模塊化儀器系統——靈活且用戶可以定制的軟件和可擴展的硬件組件
設備的日趨復雜和技術的漸進融合，正驅使測試系統變得更加靈活。但成本的壓力要求系統具有更長的生命周期，而測試系統更加需要考慮能夠容納設備隨時間帶來的各種變化。實現這些目標的唯一方式便是采用一種軟件定義的模塊化架構。本文將通過虛擬儀器系統引入軟件定義的概念，為硬件平臺和軟件實現提供多種選擇，并討論模塊化儀器系統是如何滿足自動化測試設備（ATE）的要求。
目前有兩種類型的儀器系統，虛擬儀器系統和傳統儀器系統。圖1描述了這兩種類型儀器系統的架構。兩者具有相似的硬件組件，兩種架構的主要差別在于軟件所在的位置以及是否可以被用戶訪問。
圖1展示了這兩種類型儀器系統的相似之處。兩者都具有測量硬件、1個機箱、1個電源、1條總線、1個處理器、1個操作系統和1個用戶界面。由于這兩類儀器使用相同的基本組件，所以單從硬件的角度來看，兩者間最明顯的區別在于如何將這些組件進行封裝。傳統的(或分立)儀器將其所有組件放置在同一個機箱(這個機箱適用于任何分立儀器)中。通過GPIB、USB或LAN/局域網控制的手動儀器便是臺式儀器的一個典型。這些儀器是作為分立器件設計的，其主要設計目的并不是集成為系統使用。雖然傳統儀器數量眾多，但就儀器本身而言，其軟件處理和用戶界面都是固定的，僅當廠商選擇更新時才可以被更新，而且如何更新也取決于廠商的選擇(例如通過固件的更新)。因此，用戶不可能通過傳統儀器進行其功能列表未囊括的測量，而且這使得根據新的標準進行測量，或者根據需求的變化調整原系統，都極具挑戰性和潛在風險。
相比之下，由軟件定義的虛擬儀器使得用戶可以直接訪問硬件上的原始數據，以便定義用戶自己的測量和用戶界面。通過這種軟件定義的方式，用戶可以進行定制的測量，根據新誕生的標準進行測量，或者根據需求變化調整系統(例如增加儀器、通道或測量）。盡管用戶定義的軟件也可應用于分立的專用硬件，但其最理想的搭配還是通用的模塊化硬件，通過這種結合，測量軟件的靈活性和性能都可以得到充分的利用。這種靈活的、用戶定義的軟件與可擴展的硬件組件組合，便是模塊化儀器系統的核心所在。
支持系統可擴展性的模塊化硬件
模塊化儀器系統可以采取多種形式。在一個設計良好的模塊化儀器系統中，許多組件(例如機箱和電源)為多個儀器模塊所共用，而不是為每一個儀器重復配置這些組件。這些儀器模塊也可以包含不同類型的硬件，例如示波器、函數發生器、數字化儀以及RF等。在某些情形下(如圖2所示)，測量硬件僅僅是一個安裝于主機端口或插槽的外設。在此情形下，主機PC提供用以運行測量軟件的處理器、電源、I/O以及機箱。
在另一些情形下，例如在PXI(面向儀器的PCI拓展系統)中，其測量硬件被安裝于工業機箱內，如圖3所示。
對于PXI系統，其主機可以嵌入于機箱，或者是一個分離的便攜機、臺式機或服務器，它通過有線接口控制測量硬件。由于PXI系統使用與PC內部總線相同的總線(PCI和PCIe)和現成可用的PC組件以實現對系統的控制，因此，無論是使用PXI系統還是PC，均可作為模塊化儀器系統的硬件平臺，只是PXI為模塊化儀器系統提供了一些獨有優點，如更高的通道數、便攜性和堅固性。不論系統使用了PXI、帶有內插式模塊或是帶有I/O外設模塊的臺式機，這種共享機箱和處理器的方式不僅大大地降低了成本，同時還支持用戶對測量與分析軟件的控制。雖然模塊化儀器系統也存在多種配置選擇，但該類型儀器系統與傳統儀器系統的區別之處在于，其軟件是開放的，以便在測試需求發生變化或傳統儀器無法完成測量時，用戶可以定義自己所需的測量。
值得注意的是，這種模塊化方法并不意味著與將所有的功能集結在單一盒子內的傳統儀器相比較，會存在儀器或通道間同步的問題。相反地，模塊化儀器的設計目的在于可被集成，以供系統使用。所有的模塊化儀器均通過共享的時鐘和觸發器提供定時和同步的能力。例如，就最高同步精度而言，基帶、IF和RF儀器可以實現儀器間偏移低于100 ps的相互同步，優于同一臺儀器的多個通道間的同步偏移。
模塊化降低成本、減小尺寸、提高吞吐量、拓展生命周期
雖然“模塊化”有時會狹隘地僅用于基于硬件封裝，但模塊化儀器系統所涵蓋的內容遠不止封裝。用戶應當期望模塊化儀器系統帶來三方面的收益：更低的成本與更小的尺寸(通過共用機箱、背板和處理器)；更高的吞吐量(通過與主機處理器的高速連接)；更高的靈活性與更長的生命周期(通過用戶定義的軟件)。
如上所述，模塊化儀器系統中的所有儀器共用同1個電源、機箱和控制器。而分立儀器則為每一個儀器重復配置電源供應、機箱和（或）控制器，從而增加了成本與尺寸并降低了可靠性。事實上，不論PC使用怎樣的總線，每個自動化的測試系統僅需要1個PC，所有儀器都基于模塊化架構，為整個系統分擔了成本。在模塊化儀器系統中，GHz PC處理器分析數據并利用軟件完成測量。其測量吞吐量是傳統儀器(這些儀器使用內置的廠商定義的固件和專用處理器)的十倍到百倍。例如，一個典型的向量信號分析儀（VSA）每秒可以完成0.13次帶內功率測量，而一個NI模塊化VSA每秒可以完成4.18次帶內功率測量，達到近33倍的改進。
