如今，伴隨著新技術的不斷涌現和各行業新需求的不斷增加，更多差異化產品投放市場的步伐也在不斷加快，這些產品不但集成了更多功能，而且還必須縮減開發周期，以便在與同類產品的競爭中獲得優勢。與此同時，各企業也都面臨著更加嚴峻的成本控制要求，并且對于測試速度的要求也變得更高。這些都需要快速開發高效、靈活的測試系統。

以軟件為核心的模塊化系統架構，是針對上述測試挑戰的一種創新型解決方案。測試工程師可以利用簡單易用，結構清晰的軟件工具和靈活的模塊化硬件，來創建完全用戶定義的測試系統。作為在測試測量領域具有三十多年經驗的專業公司，NI公司為世界各地用戶構建自動化系統，提供了高效的平臺和工具。設計涉及電子產品、半導體、汽車、國防與航空航天等行業，并積累了豐富的經驗。

本文將從模塊化的硬件平臺和提高開發效率的軟件工具兩個方面，來詳細探討如何構建一個以軟件為核心的模塊化測試系統。

模塊化硬件I/O

如今產品設計正變得日益復雜。層出不窮的新標準、新協議(比如：射頻通信協議)，更是為測試工作帶來了很多新的挑戰。因此，測試系統為了達到更好的靈活性和可升級性，正逐漸朝著模塊化、小體積的方向發展，也就是將復雜的測試系統簡化成模塊化的硬件I/O來逐一實現：在需要增加測試項目時，只需增加相應的功能模塊，即可滿足未來的升級需求。被認為最保守客戶之一的美國國防部，也早在2002年向國會提交的報告中強調：下一代測試系統必須是基于現成可用商業技術的模塊化硬件，以便對設備互換和升級。

一個完整的自動化測試系統的構建，應該遵循圖1所示的五層架構。模塊化I/O位于整個自動化測試系統五層架構中的最底層，它將直接接觸到實際物理信號，完成信號調理以及信號數字化等工作。這些模塊化I/O主要是基于PXI或者PCI總線的儀器。借力于半導體技術的快速發展，可以在非常小的體積內，以較低的成本完成高性能的測試測量工作。圖2顯示了模塊化數字化儀與傳統儀器的性能比較。模塊化儀器提供的靈活性、用戶自定義性與可擴展性，配合軟件的強大能動作用，體現出傳統儀器所無法比擬的巨大優勢。

圖1：以軟件為核心的模塊化測試系統的五層架構。

圖2：模塊化I/O與傳統儀器的性能比較。

每個自動化測試系統的核心部件都是計算機(種類包括臺式計算機，服務器工作站，便攜式電腦或者嵌入式計算機等)。PC機的廣泛使用，促成了高性能內部總線的不斷進步。其中的PCI和PCI Express總線，具有最低的延時和最高的數據吞吐量或者帶寬。而PCI Express總線進一步擴展了PCI總線的帶寬，以滿足不斷增長的帶寬需求，同時，它也在軟件上與PCI總線完全兼容，如圖3所示。

圖3：各種工業總線數據帶寬和延遲比較。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展)標準，將CompactPCI標準與專用同步總線和軟件特性結合在一起，為基于PC機的自動化測試測量與控制系統架構，添加了集成的定時和同步功能，工業級的堅固設計，以及更多的通道數。

事實上，PXI已成為了主流的模塊化架構測試系統。現在有超過70家的PXI系統聯盟(PXISA)提供超過1500種的PXI模塊化儀器，其中包括NI、Agilent、ADLINK和Pickering在內的眾多知名公司，產品覆蓋從數字化儀、信號發生、RF、電源到開關模塊等各種I/O模塊。

開放的PXI/PXI Express平臺也提供了用于與VXI系統或分立儀器進行通信的標準硬件和軟件，包括GPIB、USB、LAN、串口等接口(圖4)。事實上，許多實際的測試系統都不是基于單一總線的系統，而是一個混合總線系統，比如：既有PXI設備，又有基于GPIB的傳統儀器，但是PXI則更適合作為這種混合總線系統的核心。一方面，作為一種內部總線，PXI具有最大的數據傳輸速率和最低的延時，從而保證其不會成為整個系統數據傳輸的瓶頸；另一方面，PXI平臺的硬件基于標準的PC技術(如PCI/PCI Express總線，通用的CPU和外圍設備，同時，主流的Windows軟件構架對用戶來說也非常熟悉)。基于PXI系統進行自動化測試系統的開發和操作，就像使用標準的基于Windows的PC機一樣方便，而且也便于維護和升級。

圖4：以PXI為核心構建的自動化測試系統。

可快速開發的軟件工具

以軟件為核心的自動化測試系統的軟件定義，對于構建整個測試系統的作用和地位不言而喻。相比于傳統儀器固定的功能配置和只有“測試結果”的呈現，軟件定義可以滿足用戶對測試系統的完全自定義。通過軟件來定義模塊化硬件的功能，同一塊數字化儀可以實現示波器，頻譜分析儀和視頻分析儀等不同功能；另外，可以通過軟件來實現自定義的數據分析，例如：基于模塊化的RF硬件通過設計不同的調制解調方式，就可以滿足多種射頻標準的測試需求；通過軟件還可以創建自定義的用戶界面，來確保人機交互的友好性。

