測試測量技術發展趨勢

徐　赟

摘要：本文從以軟件為核心的測試策略角度探討了測試測量技術發展的一些趨勢，并具體給出了說明。

關鍵詞：測試測量；軟件；NI；LabVIEW

DOI：10.3969/j.issn.1005—5517.2009.06.003

伴隨著測試需求的多樣化和復雜化，以軟件為核心的測試策略正逐漸成為行業主流的技術，并得到廣泛的應用，在提高效率的同時降低測試成本。在新興商業技術不斷涌現的今天和未來，測試測量行業正呈現出五個重要的發展方向。

趨勢一：軟件定義的儀器系統成為主流

如今的電子產品(像iPhone和Wii等)已越來越依重于軟件去定義產品的功能。同樣，在產品設計和客戶需求日益復雜的今天。用于測試測量的儀器系統也朝著以軟件為核心的模塊化方向發展，使得用戶能夠更快更靈活的將測試集成到設計過程中去，進一步減少了開發時間。

通過軟件定義模塊化硬件的功能，用戶可以快速實現不同的測試功能，并應用定制數據分析算法和創建自定義的用戶界面。相比于傳統儀器固定的功能限制和只是“測試結果”的呈現，以軟件為核心的模塊化儀器系統能夠賦予用戶更多的主動權。甚至將自主的知識產權(IP)應用到測試系統中(見圖1)。

在業界，被認為是最保守的客戶之一的美國國防部在2002年向國會提交的報告中指出下一代測試系統(NxTest)必須是基于現成可用商業技術(COTS)的模塊化的硬件，并同時強調了軟件的能動作用。最新的合成儀器(synthetic Instrumentation)的概念也無非是經過重新包裝的虛擬儀器技術，將軟件的開放性和硬件的模塊化重新結合在了一起。

趨勢二：多核/并行測試帶來機遇和挑戰

多核時代的來臨已成為不可避免的發展趨勢，雙核乃至八核的商用PC現在已隨處可見。得益于PC架構的軟件定義的儀器，用戶可以在第一時間享受到多核處理器為自動化測試應用帶來的巨大性能提升。

要充分發揮多核的性能優勢，就必須創建多線程的應用程序，例如我們可以將自動化測試程序的數據采集、數據分析、數據記錄乃至用戶界面部分創建不同的線程，從而分配到不同的核上來并行運行。不過，這種并行的開發理念使得習慣于傳統串行開發方式的工程師難以適應，尤其是當核的數目越來越多……

挑戰和機遇往往是并存的，作為圖形化語言的代表，LabVIEW在設計當初就考慮到了并行處理的需求，從LabVIEW 5.0開始支持多線程到現在已有10多年的歷史。通過自動的程序多線程化(見圖2)，開發人員可以無需考慮底層的實現機制，就可以高效地享用多核技術所帶來的益處。

無論是歐南天文臺極大望遠鏡高達2700萬次乘加運算的鏡面控制，到Tokamak核聚變裝置的實時處理運算，還是NASA的飛機安全性測試和TORC汽車控制快速原型設計。LabVIEW多核技術都為這些應用帶來了巨大的性能和吞吐量的提升，隨著多核技術的進一步發展，提升的幅度將更為可觀。

趨勢三：基于FPGA的自定義儀器將更為流行

隨著設計和測試的要求越來越高，FPGA(現場可編程門陣列)技術正逐漸被引入到最新的模塊化儀器中，這也就是我們所說的基于FPGA的自定義儀器。

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，又何嘗不想擁有硬件級的確定性和并行性呢?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人和流出，FPGA的IP核更可以為工程師植入自主知識產權的算法提供契機。然而，苦于對硬件設計知識的缺乏和對VHDL或Verilog語言編程的恐懼，許多測試工程師對于FPGA技術望而卻步。

現在，NI提供的R系列數據采集和FlexRIO產品家族將高性能的FPGA集成到現成可用的I/O板卡上，供用戶根據應用進行定制和重復配置。同時配合LabVIEW FPGA直觀方便的圖形化編程，用戶能夠在無需編寫底層VHDL代碼的情況下，快速地配置和編程FPGA的功能，用于自動化測試和控制應用(見圖3)。

