自动化测试新时代

2011年07月06日 15:07    eechina
关键词: PXI , 自动化测试
在30多年的时间里,科技界已经在各种实践中见证了摩尔定律。

晶体管密度每18个月就增长一倍,很大程度上地提高了电子设备的性能。这不仅仅在最近的Intel i7处理器上可以体现,在很多不断“减小”的技术上也可以看到,比如64GB 的固态硬盘现在已经可以做到一张邮票的大小。这些技术上的进步带来了成本的大幅降低。比如以前价值上百美元的LCD显示屏现在已经可以整合到廉价的贺卡中。因为有了更快、更小、更低廉的设备之后,整个工业界也见证了一代新兴产品的爆发。这些产品往往集成了很多工具,比如GPS定位系统、数码相机、手机等。另外,这些工具往往都具有软件定义功能,用户可以下载应用软件使他们的设备更适应他们的个性化需求。

技术创新不断涌现的同时,对每项突破性技术进行检验也愈加成为一种挑战。比如说,将无线局域网技术加入下一代产品就比原来的产品增加了50项新的相关测试。幸运的是,摩尔定律对于下一代的测试平台和模块化测试仪器一样适用。伴随着软件定义的解决方案的发展,这些测试系统性能的提高完全可以跟得上待测设备的发展步伐。

从机架式测试系统到PXI(面向仪器系统的PCI扩展)

几十年来,通过使用与工程实验中同样的传统台式仪器,在机架上一层层地搭建,工程师们已经设计了一些自动测试系统。机架系统通过一个仪器控制接口连接到电脑上,电脑上的程序保证系统的自动运行。尽管这些机架式系统能够完成一定的功能,但它们并没有按照仪器的设计者所构想的那样被使用。

传统的台式仪器是为了实验台而设计的,当工程师或技术人员想要手动测试或者检测一个仪器的故障时会使用。在机架式系统中,仪器的屏幕、旋钮以及按钮常常会变为一种对空间和资金的浪费。进一步来说,这些仪器并没有像那些自动仪器一样为了测量速度或者数据吞吐量而特别设计。在一个设计实验平台上,十秒钟的测量时间是可以忽略不计的,但当该测量方法被用于一个生产线上的上千台设备的测量时,这可能就意味着巨额的经济损失。

“相比传统机架式的台式仪器,使用PXI, 您可以得到一个外形更小巧、性价比更高、更适合您需求的解决方案。

– Jessy Cavazos, Frost & Sullivan

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图1. 不同于传统的机架式仪器,工程师可以通过升级控制器,在PXI系统整个生命周期内不断提高其性能。

在过去的几年里,工业自动化测试已经达到了一个转折点,现在正在向PXI快速的转变。专门为自动化测试进行优化的PXI提供了一种比机架式仪器更快、更小、更高性价比的解决方案。Harris RF Communications公司,一家军用多频带战术无线电设备供应商,最近收到很多订单,预订其Falcon系列高性能无线电设备。这家公司就需要一种更先进的测试方法,从而可以同时测试更多的无线电设备。Harris选择了NI TestStand软件和PXI硬件作为它下一代测试系统的软硬件开发平台。使用NI平台,Harris不但可以增加被测无线电设备的数目,而且将每一台无线电设备的测试成本减少了74%。

NI最近的全球测试经理调查证实了这种转折趋势。在调查中,70%以上的测试经理表明他们将使用PXI作为他们下一代自动测试系统中至少一种的核心技术。与之形成鲜明的对比的是,只有30%的测试经理选择继续在他们的自动测试系统里使用机架式测试仪器。

“使用新的基于NI PXI的技术平台,我们在保证测量和性能完整性的同时,将成本缩减到原来的1/3,半导体测试的吞吐量提高至原来的10倍。”

– Ray Morgan, ON Semiconductor

传统台式仪器的供应商们同样也在PXI上做了很大的投资。比如说,在2010年9月,Agilent Technologies公司宣布了它对 PXI平台的支持,并推出了40多台PXI模块。Agilent与60多个供应商加入了PXI 系统联盟。这个联盟作为一个推动和维护PXI标准的产业联盟,保证了投资处于公开、多供应商(公平竞争)的环境下。

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图 2. 新NI PXIe5665提供了业内领先的RF性能,并且与同样的机架式解决方案相比,成本缩减四成,体积减小了九成

