重新審視測試需求和測試儀器發展

摘要：通過分析全新的測試需求，發現測試儀器遇到的瓶頸問題，進而探求全新測試儀器架構的觀念和定義，展示最新的測試技術發展趨勢。

關鍵詞：測試儀器；測試需求；電子測試；模塊化；總線

DOI:. 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.06.001

了解全新測試需求

電子技術涵蓋的范圍甚是廣泛，無論是測試儀器開發者還是測試技術執行者，了解測試的需求變得非常重要。測試與測量技術的發展與電子行業的發展密不可分。電子行業的發展動力主要持續來自于消費者對體積更小、功能更強、更多互連計算和通信產品的需求。為滿足這些需求，制造商不斷推出新產品，將新無線協議、新電池技術、新元件和半導體技術等各種功能集成在這些電子產品中，并且這一趨勢在每一代新產品中似乎逐漸加快了，所有這些都促使測試行業必須采用新的方法去測試這些新型產品和前沿技術。吉時利市場營銷總監Mark lejer認為，目前這方面的熱點包括：對于每種新的無線協議，都相應需要新的測試方法和測量儀器：工藝尺寸低達28nm甚至更小，半導體小型化的每一次新進展都要求測量技術相應進步：要想制造出世界上最物美價廉的筆記本電腦或手機，也需要對測試技術進行革新，降低測試成本。解決所有的復雜問題都需要進行更多的測試，在生產條件下以最高的產能進行更多的數據采集和分析工作，以改進這些新工藝。

嵌入式系統

我們以嵌入式系統的應用為例，其應用大致分為五大領域，包括數據通信、生物電子、綠色科技、汽車電子和3C電子，這些領域甚至被認為是新的“藍海策略”，隱藏著各種商機，尤其是綠色科技是政府和風險投資公司十分關注的對象。

從技術的角度看，多功能，低功耗，微型化，網絡化領導著新的趨勢。以iPad平板電腦為例，其成功有多方面的因素，但其功耗低(電池工作時間長)，微型化(比上網本要輕和薄)，能夠通過Wi-Fi或3G上網是其基本功能，其他功能方面因軟件平臺開放而有機會無限延展。2011年及以后，市場對嵌入式電路的技術需求仍會圍繞這幾個方面。除了純技術因素外，客戶體驗和以人為本的人機界面設計是另一個不可阻擋的趨勢。這種技術需求和發展趨勢的影響已經滲透到眾多電子行業，測試測量行業也不例外，一方面測試測量儀器要能夠幫助設計工程師實現“多功能、低功耗、微型化、網絡化”；另一方面，一些測試測量儀器本身也會朝這個方向發展。

在數據通信方面也有新的要求出現，IEEE802.3ba標準，即40G／100G以太網標準，已于2010年6月17日正式獲批。首個規范將同時使用兩種新的以太網速率，同時光網絡傳輸100Gbps系統也有機會在2011年得以部署，IEEE與國際電聯ITU-T第15研究組合作，以保障新的以太網速率可在光纖傳輸網絡上加以實現，為100G的推廣奠定了基礎。

