Приборы: следующее поколение

Какая мысленная картина у вас возникает при слове «прибор» — корпус с рукоятками и дисплеем или плата для установки в корпус ПК? На развитие плат, устанавливающихся в ПК, в полноценные средства измерения были затрачены очень большие усилия. Произошел выход этих плат из не совсем подходящей для них среды внутри корпуса компьютера во внешние базовые блоки. В результате появились серии продуктов, обладающих достаточной точностью и отличной скоростью работы и передачи данных.

Реальность виртуальных приборов?

Эти решения и называют «виртуальными приборами», так как у них отсутствует передняя панель и они используют вычислительную мощность и интерфейс ПК; однако термин «виртуальные приборы» не точен. Разумеется, в царапинах, оставленных на пальцах при установке платы в ПК, ничего виртуального нет. Аппаратная часть вполне материальна, так как требуется какое-то физическое соединение между измерительным и тестируемым устройствами. Термин «виртуальный» используется потому, что программное обеспечение способно определять функции платы в определенных физических и электрических рамках. А ПО — это уже никак не прибор.

Глядя на это развитие плат для ПК в виртуальные приборы, кто-то может подумать, что в это время производительность традиционных самостоятельных стоечных и настольных приборов стояла на месте. Но параллельно с тем, как модифицировались платы, традиционные приборы прошли свой путь развития. В данной статье рассмотрена эволюция обоих направлений.

Эволюция плат для ПК

Для инженеров, чьим главным средством анализа является ПК, естественным шагом было добавление ему возможностей по измерениям. Первые платы были незамысловаты по нынешним меркам, и им недоставало некоторых важных элементов — например, изоляции. Неблагоприятная среда с электромагнитными помехами в корпусе ПК ограничивает возможности плат и по сей день ограничивает уровень шума в таких устройствах. Эта проблема решается выносом плат за пределы корпуса ПК в специальные базовые блоки для установки плат, где учтены вопросы электромагнитных помех и экранирования. Последним шагом стала разработка специального ПК для вставки в базовый блок для улучшения скорости работы шины передачи данных.

Достоинства и недостатки, присущие этим конфигурациям (рис. 1), хорошо известны. Плата, установленная в ПК, подвергает его риску повреждения от измерительного устройства, а на нее, в свою очередь, влияют электромагнитные помехи. Плюсы — невысокая цена и высокая скорость передачи данных.

Существуют различные архитектуры с использованием базовых блоков, но среди них наибольший интерес для инженера по тестированию представляют VXI и PXI. У VXI бульшие по размерам модули с максимальной функциональностью и четко определенным экранированием. PXI меньше по размерам и, как следствие, обладает меньшей функциональностью каждого конкретного модуля, но он дешевле, чем VXI. Оба стандарта обладают высокой скоростью передачи данных и возможностью встраивания ПК в базовый блок. И тот, и другой стандарты поддерживаются сотнями производителей.

Где располагается вычислительная мощность?

Можно предположить, что главное отличие виртуальных приборов от традиционных — это просто место расположения центра обработки данных. В случае с виртуальными приборами эта интеллектуальная часть находится в ПК. Это означает не только то, что с помощью ПК можно потенциально управлять всеми действиями прибора, но и то, что ПК загружен с учетом необходимости принятия всех решений в реальном времени, а также обеспечением графического интерфейса и функций анализа. Если используется целая измерительная система, включающая в себя несколько приборов, ПК необходимо «жонглировать» одновременно всеми решениями для всех приборов в системе, и это может стать настоящим кошмаром для программиста. На рис. 1 видно, что большая часть вычислительной мощности находится в самом ПК. При установке модульного ПК напрямую в базовый блок вычислительные мощности становятся ближе непосредственно к точке измерения, что улучшает синхронизацию, но не снимает с ПК необходимость принимать все решения в системе. Современные модули уже содержат ПЛИС для большей распределенности «серого вещества», но этот подход перекладывает бремя развития прибора на пользователя.

Эволюция самостоятельных приборов

До эры ПК самостоятельный прибор работал без компьютера и сам обладал вычислительной мощностью (рис. 2). После того как стали доступными компьютеры и микропроцессоры, прибор начал не только соединяться с ПК, но и добавлять его вычислительную мощность к своей. Наличие у приборов собственной вычислительной мощности позволило ему работать автономно и не загружать систему в процессе измерения. У последнего поколения приборов может быть как один, так и несколько процессоров. Например, у осциллографа один процессор может отвечать за систему ввода/вывода, другой — за пользовательский интерфейс, третий — за измерения в дополнение к DSP-процессорам, ответственным за усечение данных.

