固件的原則，VST硬件設計可以盡可能地將射頻轉換成比特。使用靈活的軟件設計方案來替換固定的廠家定義的硬件，VST可幫助測試工程師設計出他們真正需要的儀器功能。

 

圖1：在NI PXIe-5644R VST的設計中，將矢量信號發生器和分析儀與一個FPGA相連接，這樣用戶可以在第一次射頻測試應用中執行閉環的系統級測試任務

 

VST還能幫助射頻工程師集成較多五個射頻通道（每個通道都具備射頻生成和采集功能）至一個PXI機箱，以滿足并行測試需求和多輸入多輸出（MIMO）應用需求。大多數的傳統儀器解決方案提供一個激勵，或者測量一個響應；而VST在一個獨立硬件上結合了射頻發生器和分析儀，因為這兩個儀器都與一個FPGA相連接，用戶可以在這個FPGA中對固件進行設計，使得他們在第一次射頻測試應用中就能使用閉環的系統級測試功能。

 

通過將矢量信號發生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）與LabVIEW可編程實時信號處理與控制相結合，VST具備了以下的特性：

• 一個用戶可編程FPGA

• 覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率范圍

• 80 MHz實時射頻帶寬

• 結合了射頻發生器和分析儀，以及一個高速數字I/O端口

• 使用三個PXI Express插槽，降低成本，減小封裝

• 支持較新的無線標準（802.11ac和 LTE）

 

軟件使得矢量信號收發器更為強大

 

圖2：該LabVIEW 2012框圖展示了VST信號鏈的每一部分，從信號采集到校準，再到數字信號處理（DSP）及存儲于內存中

 

LabVIEW軟件結合該新型射頻儀器，能夠幫助所有具備射頻知識的工程師和科學家成功設計出新的特性或提高現有儀器性能。軟件應當首先讓客戶在儀器中以系統級別對軟件進行設計，以基本模塊完成圖形化和編程，來簡化儀器的復雜度。接著，軟件應當在底層抽象化射頻儀器軟件和固件的復雜度，使用戶快速理解信號流，并且了解在什么時候該進行怎樣的增加或修改。這能夠幫助客戶以層次化的方式深入了解每個抽象處理，訪問儀器中的每一個功能。

 

編寫軟件的語言應當兼顧微處理器和FPGA，使得用戶可以在任意位置利用這兩個處理器架構的內在并行性來執行自定義功能。較后，軟件應當提供良好的參考設計，以幫助那些更加熟悉傳統儀器的客戶立即獲取測量結果。

 

LabVIEW可以滿足上述的全部需求。它可以對在儀器上的FPGA、實時處理器和PC軟件并行編程進行優化。其天生的數據流編程模型也能提供直觀的方式，顯示數據從I/O管腳輸入到應用程序的過程。這種方法可以解決可視化的問題，并能夠在同一個程序框圖中實現。

 

自從1998年以來，經過實際的驗證，LabVIEW可應用于實時系統的編程，從2003年起，LabVIEW即可直接對FPGA進行編程。事實上，多年來通過基于LabVIEW的可重復配置I/O（RIO）構架的產品，LabVIEW已經能夠應對高性能、確定性任務的系統設計挑戰。在CERN的大型強子對撞機中管理視準儀，在全球的醫生辦公室中控制激光進行白內障手術，構建未來可再生能源的獲取和分布式系統，這些都是LabVIEW用于確定性、高性能要求應用中的案例。NI PXIe-5644R VST的發布為射頻領域的工程師也帶來了這些強大的功能。

 

LabVIEW 2012提供了新的模板和范例項目，可應用于大多數的NI硬件設備，包括VST。范例項目可以確保系統的質量和可擴展性，并包含了可以使VST作為VSA和VSG工作于嵌入式射頻流盤應用的軟件，從而給予用戶一個強大的測試應用起始點。所有的模板和范例項目都是開源的，并且包含了相關文檔，清楚地闡明了應用方法，以及增加或修改功能的較佳實踐方法。

 

 

圖3：用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊來對VST上的FPGA進行編程，其具有整合浮點計算和分析的特性

 

用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊（在較新的2012版本中還增加了許多新的功能）對VST上的FPGA進行編程。諸如整合浮點計算和分析的功能可以提供給用戶更多的選擇進行代碼移植和復用，并提供了一個新的優化技術以生成高性能的FPGA IP核。

 

對儀器的全新認知

在經過數十年學習如何對廠家定義的儀器進行編程后，用戶現在可以使用NI PXIe-5644R VST和LabVIEW來設計自己的儀器。

 

通過軟件設計的方法，用戶不用再去問：“我如何才能讓這個盒子發揮廠家預先設計的功能？”相反地，用戶會開始問：“如果我能讓這臺儀器做我想讓它做的事情，我會讓它做什么，我該如何去做呢？”

 

較早使用VST的用戶將他們的設備用于以下應用：

• 將協議嵌入到儀器中以搭建協議感知的射頻測試器

• 通過整合的實時通道模型來仿真現場射頻設備測試

• 使用硬件在環技術對射頻功率放大器的非線性進行伺服

• 軟件定義無線電以未來射頻標準進行原型開發

 

對于部分人來說，其應用和未來的發展是顯而易見的；而其他的人則會需要一段時間才會接受這個新方法。就如同當年用戶授權的智能手機的出現一樣。現在回頭去看，我們無法想象不能使用智能手機去實現無數應用的生活，但當第一部智能手機問世時，大多數的人還只是把它認為是一部普通的手機。一旦軟件定義的儀器成為主流，你對儀器的看法又會如何改變呢？

 

了解VST的詳情請訪問www.ni.com/vst/zhs。