前段時間，歐洲核子研究中心(CERN)為世界最強大的粒子加速度器——大型強子對撞機(LHC)配備了超過120套帶有可重復配置I/O模塊的NI PXI系統，用于控制瞄準儀的運動軌跡和監測其實時位置，從而確保粒子在既定的路徑中運作。為了保證極高的可靠性和精確性，FPGA成為其必備的測試和控制技術。

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技術將越來越多地被應用于未來的儀器系統中。

趨勢四：無線標準測試的爆炸性增長

近年來無線通信標準的發展可謂是日新月異，從2000年前只有四五種的無線標準到現在眾多新標準如雨后春筍般涌現。越來越多的消費電子產品和工業產品都或多或少地集成了無線通信的功能，像蘋果公司最新的3G版iPhone手機，更是同時集成了UMTS，HSDPA，GSM，EDGE，Wi-Fi，GPS和藍牙等多種最新的無線標準。這些都給無線技術的開發和測試帶來了巨大的挑戰，測試技術如何跟上無線技術的發展成為工程師面臨的最大難題。通常傳統射頻儀器的購買周期是5-7年，而新標準和新技術的推出周期卻是每兩年一輪，購買的射頻測試設備由于其固件和功能的限定通常難以跟上新標準的發展速度。

面對這樣的挑戰，一種以軟件為核心的無線測試平臺正嶄露頭角。信號的上下變頻和數字化由模塊化的射頻硬件完成，而編解碼和調制解調的過程全部通過軟件實現。這樣，在統一的模塊化硬件平臺上。只需修改軟件就可以滿足不同無線標準的測試需求，使得工程師有能力在第一時間測試最新的標準，加快產品的上市時間。

NI LabVIEW和NPXI RF平臺就是這樣一個軟件無線電的測試平臺。多年來已經成為工程師和科學家們開發無線標準和測試無線應用的必備工具。例如德州大學奧斯汀分校的師生基于NI的軟件無線電平臺，在短短6周時間內開發出MIMO—OFDM 4G的系統原型；成都華日通信公司(國內無線電頻譜管理設備主要供應商)利用NI PXI矢量信號分析儀和LabVIEW開發了帶有自主產權的HR-100寬帶無線電接收機和監測系統，已廣泛應用于國內的頻譜監測和信號定向領域。聚星儀器(NI大陸地區系統聯盟商)也開發出了全球首個支持CIG2 RFID標準全部指令的測試設備，并實現了與RFID標簽微秒級的實時通信。

趨勢五：協議感知ATE將影響半導體的測試

如今的半導體器件變得愈加復雜，高級的片上系統(SoC)和封裝系統(SiP)相比典型的基于矢量的器件測試而言，需要更為復雜的系統級的功能測試。現在器件的功能也不再是通過簡單的并行數字接口實現，而是更多依賴于高速串行總線和無線協議進行輸出，這就要求測試設備和器件之間能夠在指定的時鐘周期內完成高速的激勵和響應測試。

復雜的測試需求催生了協議感知(Protocol-Aware)ATE的誕生。Andrew Evans在2007國際測試會議(ITC)上發表的論文“The New ATE—Protocol Aware”中首次提出了這個概念。這是一種模仿器件真實使用環境(包括外圍接口)的方法，按照器件期望的使用方式，進行有針對性的器件功能測試和驗證。

國際半導體測試協會(STC)和新近成立的半導體測試合作聯盟(CAST)都在考慮為自動化測試廠商制定開放的測試架構，以滿足日赫增加的半導體測試需求和降低測試成本。NI作為STC協會便攜式測試儀器模塊(PTIM)工作組的主席。正在致力于創建一種新的指南和標準，使工程師能夠將第三方的模塊化測試儀器(如PXI)集成到傳統的半導體ATE中，以實現更為靈活自定義、符合“協議感知”要求的半導體測試系統。

把握發展趨勢，占據市場先機，在全球經濟步入調整期的今天，相信測試測量行業仍會有一個美好的未來。