摩尔定律将PXI带向未来

利用市场中的现成的技术,PXI从摩尔定律中获得了巨大的好处。使用那些只有20年前1/2000大小的晶体管,NI在一个体积只有原来台式仪器1 /10的3UPXI模块中创造了高性能的射频仪器。有效地缩减了机架仪器占用的空间,减少了仪器重量和耗电量。Analog Devices公司一直使用传统的自动测试仪器(Automated test equipment, ATE)来检测它的微机电系统(MEMS)麦克风,当它转向PXI测试系统以后,公司可以将他们测试系统的重量减小66倍、 耗电量减小到原来的1/16。以前装载一个ATE系统的集装箱装载成本就相当于现在整个PXI测试系统的开发成本。

摩尔定律的效果同样显著地表现在PXI的处理能力方面。使用模块化控制器架构,工程师不需要更换机箱以及机箱中的仪器,只需要简单地更换一下控制器,就可以增加额外的处理能力了。为了提高性能,他们可以轻松地为一个2001年搭建的工作频率为2.5 G FLOPS的旧系统更换一个使用最新Intel酷睿i7处理芯片的控制器,这样新系统就可以以35G FLOPS的频率运行。先进的处理能力对于计算密集型的应用(例如射频信号的处理和分析)是至关重要的。例如,TriQuint半导体公司将传统台式仪器替换为基于PXI的自动测试系统后,实现了在GSM,EDGE和 WCDMA功放特性测试中耗时6%至14%的减少。使用NI PXI模块化仪器,该公司对新产品特性的测试时间从原来的两周缩减到了一天。

PXI不仅仅提供了一种更小和更快的解决方法,还持续推动着各种平台测试性能的提高。新的NI PXIe-5665矢量信号分析仪(Vector signal analyzer, VSA)提供了最好的RF测试性能,包括业内领先的相位噪声、幅度精度以及动态范围。新的VSA相比之前的台式仪器,在成本减少四成、体积缩小九成的情况下,仍达到了最优的性能。另一个有关领先测量技术的例子是新的NI PXIe-5186数字化仪。该数字化仪由NI公司和Tektronix(世界上最优秀的示波器生产商)联合开发,是现在市面上最高性能的PXI数字化仪,拥有5GHz的带宽和高达12.5GS/s的采样率。

软件的发展

当PXI为我们提供了一种更快、更小以及更高性价比的选择的同时,它的实际意义在于提供了一种真正的软件定义的解决方案。与传统的有着特定或者供应商设定功能的台式仪器不同,PXI测试系统是被其软件定义的。就像工程师可以下载应用软件去个性化他们的智能手机一样,他们现在也可以根据他们特定的待测设备来个性化他们的测试系统。

PXI系统软件不断随着被测设备复杂度的提高在升级。当工程师测试一个位于芯片上的无线局域网系统时,他们不再需要通过输入激励、等待输出来检测和确认元器件的有效性。事实上,测试系统常常需要在实时数字协议(例如I2C, PCIExpress和SPI等)通讯的基础上去调试设备,最后再反过来同步RF测量。这种复杂程度要求软件能够实现更高层次的抽象化,从而建模、控制以及测试这些系统。

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图 3. 在测试集成有无线局域网的芯片这样的复杂系统时,需要新的测试抽象软件及新的测试能力

幸运的是,像NI LabVIEW图形化系统开发软件这样的工具就可以满足这种要求。和已经使用了25年的台式仪器界面相似的图形化编程环境让测试工程师有能力为复杂的激励响应系统建模,包括复杂的定时和同步。另外,工程师还可以直接将相同的代码下载到PXI上用户可访问的FPGA中,进行嵌入式的信号处理、个性化协议通讯,等等。

“NI PXI平台可以在保证很大灵活性和实时性的同时大幅缩减我们的开发时间。使用LabVIEW可以保证在同一个环境中开发使用实时控制器和FPGA模块,帮助我们达到快速整合的效果,最终还能得到一个独立可靠的产品。”

– Miguel Núñez, Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)

正如摩尔定律所阐述的,新研发的装置比以往任何时候都要更快、更小、更低价。为了跟上待测设备的发展,测试工程师们必须转向基于PXI的测试系统。

作者:Matthew Friedman,NI 公司PXI平台资深产品经理,PXI系统联盟总监及市场部联合主席。
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