顯示技術

顯示技術是一個特別突出的需求，計算機、消費電子、移動終端都需要顯示技術，這三個應用場合對技術的需求是不同的。計算機對顯示部分的要求，已經從模擬VGA，轉移到數字視頻DVI接口，2011年及以后，臺式電腦上會朝DisplayPort(DP)1.2方向發展，讓其速度提升一倍，筆記本電腦則會考慮eDP小型化接口。消費電子的顯示技術，目前HDM11-3已經愈來愈普及，HDM11.4也在緊鑼密鼓的部署中，同一時間HDMI LLC則在討論HDMTI.S的技術，電視和家庭影院領域也在考慮iDP技術，HDM11.5有機會在2011年下半年出現。因為HDM11.5的速率很可能達到9Gb／s，屆時在Sink驗證方面，任意波形發生器速度已經不足以應付，需要借助誤碼率分析儀才可以實現精確測試。在移動終端方面，會引入在HDMI基礎上發展出柬的MHL接口技術，而DP作為另一個陣營，未必會任由HDMI進入移動終端領域，有機會稍作改動和MHL一爭高低，同一時間，MIPI的技術需求會提升，如圖1所示，顯示和相機攝像頭會成為很多移動終端的標準配置，因為一般廠家在設計產品時，會購買市面上的顯示和攝像器件，連接接口的標準化很重要，MIPI正是為這種需求而誕生的技術，隨著平板電腦、智能手機的熱潮，MIPI有機會在2011年越來越多地被大家采用，這樣全新技術的采用。需要測試驗證公司提前準備好測試方案，包括一致性測試工具，甚至還必須支持MIPI的協議分析功能。

串行總線

新的串行總線技術如Int el LightPeak，USB3.0，SAS／SATA 12Gb／s，PCI-E Gen III，DigRF／MIPI，DisplayPort 1.2是2011年出現頻率很高的技術名詞。串行總線越來越普及，而且速度愈來愈快，這是因為我們用的電子設備對數據傳輸、數據計算的要求不斷提升的結果。2011年、PCI-E Gen III的速度會達到8Gb／s，HDM11.5的速度可能會達到9Gb／s。同時，10G以太網已實現商業部署，國內40G的研發也相對成熟，100G以太網正在研發中，可能是以10×10G或4×25G的配置發送信號，這些對測試提出了嚴格挑戰和要求。安捷倫科技副總裁數字測試部總經理Siegfried Gross就表示，為了應對全新的測試需求，安捷倫采用全新的材料進行核心器件的升級，去年底推出32GHz帶寬的磷化銦實時示波器。隨著信號的速度越來越快，往往其電壓幅值越小，因此容忍噪聲的能力也減弱，儀器的本底噪聲直接影響測量精度。磷化銦這種半導體工藝長期以來用在安捷倫的射頻微波儀器中，其最大的特點是本底噪聲低，不僅實現示波器的帶寬足以覆蓋被測信號的多次諧波，而且保證高次諧波不會淹沒在示波器的本底噪聲中。

泰克技術解決方案市場經理sarab Boen女士介紹，在PCIExpress2.0-3.0演化中的新要求方面，由于數據速率提高到8Gb／s，其必須采用新的均衡方案，以補償信道損耗，這帶來了新的發射機測量項目和一致性測試方法。均衡技術不能補償系統中的所有抖動來源、因此PCIe3.0要求采用新的抖動方法。發射機測量規定在芯片引腳上進行，而芯片引腳一般都不能接觸，因此要求反嵌信道影響，以測量發射機。這就要求進行發射機測試，以滿足標準，并提供新的測試方法。正確測試發射機必不可少，因為信道末尾的眼圖將閉上，從而要求CTLE、CTLE和DFE，實現長服務器信道。接收機必須能夠適應系統中的信道，因此需要討論新的接收機測試方法，包括自動鏈路協商。