Это впечатляющий массив вычислительной мощности, содержащийся в современном «не виртуальном» приборе. Это значительно снижает объемы необходимого программирования, так как пользователь может воспользоваться алгоритмами, встроенными в прибор, причем они разработаны экспертами в области измерений.

Высокая производительность измерений предъявляет больше требований, чем просто высокая скорость ввода/вывода и вычислительная мощность. Для самых передовых и сложных измерений процессор должен располагаться ближе к источнику данных. Хотя современные ПК работают на высоких скоростях, это составляет большую проблему — передать мегабайты данных в неопределенную среду, а затем сформулировать ответ за достаточно малое время, чтобы успеть осуществить следующую серию измерений. Располагая интеллектуальные функции в самом приборе и обеспечивая его сложными аппаратными средствами обработки данных, можно рассчитывать на то, что самостоятельный прибор использует проверенные временем алгоритмы и мощные функции обработки с тем расчетом, чтобы ПК мог сконцентрироваться на одновременном управлении системой в целом и анализе результатов измерений, осуществленных посредством нескольких приборов.

Приборы, готовые к установке в систему

При сравнении самостоятельных приборов с модульными системами часто касаются вопроса скорости ввода/вывода, и инженеру по тестированию будет интересен тот факт, что все уже кардинально меняется.

На рис. 3 показана эволюция системы ввода/вывода, начиная с самостоятельных приборов. Первоначально ввод/вывод не был предусмотрен, а если и существовал, был очень медленным. Затем инженеры компании HP (ныне Agilent Technologies) изобрели стандарт GPIB, и это изменило всю отрасль контрольно-измерительного оборудования, позволяя нескольким приборам, работающим с разной скоростью, работать и подключаться к одной и той же шине передачи данных. Хотя GPIB и остается выбором большинства, в компьютерной отрасли популярным стандартом он не считается. Отрасль ПК уже затратила значительные средства на разработку новых стандартов передачи данных, которые также вполне отвечают потребностям отрасли контрольно-измерительного оборудования по малому времени задержки и высокой скорости передачи данных.

Это дает возможность отрасли контрольно-измерительного оборудования принять по-настоящему стандартную для ПК систему ввода/вывода с ее неотъемлемыми преимуществами в виде быстрой передачи данных, маленьких легких кабелей и очень низкой цены. Контроллер LAN встроен в большинство современных ПК, а кабель стоит около пяти долларов. Сравните это с $500 за карту GPIB и кабелем за $100 или платой MXI pf за $1500. В дополнение скажем, что использование стандартной системы ввода/вывода означает, что самостоятельный прибор становится объектом платформы .NEТ, открывая множество перспектив в плане архитектуры.

При объединении нескольких локальных процессоров внутри прибора со стандартной системой ввода/вывода ПК мощность системы в целом значительно возрастает. А это и есть то, к чему мы стремимся при разработке новых приборов. Прибор, готовый к установке в систему, обладает не только преимуществами быстрого и недорогого ввода/вывода и локальной вычислительной мощностью, но и сохраняет все свои преимущества, связанные с самостоятельностью. Это значит, что сохраняется возможность отладки системы с помощью дисплея самого прибора или настройки измерительной системы вручную, а также отслеживать изменения испытуемого устройства и создавать отдельные процедуры, пока не закончена разработка ПО для системы в целом.

Дальнейшая эволюция самостоятельных приборов

Как уже было описано ранее, самостоятельные приборы претерпели изменения, которые не все заметили. Есть, конечно, очевидные вещи — больше мощности, локальное хранение данных и более быстрые процессоры. Но был предпринят также хорошо рассчитанный ход, который позволит воспользоваться тем развитием, которое происходит в компьютерной отрасли в виде нового и улучшенного ввода/вывода.

Раньше LAN рассматривался как хороший интерфейс для передачи блоков информации, но при этом слишком медленный для единичных транзакций, происходящих при осуществлении измерений. По мере того как LAN развивался от 1 Мб до 10baseT, 100baseT и сейчас Gigabit LAN, проблемы задержки передачи данных отступали в той же пропорции. Сейчас задержка в LAN уже сравнилась с GPIB, а скорость передачи блоков по LAN значительно выше, чем по 8-битной параллельной шине.

Проанализировав представление продуктов на базе LAN всеми ведущими мировыми производителями на рынке контрольно-измерительного оборудования и формирование Консорциума LXI, легко увидеть тенденцию, которая раньше была заметна не всем. Именно LAN станет интерфейсом для следующего поколения приборов. Обратите внимание — именно интерфейсом, а не просто системой ввода/вывода. Скорость и гибкость LAN могут освободить разработчиков от необходимости вписывать все приборы в одну стойку.

