主导技术 测控必备:新一代产品测试技术
对测试的需要从来未象现在这么强烈。随着创新步伐不断加快，对开发出与众不同的新产品并迅速投入市场的压力也随之增大。客户的期望也在不断提高，例如在电子领域，要求在更小的空间、以更低的成本，集合多种迥异的功能。过去三年的经济衰退不但没有阻挠人们对创新的需要，反而增加资源的投入。目前，满足这些需要是业务取得成功的要素之一；无论是谁，只要他能够最快、最稳定、最可靠地满足这些要求，他就比其他竞争对手更具有优势。
所有这些状况产生了对确认、验证和制造测试的最新需要。能够跟上此创新需要的测试平台不是可有可无的，而是至关重要的。平台必须包含快速测试开发工具，能够进行适当的调节，从而适用于整个产品开发流程。快速开发并有效制造产品需要高吞吐量测试。为测试功能复杂的产品，客户要求提供准确的并行测试能力。另外，因为您包含进创新方案使您的产品与众不同，所以测试系统也必须能够快速修改，以测试新的功能。
虚拟仪器技术是这些挑战的创新性解决方案。它们集快速开发软件和模块化的、灵活的硬件于一身，用户可以方便地创建自定义测试系统。
虚拟仪器提供：
直观的软件工具，用于快速测试开发；
基于创新性商用技术的快速、精确的、模块化I/O；
基于PC机的平台，集成同步功能，获得高精度和大吞吐量。
快速测试开发软件
因为自动化越来越成为快速测试复杂产品的必要条件，所以软件已经成为所有测试系统至关重要的要素 - 从设计验证一直到高度自动化的制造测试。要快速交付能够适应测试新功能的测试系统需要一套集成的测试开发工具。如图1所示，这些工具包括测试管理、测试开发和I/O驱动程序。
图1 新一代测试技术的完整软件结构
测试管理软件为高度自动化的测试系统提供了一个框架，包括顺序控制、分支/循环、报告生成及数据库集成等。另外，测试管理工具还必须紧密集成到为应用程序创建特定测试程序的测试开发环境中。National Instruments的TestStand是业界领先的测试管理环境，包括与所有常用测试开发环境的连通性，并且可以与这些环境之间自由地传递数据，以创建完全集成的系统。TestStand的结构如图2所示。因为测试管理环境的许多需要根据应用程序的不同而不同，所以它是一个功能灵活的框架 - 例如，操作界面、报告格式和执行模式全部可以自定义以满足不同应用程序的需要。
图2：TestStand测试管理结构
许多自动化测试应用程序拥有非常多的触发和测量通道，因此需要一个开关矩阵将I/O与被测设备（DUT）相连接。随着设备复杂性的增加，这些系统的通道数也随之增多。为有效地管理如此多的开关路径，以及快速改变这些路径来适应新产品结构的需要，必须需要开关管理软件。
NI的Switch Executive是业界唯一的商用开关管理环境，提供了一个完成自动测试系统开关路径配置和记录等功能的环境。Switch Executive与NI的TestStand紧密连通，这样，开关路径能够与特定的测试步骤绑定，有助于测试系统实现模块化"连接、测试、断开"结构。
测试开关环境是满足快速测试发布要求的最重要组件。此环境提供快速开发测?quot;代码"或程序的工具是至关重要的。多年以来，实现快速开发的一种重要的软件技术是可视化编程。可视化编程使用"图标"或者符号功能，以图形形式代表将要执行的操作。这些符号通过传递数据和确定执行顺序的"线"彼此连接。因为测试程序可以看到，而不是读文件或代码，所以总体性开发和理解测试程序非常迅速。NI LabVIEW提供了业界最常用和最完善的可视化开发环境。另外，LabVIEW的分层数据流语言还提高了测试程序的重新利用能力。
虽然经常被忽视，但是I/O驱动程序是快速测试开发策略至关重要的要素之一。此软件提供了测试开发软件和测量与控制硬件之间的连通性。它包括仪器的驱动程序、配置工具和快速I/O助手。
仪器驱动程序提供了一套与仪器接口的高层、可读函数。每个仪器驱动程序均为特定型号的仪器量身定做，提供仪器独有功能的接口。对于仪器驱动程序来说，特别重要的是它与测试开发环境的集成性，从而仪器命令是测试开发无缝的一部分。作为一名测试开发人员，您需要为选定的开发环境优化驱动程序接口。Ni.com网站中的仪器驱动程序网络包含4000余种不同仪器的驱动程序，可以与LabVIEW、C、C++和Visual Basic接口。