可以看出，軟件定義貫穿于構建整個自動化測試系統的始終。使用結構清晰、靈活易用的軟件工具可以加速整個開發過程，縮短開發周期。如圖1所示，構建以軟件為核心的自動化測試系統的架構包含了三個層次。

系統服務和驅動層是連接軟件開發環境和硬件設備的紐帶。除了起到設備驅動的作用，這一層還包含了硬件設備管理和診斷測試等功能。例如：NI的測量與自動化瀏覽器(Measurement and Automation Explorer，MAX)軟件，可以幫助開發者對所有的NI硬件和眾多通過儀器總線連接的傳統儀器，進行統一的自動檢測和配置管理。其集成的診斷測試功能，可以幫助開發者將軟件和硬件分離進行調試，迅速找到問題的癥結。同時，測試面板則可以幫助用戶快速檢查硬件功能。系統服務和驅動還通過應用編程接口(API)，提供了對測試應用開發軟件層的集成。這樣，開發者可以很容易地實現針對設備的編程，從而提高開發效率，減少維護成本。

測試應用開發軟件(ADE)在測試軟件架構中扮演著承上啟下的作用。系統開發者在進行系統的設計與組合時，需要借助ADE實現具體的測量應用程序，向最終用戶顯示必要的信息以及連接其他應用程序等多項功能；同時，ADE需要與系統服務和驅動層緊密集成，從而實現與硬件無縫連接。不僅如此，用于開發測量和自動化應用的ADE，需要為各應用領域提供易于使用的設計模型和現成的處理算法，從而進一步提高開發者效率。

隨著軟件在系統實現中的重要性不斷提高，開發者會花費大部分時間在應用程序的開發上。因此，一個應用開發軟件工具的好壞，直接影響著整個系統開發的成功與否。NI圖形化編程軟件LabVIEW，為用戶提供了高效而直觀的測試測量應用程序開發工具，結合無縫連接的NI設備驅動和內置信號處理算法，用戶可以從儀器I/O獲取原始的測量數據，通過各種現成可用的分析函數工具包得到測量結果。此外，對于習慣文本編程的用戶，可以選擇基于ANSI C的NI LabWindows/CVI或基于Microsoft可視化工作室(Visual Studio)的NI測量工作室(Measurement Studio)軟件。另外，針對具體應用，NI也提供了一些基于配置的開發軟件，以加速用戶開發的過程。比如，針對視頻測試的NI VideoMASTER，針對實時測試與硬件在環仿真的NI VeriStand，針對自動檢測的NI視覺生成器(Vision Builder for Automated Inspection)等。基于這些軟件工具，用戶可以無需編程而實現快速開發，也可以結合LabVIEW進行更加深入的自定義。NI不僅提供了這些軟件的開發環境，而且針對不同的應用，提供了加速開發的現成算法IP，從而進一步加速工程應用的開發。此外，基于NI開放的軟件平臺，也可以使用各種第三方軟件環境開發的現成算法。

系統管理軟件層位于軟件架構層次中的最頂層。對于一個自動化測試系統，有些測試任務會根據被測設備(DUT)的不同而不同，例如：儀器的配置，結果的分析等；而有些測試任務則為通用，例如：測試流程的管理，測試報告的生成等。為了進一步提升測試效率，降低軟件維護的成本，將DUT級別的任務與系統級別的任務相分離的測試策略就顯得尤為關鍵。通過快速創建測試流程，集成報告生成和數據庫管理功能，以及建立不同級別用戶的人機界面，測試管理軟件能夠幫助用戶大幅縮短軟件的開發時間，并可以在整個開發周期中迅速地重用、修改和維護測試程序(或者模塊)，來滿足從DUT測試到整個ATE系統測試等不同的需求。專業測試管理軟件(如：NI TestStand)除提供上述功能，其內置的并行和自動協調測試工具，還可以幫助用戶大幅提升測試效率和增加系統吞吐量。

本文小結

如今，數以萬計的公司采用以軟件為核心的自動化測試系統獲得了成功。比如：霍尼韋爾公司基于NI PXI和LabVIEW開發的新型FCT系統，大幅降低了測試儀器成本，系統尺寸和工程師的負擔；微軟公司基于LabVIEW和模塊化儀器，為Xbox 360控制器設計的測試系統的速度，是前一代測試系統的兩倍；華錄松下使用NI TestStand，NI LabVIEW和模塊化儀器，為新型DVD刻錄機開發了完整的自動化測試系統，極大提高了測試效率。以軟件為核心的模塊化自動測試系統克服了以往基于獨立臺式儀器或成本高昂的私有ATE系統解決方案的不足之處，允許工程師開發可擴展的測試系統，將各種總線的儀器緊密集成在一起。另外，它還允許工程師集成現有設備投資，來降低實現的初始成本，而且基于該架構，還能將最新的商業技術引入到測試系統，開創新的應用。這些應用包括基于多核處理器的并行測試，基于FPGA的自定義儀器設計，基于PXI Express總線和磁盤陣列技術的測試數據高速流盤，等等。相信以軟件為核心的模塊化架構的未來，仍將是測試技術的主流，并能夠不斷深入每個測試領域，拓展新的應用方向。