Разработчики измерительного оборудования давно стремились к прорыву, и вот онодна и та же архитектура, которая может использоваться и при разработке, и при оценке проектов, как в производстве, так и в военной отрасли. Далее рассматривается, как эта архитектура отвечает уникальным требованиям каждой группы пользователей.

Разработка и проектирование

Инженеру-разработчику требуется прибор с высокой точностью, самой широкой полосой пропускания и самой высокой частотой дискретизации для того, чтобы видеть все нюансы своей разработки и идти в ногу с современными технологиями. Это прерогатива стоечных и настольных приборов. С использованием таких приборов у разработчика есть роскошь получения мгновенной обратной связи на экране самого прибора без необходимости подключения к ПК.

Оценка разработок

Как только разработка готова, возникает необходимость тестирования рамок ее функционирования, причем часто разными приборами. Это означает подключение нескольких приборов к ПК и автоматизацию измерений. В этой области необходима такая же высокая точность и широкая полоса плюс требование высокой скорости.

Производство

Когда приходит время производства продукта, на первый план выходят скорость, цена и размер прибора. Логичным решением для производства видится какой-то модульный подход, учитывающий требования к небольшому размеру и быстрой передаче данных. Эта область являлась вотчиной VXI и, в более позднее время, PXI.

Тестирование в сервисном центре

Распространение измерительной системы в какой-то удаленной области для поддержки множества платформ требует, прежде всего, минимальной аппаратной части. Необходима исключительная точность с широкими измерительными функциями. Переносимость ПО также становится важной задачей.

Решение

Каким образом одна архитектура может удовлетворить всем этим требованиям? С помощью компьютерной отрасли решение было найдено.

Приборы на базе LAN для разработок и их оценки

Нам уже известно, как привести стоечные и настольные приборы в соответствие с требованиями разработчиков. Используя те же самые приборы и развивая архитектуру микропроцессоров в направлении оптимизации ввода/вывода, особенно по LAN и USB, можно очень серьезно нарастить производительность традиционных устройств. Вследствие роста скоростей передачи данных по LAN задержки значительно снизились. Требование компьютерной отрасли к минимальности задержки при построении RAID-массивов совпало с потребностью отрасли контрольно-измерительного оборудования в четкой синхронизации. Результатом стали так называемые «приборы, готовые к установке в систему» (рис. 4б). Такой прибор теперь не только обладает всем необходимым для осуществления точных измерений, но и оптимизирован для использования в системе. Чтобы в дальнейшем отвечать требованиям как разработчиков, так и специалистов по оценке разработок, размер приборов был уменьшен. Например, источник питания мощностью в 1500 Вт теперь доступен в корпусе высотой 1U. Еще одним примером может служить новый генератор сигналов произвольной формы со скоростью загрузки информации в 100 раз более быстрой, чем у его предшественника. Один из новых измерителей мощности воплощает философию «готовности к установке в систему» путем интеграции в прибор самокалибрующегося датчика мощности, который нуждается во внешней калибровке не раз в день, как раньше, а раз в год. А осциллограф серии Agilent 6000L полностью функционально повторяет прибор серии DSO/MSO 6000, но имеет размер 1U и не обладает передней панелью с кнопками и дисплеем.

Уже одного этого было бы достаточно для использования такого прибора как в производстве, так и в разработке и оценке проектов, но есть новый шаг, предлагающий лучшее решение. Он называется LXI.

Использование LXI на производстве

Представьте, что вы можете воспользоваться всеми преимуществами готового к установке в систему стоечного или настольного прибора, но без приборной панели, в компактном форм-факторе и при этом без ограничений, связанных с базовым блоком. Использование базового блока требует использования не идеального формфактора платы для ПК, с не всегда реально нужными источниками питания и часто негативным взаимодействием плат в соседних слотах. Вы платите за высокопроизводительный интерфейс связи, независимо от того, нужен он вам или нет, при этом его работа сопровождается рассеиванием мощности. Еще вы вынуждены покупать целый базовый блок, независимо от того, требуется ли вашему приложению всего один слот или десять.

Представьте прибор без передней панели, работающий на том же ПО, что и самостоятельный прибор, установленный в стойку и имеющий маленький форм-фактор, использующий стандартный ввод/вывод для ПК и сочетающий вычислительную мощность самого прибора с возможностями анализа и управления, заложенными в ПК.