新能源應用

另一個非常重要的技術趨勢來自于綠色節能科技，LED照明和混合／電動汽車是綠色節能科技中最具代表性的兩個新興應用，而功率半導體則是倡導綠色節能科技的先鋒。為了觀察LED在長期連續使用情況下光性能的變化規律，需要對LED進行抽樣試驗，通過長期觀察和統計獲得LED壽命參數。基于LED各個應用領域的實際需求，LED的測試需要包含多方面的內容，包括：電特性、光特性，開關特性、顏色特性，熱學特性、可靠性等。其中電特性是LED測試的最核心需求，這就對電源表提出了全新的要求。吉時利公司市場營銷總監Mark Cejer認為，作為更具能量效率的全新應用，在LED和GaN、SiC及其他復合材料的功率器件的特性分析測試中，需要更為穩定的功率輸出和更高的電流電壓精度，以及非常寬的電流量程和動態范圍，來捕獲各種極端情況下的重要參數，與此同時，要求更好的采樣速率對瞬態和穩態行為進行精密分析特別是快速變化的熱效應，并且需要非常高的分辨率來發現新一代器件中的極低漏電流。因此，吉時利特別推出2600A系列源表中的最新產品2651A型高功率源表，專門為高功率電子的特性分析而優化設計，提供業內可用的最寬電流量程。該量程對于各種各樣的研發、可靠性及生產測試應用至關重要，例如測試高亮度LED(HBLED)、功率半導體、DC-DC轉換器、電池，以及其他高功率材料、元件、模塊和組件。特別的，2651A可以通過并聯實現100A的詠沖電流或者80V的電壓輸出、還能夠以高達1微秒每讀數的速率精密測量低達1pA和100 μv的信號。不僅是吉時利，安捷倫同樣也將最新的緊湊型臺式源／測量單元B2900A系列，用于半導體、LED等元器件和材料測試。這些SMU(源／測量單元)以適中的價格提供寬電壓／電流范圍和出色的性能，并配置業內首個彩色顯示屏以提供直觀的圖形化界面。它們適用于對研發、制造和教育應用中的半導體、有源／無源器件以及材料執行容易、快速的電流與電壓(I-V曲線)表征。

重新審視測試儀器

不管是上面哪種應用領域的測試儀器和技術，電子技術的發展持續對測試技術提出更高的要求，我們同樣要看到的是。一臺測試儀器的生命周期從過去的幾十年縮短到現在的幾年甚至三五年，根源就在于測試需求的變化已經需要重新探討全新儀器架構才能解決儀器生命周期的時代。雖然，前部分談到的很多測試需求已經可以用傳統臺式儀器滿足，但我們必須認識到，很多測試已經無法實現。

又到深化測試儀器全新架構時

作為電子技術最忠實的助手，電子測試技術已經悄然度過百年。在百年的電子測試發展過程中，伴隨著電子技術的發展，測試儀器經歷過許多次從理念層面的變革，在滿足市場測試需求的過程中，將測試儀器不斷推向全新的高度。

21世紀之前，測試儀器架構經歷了多次質的飛躍，從最早的機械式結構到后來的模擬儀器，再到數字時代的全新數字平臺結構、每一次測試儀器的架構變革都引發測試儀器一個成長的高潮。在21世紀最初的10年，計算機技術的普及再一次定義了全新的測試儀器架構，臺式儀器已經將PC幾乎所有的功能集成到儀器本身。同樣以PC為基礎擴展也在不斷深化，衍生出越來越多的儀器架構設計，可以說，現有的測試儀器架構百花齊放，在不同領域發揮著各自特有的優勢。

模塊化的時代

軍事應用是測試需求的先行者，同樣是引導測試儀器架構變革的主要推動力。而隨著軟件越來越多地在測試過程中發揮重要的作用、軟件已經逐漸取代硬件成為測試過程的核心，傳統的以硬件為核心的架構同樣受到極大的沖擊，而能夠極大發揮軟件作用的則是模塊化的測試平臺。