NI Measurement & Automation Explorer等配置工具包含用来配置和测试I/O的工具，以及保存定标、校准及通道别名信息的工具。这些工具对于迅速实现首次测量，以及测试系统的故障诊断和维护，是非常重要的。
I/O助手是一些交互工具，用来极快速地创建测量或促进开发应用程序。例如LabVIEW 7 Express中的Instrument I/O Assistant和DAQ Assistant。图3所示的DAQ Assistant为用户提供了一块面板，无需编程就能配置常用的数据采集参数。易于使用的I/O助手与功能强大的编程环境的结合对于实现快速开发和功能来满足各种应用场合的要求是非常必要的。
图3：NI DAQ Assistant提供了一个在LabVIEW中快速配置数据采集任务的交互工具
模块化I/O
第二个至关重要的测试技术是模块化I/O，包括模块化仪器和数据采集等技术。此测量硬件布置在一块印刷电路板上，可以插入到PC或PXI底板中。模块化I/O采用商业芯片技术以较低的成本创建高性能虚拟仪器。ADC、DAC、FGPA和DSP等商业技术的广泛使用使模块化I/O的功能和性能迅速改善。图4所示是模块化数字化仪的当前性能，通过频率（将信号数字化的速度）和位（数字化精度）来表现。在很多情况下，虚拟仪器的精度超过了传统仪器。
图4：虚拟仪器的测量能力超过传统仪器
模块化I/O采用总线和处理器技术，因此它实现了高速测量和高速输出到PC机内存的能力。例如，PCI总线能够达到132 MB/s的吞吐量 - 比用来连接大多数传统仪器的GPIB总线快了100倍以上。在虚拟仪器系统中，使用GHz PC处理器来分析数据并使用软件进行测量。测量结果是纯粹建立在包含内置供应商定义硬件和应用专用处理器的传统仪器之上的测试系统吞吐量的10至100倍。在许多测试为其瓶颈的系统中，通过使用多个冗余仪器来满足吞吐量要求。预算紧缩正在压迫这种提高吞吐量的"强力"方法。赑XI模块化I/O的系统能够以超过100 MB/s的速度将数字化仪处理的数据连续输入PC中，或者每秒进行3000次5 1/2位DMM测量。目前，对于大规模测试的要求使得这些吞吐量增益和成本节省对于保持竞争力是至关重要的。
基于PC机的测试平台
在今天，所有现代的测试系统均包含一台PC机。它不仅仅只是测试系统的一部分，而是正在成为至关重要的集成平台 - 测试系统的核心。GHz处理器、高速总线、广泛使用的软件、不断提高的性能和特别低的价格使得PC机实际上成为一个理想的测试平台。图5所示是一个实例，说明了PC机在过去20年中发生的性能进步。在测试系统中，性能提高达到同等规模的唯一元素可能就是DUT本身了。
图5：PC平台在过去20年间的性能提高超过了10,000倍
虚拟仪器采用PC和PC技术使测试应用程序的性能获得同等规模的进步。对于虚拟仪器系统，在您升级了PC机之后，整个测试系统都将从更快的处理器、更大的存储器和更先进的外围设备中获益。
PXI（CompactPCI eXtensions for Instrumentation）是建立在PC机技术之上的模块化I/O的标准。PXI为基于PC机的结构添加了集成定时和同步、工业条件坚固性，以及更多的通道数。PXI是一个系统联盟标准，已经得到65家公司的支持。
PXI提供的定时和同步结构是另一项至关重要的测试技术。使用这些功能，多个模块化I/O设备的定时特性能够实现精确的同步，大大提高了精度和吞吐量。PXI背板包括共享触发器、一个高稳定的共享时钟，以及一组保证同步性能的星型触发线路。如图6所示。
图6：PXI平台包含定时和同步的专用资源
说明定时和同步如何提高测试系统吞吐量的一个实例是使用DMM和开关扫描一组DC测量值。扫描开关和DMM的一个关键功能是在测试多个点的过程中进行握手的能力。对于握手扫描，DMM接收来自开关的数字脉冲（"Scanner Advanced"）、进行测量，然后产生一个数字脉冲（"Measurement Complete"）。在开关接收到"Measurement Complete"信号之后，它进入板载扫描列表上的下一个输入项。在开关模块的继电器稳定之后，开关发出一个"Scanner Advanced"脉冲，并触发DMM进行新的测量，重新开始前文所述的过程。过程一直重复，直到扫描列表完成为止。握手信号可以通过PXI触发总线直接发送。在采用此种方式时，与软件定时方法相比，基于PXI的开关/DMM系统可以将测试时间优化50％以上。