模塊化儀器需要一個高帶寬、低時延的總線，實現從儀器模塊到共享處理器的連接，以執行用戶定義的測量。雖然USB在易用性方面提供了極好的用戶體驗，但PCI與PCIe(以及基于這些總線拓展而得的PXI平臺)在模塊化儀器系統中提供了最佳的性能。目前，PCIe提供高達4 GB/s的插槽帶寬，超過高速USB的33倍，是100 Mb/s以太網的160倍，甚至是即將推出的千兆以太網的16倍(如圖4所示)。外設總線(例如LAN與USB)是通過一個內部總線(例如PCIe)與PC處理器相連，因而性能不會很高。下面舉一個高速總線如何影響測試與測量的范例：考慮一個模塊化RF采集系統，在一個臺式機或一個帶有4個2 GB/s插槽的PXI系統，可以將2個通道的100 MS/s、16 位IF(中頻)數據以數據流的方式直接傳輸到處理器供運算處理。由于LAN與USB都不能滿足這些需求，所以需要提供一個嵌入式的、廠商定義的處理器，以完成測量，而這樣的儀器就不再是模塊化的了。
在模塊化儀器中，與主機的高速連接實現了該儀器的高靈活性和更長的生命周期，因為它支持軟件駐留于該主機，而不是駐留在該儀器。利用該主機上運行的軟件，用戶(而不是廠商)可以定義儀器的運行方式。這樣的架構使用戶能夠：(1)進行那些不夠普遍以致未能包含在典型的、廠商定義的、非模塊化方法中的測量；(2)為尚未發布的標準創建測量；(3)定義用于進行特殊測量的算法。軟件的用戶定義也意味著，用戶可以在受測設備發生變化時增加或調整測量。用戶也可以利用軟件直接訪問跨網絡監視或控制這些模塊化儀器。
值得注意的是，這些硬件實現方式并沒有犧牲測量性能。目前，利用模塊化儀器系統搭建的儀器包括業界最高精度的數字化儀、最高帶寬的任意波形發生器和最精確的7位半數字萬用表。
支持靈活、定制測量的軟件
軟件在模塊化儀器系統中的作用非常重要。軟件將來自硬件的原始比特流轉換為一個有用的測量值。一個設計良好的模塊化儀器系統兼顧軟件的多個層次，包括I/O驅動程序、應用程序開發和測試管理，如圖5所示。
位于最底層的是測量與控制服務層，雖然常常被忽視，但它仍然是一個模塊化儀器系統最為關鍵的要素之一。該層代表了I/O驅動軟件和硬件配置工具。這個驅動軟件非常關鍵，因為它提供了測試開發軟件和用于測量與控制的硬件之間的連接。
儀器驅動程序提供一組面向與儀器交互的高層次的、用戶可讀的函數。每個儀器驅動程序都有一個特定的儀器模型，以提供訪問該儀器獨特功能的接口。在儀器驅動程序中，與開發環境的集成尤為重要，因為這關系著儀器的命令能否與應用開發無縫集成。系統開發人員需要專為他們所選的開發環境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET)而優化的儀器驅動程序接口。
同樣包含在測量與控制服務層中的還有配置工具。這些配置工具包括用于I/O的配置和測試資源，以及存儲擴展、校準和通道相關信息。這些工具對于儀器系統的快速構建、故障排除和維護非常重要。
應用開發環境層中的軟件提供了用于開發應用所需的代碼或規程的工具。雖然圖形化編程并不是模塊化儀器系統所必需的，但這些系統通常使用圖形化工具，以保證其易用性和快速開發。圖形化編程使用“圖標”或符號函數，它們以圖示方式表示所要執行的操作。這些符號通過“連線”相連，以傳遞數據并確定其執行的順序。LabVIEW提供了業界最常用的、也是最完整的圖形化開發環境。
一些應用還需要一個附加的軟件管理層，用于測試執行或測試數據的可視化。這一要求在系統管理軟件層得以體現。對于高度自動化的測試系統，測試管理軟件提供了一個面向順序執行、分支/循環、報告生成和數據庫集成的框架。測試管理工具還必須能夠緊密集成專用代碼的開發環境。例如，NI TestStand提供了用于順序執行、分支、報告生成和數據庫集成的一個框架，并包含了與所有常用開發環境的連接。而其他一些工具可能對需要觀察大量測試數據的應用起到幫助。這些需求包括快速訪問大量散落的數據、一致的報告和數據的可視化。這些軟件工具，針對采集過程中所采集的數據和（或）仿真過程中所生成的數據，為管理、分析和報告這些數據提供輔助功能。
對于模塊化儀器系統，該軟件架構中的每一層都應當仔細考慮。
模塊化儀器系統——滿足自動化測試的需要
當設備變得愈為復雜并涵蓋更多迥異的技術時，測試系統必須變得更為靈活。雖然測試系統必須容納隨時間變化的設備，但成本的壓力要求系統具有更長的生命周期。實現這些目標的唯一方式便是采用一種軟件定義的模塊化架構。通過共享組件、高速總線和開放的、用戶定義的軟件，模塊化儀器系統最佳地滿足了ATE目前的需求和未來的需要。