幾十年來，基于臺式儀器的自測試系統(ATS)一直是航空和國防應用中采用的主導架構。在20世紀80年代后期，基于VXI的模塊化系統克服了機架和堆疊方法的多個缺點。特別是安裝在多插槽主機中的基于板卡的儀器降低了系統的尺寸和重量。VXI背板的速度和功能還增強了觸發能力，加快了數據傳送速度。但是，所有這些商業技術的生命周期一般要遠遠短于典型的航空或國防系統。可能會影響ATS的長期維護和支持。這些問題推動著合成儀器(SI)方法的出現。合成儀器的概念非常簡單，即允許配置和重新配置模塊化硬件和軟件單元，創建多部測量設備的功能。這種構件方法可以通過簡單地更換一個模塊，如數字化器或向下變頻器，來更新或升級ATS或測試程序集(TPS)。它還可以降低ATS使用期間的軟件升級負擔。在20世紀90年代中期，美國國防部(DoD)為美國海軍分配了一項任務，為測試航空電子和武器系統開發新型的基于臺式儀器的自動測試系統(ATS)。根據合成儀器工作小組(SIWG)1提供的定義，合成儀器是一種可以重新配置的系統，它通過標準化接口把一系列硬件和軟件構成組件鏈接起來，使用數字處理技術生成信號或進行測量。關鍵是可以重新配置，可以通過軟件命令排列和重新排列構成組件，信號通過交換進行重新路由，仿真一種或多種傳統測試設備。合成儀器可以說開創了軟件與傳統儀器進行深度結合的先河，也邁出了軟件擴展儀器應用的第一步，而參與這一計劃的測試儀器廠商則針對市場的需求開始了更大范圍的革命。

如果說軍方的SI需求是催生模塊化儀器的星星之火，那么隨之而來的眾多民用技術測試需求則直接將模塊化儀器的發展推向和臺式儀器并列的地位。

PXI唱主角

在模塊化儀器的時代，測試平臺的核心是串聯各個模塊的核心總線標準。對于任何一個可以與系統級測試掛上勾的儀器而言，總線是一個必不可少的單元，在測試設備及系統中承載著數據傳輸和控制等的重要功能。測試測量儀器業從1960年代制定第一個儀器總線標準GPIB，大約每10年增添一種新的儀器總線，相繼推出VXI，PXI和LXI，近年來還有從PC外設總線直接移植作為儀器總線的USB。總線技術的盛行，恰恰是為了滿足更為個性化和現場化的測試需求，使測試系統和靈活測試系統搭建成為可能，極大提升了電子測試的效率及應用領域。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一種基于PC技術的面向測試測量和自動化應用的堅固平臺。PXI標準將CompactPCI標準(具有PCI電氣總線特性，同時具有堅固的、模塊化的歐卡封裝)與專用同步總線和軟件特性結合在一起。一個PXI系統由三個基本部分組成一機箱、控制器、以及外圍I／O模塊。基于PXI的這種模塊化架構，可以實現系統部分組件的單獨升級，并且可以使測試系統能快速利用這些升級的組件所帶來的新技術。

在最近召開的第八屆PXI技術和應用論壇(PXI TAC)上，PXI系統聯盟市場委員會主席Matthew Friedman介紹，從1998年PXI標準誕生以來，PXI平臺發展迅速，被用于各種有測量、控制或自動化需求的實際應用一從前沿研究、軍工和航空、消費電子、通信到過程控制和工業自動化領域，PXI被選為數千種應用的實現平臺。超過70家公司共同推進著PXI標準，保證互操作性，并共同來維護PXI規范。PXI是一種基于商業現成可用(COTS)技術的可重配置的平臺，并能適應當今與未來測控系統的發展需求。

PXI作為測試和測量應用的一個標準平臺，利用現成即用的商業技術提升了測試系統的性能，同時降低了系統的成本。標準化的商業技術使PXI系統以驚人的速度在測試和控制應用領域得到廣泛的接受、已成為這一領域的主流平臺。同時隨著PXI新產品功能的日益豐富，各種新應用不斷被開辟。同時，PXI標準本身也在不斷發展。去年年底通過的PXImc(PXI MultiComputing)規范中定義了通過PCI Express背板或線纜直接連接PXImc設備(可以是PXI控制器或其他設備)的方式，從而可以在同一PXI機箱中載有多個控制器，或者直接通過PCI Express連接不同的PXI系統或其他設備，進而滿足復雜運算或分布式應用的需求。PXImc在保證向后兼容的同時進一步擴展了PXI的應用范圍，讓人們期待開放的PXI技術在未來有更廣闊的發展空間。