虚拟仪器技术的应用实例
数以千计的公司已经成功地将虚拟仪器部署在他们的设计实验室和制造工厂中，以提高性能、灵活性和生产力，如前文所述。下面的每个实例均说明了这些技术对于那些已经认识到他们能够使测试成为战略优势的公司是如何的至关重要。
Lexmark提高了墨水盒测试精度
Lexmark是印刷解决方案开发和制造的全球领导者，包括喷墨打印机和激光打印机，以及相关耗材。为满足他们对于高吞吐量和低测试成本的要求，Lexmark采用了基于PC机的、使用LabVIEW和NI模块化仪器的解决方案。
Lexmark能够随着需要的变化调节其测试方案的规模。在1997年，系统使用一个8位、20 MS/s数字化仪（NI PCI-5102）和LabVIEW 4.1。然而，随着喷墨打印头技术的发展，Lexmark对于速度和分辨率的要求也增加。目前的制造系统使用LabVIEW 7 Express和基于PXI的系统，包括最新的14位、100 MS/s数字化仪（NI PXI-5122）和100 MHz数字波形发生器/分析仪（NI PXI-6552）。在提高测试系统性能的同时，Lexmark实际上因为采用了最新的测量技术而降低了设备成本。最重要地是，通过使用基于软件的虚拟仪器结构，他们能够在要求变化时，以最小的软件修改量升级系统。
1997 2001 2003
数字波形发生 第三方
ISA板
(25 MHz) NI PCI-6534
(20 MHz) NI PXI-6552
(100 MHz)
电阻测量用数字化仪 NI PCI-5102
(10 MS/s, 8-bit)
NI-SCOPE
NI PCI-5911
(12.5 MS/s, 12-bit)
NI-SCOPE NI PXI-5122
(100 MS/s, 14-bit)
NI-SCOPE
软件 LabVIEW 4.1 LabVIEW 6i LabVIEW 7 Express
图7：Lexmark成功地更改了测量系统的规模以满足不断提高的喷墨打印头测试要求
美国空军使用虚拟仪器增加任务执行能力
在2002年，ManTech测试系统获得了一个价值数百万美元的合同开发和生产LANTIRN系统所用的测试设备，并提供技术支持。LANTIRN（低海拔夜间导航与目标导向红外线）是一个在美国空军主要战斗机型上使用的系统，包括F-15E攻击鹰和F-16C/D战隼。LANTIRN显著地提高了这些飞机的战斗效能，它们可能低海拔、夜间和各种天气条件下飞行，用各种精确制导和非制导武器攻击地面目标。
原来的LANTIRN测试系统可以追溯到20世纪80年代末期，基于MicroVAX计算机，与独立式仪器绑定。系统不仅仅尺寸大，需要7个完整机架的空间，而且由于测试系统元件的逐渐过时，美国空军面临着一大堆可靠性和维护问题。
ManTech采用PXI和NI模块化仪器，以及市场上现成的技术，将测试系统的尺寸减小了50％以上，同时满足了军队对于运行状态和非运行状态的可靠要求。
降低了3G移动电话的制造测试成本
信威通信技术有限公司是中国的一家电信公司，最先合作开发出SCDMA标准。SCDMA协议是TD-SCDMA的基础，它是在中国开发的3G协议。新维SCDMA在1.8 GHz带宽下运行，为小型城市提供了一种低成本无线访问和消息服务解决方案。
VI Services（NI的联盟伙伴）与新维有限公司合作，成功地使用PXI-5660 RF信号分析仪、LabVIEW和VI Services的无限测试工具包开发出一个SCDMA移动电话在线测试站。对于各个移动电话产品系列，新维有限公司均用基于虚拟仪器的新型测试站取代了原来基于独立式通信测试套件的测试系统。同时，每条生产线的测试吞吐量几乎增加了一倍，因此，通过采用虚拟仪器方法，性能提高了近4倍。
因为系统使用软件进行信号分析，所以它能够在新的移动电话标准发布时进行升级，而无需购买附加测试设备。
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