Реализацией варианта «а что если…» явилась концепция, разработанная компаниями Agilent Technologies и VXI Technology. С использованием LXI интерфейсом передачи данных становится LAN.

Минусы незначительны, так как каждый прибор может функционировать и сам по себе. Так как стандарт LXI позволяет использовать различные форм-факторы, разработчик системы может использовать одну и ту же топологию как для LXI, так и для настольной/стоечной версий приборов. Так как объемы продаж таких приборов гораздо выше, чем у их модульных аналогов, и объем продаж приборов, поддерживающих LXI, просто добавляется к объему продаж настольных/стоечных приборов, их цена примерно одинакова. И это контрастирует с более ограничивающими модульными системами, обладающими совсем другой физической топологией, нежели отдельный прибор. Это одна из причин высокой цены приборов PXI и VXI.

Использование той же топологии и того же набора команд означает, что существует возможность использования одного и того же измерительного ПО на протяжении всего цикла производства. Конечно, на практике необходимо будет для производства настраивать ПО с целью достижения большей скорости и меньшего количества измерений, но как минимум ядро программной части будет неизменным. А это означает, что будет гораздо меньше работы, когда начнутся проблемы с переписыванием ПО, предназначенного для разработки, для нужд производства.

Как компания, основавшая LXI, Agilent считает, что это самая эффективная платформа для развития измерений и использования одного и того же аппаратного и программного обеспечения в разных областях. Она позволяет использовать более распространенные методы разработки и методологию измерений, характерную для настольных/стоечных приборов и, вместе с тем, пользоваться преимуществами меньшего форм-фактора, освобождая разработчика от необходимости вписываться в базовые блоки и стойки.

Информация об LXI и его развитии представлена на сайте www.lxitest.org.

Что же дальше? Синтетические приборы

Это подводит нас к следующей фазе будущего измерительной техники—синтетическим приборам. Первый шаг — это создание прибора на базе LAN или LXI-прибора, а следующий шаг — разделение этого прибора на логические блоки для создания одного или нескольких приборов.

Например, нужно синтезировать анализатор спектра. Среди прочих вещей потребуются: понижающий преобразователь, блоки фильтрации и защиты, тактовый генератор, интеллектуальная часть и интерфейс пользователя. Если сложить все это вместе, результат будет предсказуем. Но предположим, что необходимо создать анализатор сигналов произвольной формы для анализа сигналов радаров. Нужно будет добавить только специальный модуль синхронизации к некоторым из вышеописанных блоков, и получится система для решения текущей задачи по измерениям.

Это и есть основная идея синтетических приборов — модули на базе LAN в формфакторе LXI без передней панели с функциональностью деталей конструктора. Для получения законченного прибора необходимо только собрать в систему несколько модулей синтетических приборов. Переконфигурировав систему с помощью коммутатора, вы получите уже другой набор измерительных возможностей, причем размер системы будет очень небольшим.

Заключение

Отдельные стоечные и настольные приборы (рис. 5а) незаметно и постоянно эволюционировали и стали более подходящими для установки в систему, быстрыми и интеллектуальными.

Аналогичные приборы, готовые к установке в систему (рис. 5б), — это аппаратные средства с пользовательским интерфейсом и собственной вычислительной мощностью, разработанные в меньшем форм-факторе для использования в системах, оптимизированные для максимально быстрых измерений и готовые к связи с ПК с помощью стандартного высокоскоростного протокола ввода/вывода ПК. Из-за больших объемов производства приборы, готовые к установке в систему, стоят гораздо меньше, чем приборы модульных стандартов. Приборы, готовые к установке в систему, осуществили значительный скачок по вычислительной мощности, скорости ввода/вывода и объеме собственной памяти.

Следующий шаг, перемещающий содержимое прибора, готового к установке в систему, в меньший корпус без передней панели, выразился в разработке форм-фактора, названного LXI (рис. 5в).

И, наконец, разложение LXI-прибора на основные блоки в качестве синтетического прибора (рис. 5г) обеспечивает инженера по тестированию бесконечным числом комбинаций частей конструктора, из которых можно синтезировать другие приборы или тестировать любое количество разных устройств.

Если добавить к этой эволюции аппаратной части развитие драйверов, стандартных для отрасли, и контрольно-измерительных модулей для Microsoft’s Visual Studio, мы получаем многоязычную программную среду, которая работает там, где это нужно.

Компактные, быстрые, архитектурно гибкие приборы на базе LAN, готовые к установке в систему, приборы LXI и синтетические приборы являются главной вехой эволюции контрольно-измерительного оборудования, и они будут иметь такой же революционный эффект, как изобретение GPIB в 1972 году.