NI全球研發副總裁Robert Canik特別表示，下一步，NI將繼續以PXI平臺為基礎，擴展更多的應用，如機器視覺這樣的大量數據處理應用以及RF測試等，同時提供更多的軟件IP工具包便于用戶的使用。事實上，許多實際的測試系統都不是基于單一總線的，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，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，也便于升級維護。

去年秋天、安捷倫公司高調宣布將全面進軍模塊化領域，并且一次性推出48款模塊化產品，其中包含3種全新的基于AXle總線的產品及45種PXI總線產品。就這一事件，Matthew Friedman表示，臺式儀器領導廠商安捷倫科技開始將其發展的重心轉向PXI，對整個PXI產業的推廣和發展有著非常重要的意義，從側面說明了PXI技術已經成為市場的主流，模塊化儀器具有和臺式儀器同樣廣闊的市場空間。

挑戰

安捷倫的加入，無疑對模塊化測試市場帶來相當大的沖擊，一方面將大幅加快模塊化產品在市場上的推廣力度，另一方面則是對現有眾多模塊化市場的廠商形成巨大的威脅。在這次PXI TAC上，安捷倫展出了多款基于PXI技術的測試產品，涉及汽車電子、射頻通信測試、光收發機測試、數據采集模塊和各種電流源表等。安捷倫公司模塊化儀器分部全球市場總監Carla Feldman表示：“我們將先進的儀器技術融入PXI和AXIe總線產品，是希望我們的客戶即使在使用模塊化儀器時也可以受益于安捷倫科技的70多年的測試測量技術和經驗的積累。”

然而，安捷倫并沒有一味將賭注壓在自己并不擅長的PXI上，而是以市場接受廣泛的PXI技術為主同時推出自己的AXIe全新總線。AXIe在制定之初參考了AdvancedTCA、PXI、LXI和IVI等現有的標準，是一個以AdvancedTCA為基礎的開放式標準，并向下兼任這些標準，其目標是創建一個由各種元器件、產品和系統組成的生態系統，推動通用儀器和半導體測試的發展。AXIe標準可提供最大的可擴展性，滿足各種平臺的需求，包括通用機架堆疊式系統、模塊化系統、半導體ATE系統，以及工作臺和模塊插件。

AXIe將會在以下方面為測量系統帶來改進：模塊電路板面積、散熱性能、功率、速度和測量完整性等。AXIe提供了極寬和快速的本地總線。數據采集模塊可產生極高速率的數據，并能夠分流這些數據，從而方便數據傳輸到系統計算機。這些較寬的本地總線可以提供一個非常快速的通道，可將高速數據移至相鄰數字信號處理模塊，從而在通過PCIe背板將數據傳輸到計算機之前對部分數據進行分流。這種模塊也可以用于實時生成數據并傳輸至相鄰數據生成模塊(例如任意波形發生器和數字碼型發生器)。測量完整性通常需要非常緊密和可重復的計時生成和精度。AXIe系統已經發展到可在模塊之間(通過總線觸發線或星型(徑向)觸發線)提供100 MHz的時鐘和計時信號。

改變

之所以說模塊化儀器將有可能定義全新的測試儀器架構，是因為不僅在應用的靈活性和自主性上模塊化儀器具有明顯的優勢，模塊化結構還可以提升原有臺式儀器達不到的性能指標，如上所述的，利用AXIe的高速優勢已經在安捷倫科技具有更高分辨率、更高帶寬、8G或12G采樣的模塊化測試儀器M8190A上得以充分體現。“M8190A能夠同時提供更高的保真度、更高的分辨率、更高的帶寬使得用戶能夠生成針對不同應用場景的信號，將設計推向極致，并在測量分析中獲得新的視角。如果沒有借助于AXIe技術平臺，傳統的臺式儀器架構很難實現如此好的技術指標。”安捷倫臺式儀器的領軍人物SiegfriedGross也開始為模塊化儀器唱贊歌。

與此同時，NI推出業內帶寬最高的PXI數字化儀，擴展了PXI數字化儀產品的性能。作為NI基于PXI平臺的軟硬件平臺的組成部分，這兩款數字化儀為自動化測試應用提供了更優異的性能，全新PXI數字化儀結合了泰克在高速數字化儀前端設計方面的優勢和NI在軟件定義的模塊化儀器領域的優勢，這些數字化儀進一步體現了摩爾定律對測試應用的影響，使PXI模塊化儀器在保持體積優勢的同時不斷達到更高性能。

延伸的話題

在談到測試儀器過程中，在模塊化平臺之外，市場上同樣出現了一些區別于傳統臺式測試儀器架構的測試儀器和平臺，也許在現階段看這些技術還不足以成為測試技術的主導力量，但他們同樣具有自己的優勢和適用空間，并且可能在未來成為一股足以改變測試儀器的新生力量。

虛擬儀器

“虛擬儀器技術”這個概念緣起于20世紀70年代末。在當時微處理器技術的發展已經可以通過改變設備的軟件來輕松地實現設備功能的變化，所以要在測最系統中集成分析算法已經成為可能。一個全新的趨勢——即打開測量系統、允許用戶自己定義分析算法并且配置數據的顯示方式——已經開始形成。就這樣，虛擬儀器技術的概念誕生了。1985年6月，Jeff Kodosky領導著一組工程師開始了圖形化開發環境LabVIEW的編程工作，他們的研發成果就是推出了LabVIEW1.0版本，也意味著虛擬儀器徹底從概念走向了實用。

經過20多年的發展，成熟的虛擬儀器技術由三大部分組成：高效的軟件編程環境、模塊化儀器和一個支持模塊化110集成的開放的硬件構架。當今電子測試過程中，隨著產品開發時間不斷縮短，帶給儀器供應商的壓力也越大。廠商定義的解決方案已經很難滿足用戶不斷提出的新要求、新標準和新特性，至少從時效性上已經跟不上技術發展的需要。虛擬儀器技術，以及其他實質相似的概念，為增加靈活性、降低投資成本、提高測試系統使用壽命，同時確保可靠性等要求，提供了一個理想的解決方案。

軟件定義儀器

在儀器儀表的研發中，模擬電路部分(傳感器接口電路+放大濾波)和數字部分(μP或μc)是最為重要的兩個部分，又是各個整機廠“各自”研發、投入最大、重復最多的兩個部分。在傳統的臺式儀器中，這部分硬件的架構往往是生硬而一成不變的，但是，天津大學的李剛教授的實踐表明，利用軟件無線電技術，完全可以構成“軟件定義儀器”(Software Defined Instrument，SDI)。這樣，可以把分散、重復而且最耗費人力、財力的“個體”或“小作坊”式的研發行為變成專業化的“規模”開發和生產，而整機生產企業和儀器儀表的用戶則較容易地根據自己的需要重新“定義”儀器儀表的功能，以最小的代價更新、升級或維護已有儀器儀表。

軟件儀器具有與虛擬儀器類似的優點，但軟件儀器是“實實在在”的儀器，是建立在嵌入式系統，如單片機、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC機上。軟件儀器有比虛擬儀器大得多的適應性、可靠性和靈活性。

當然，類似的概念出現在基于FPGA的自定義儀器應用上，FPGA的高性能和可重復配置特性一直是硬件設計工程師們的最愛，而對于測試工程師而言，同樣可以借鑒其硬件級的確定性和并行性，像諸如實時系統仿真、高速內存測試等應用都需要用到FPGA來確保響應的實時性和高速的數據流入和流出，FPGA的IP核更是可以為工程師植入自主知識產權的算法提供契機。隨著對FPGA技術應用復雜性的簡化，可以預計，擁有高性能和靈活性的FPGA技術將越來越多的被應用于未來的儀器系統中。