Выбор правильного форм-фактора контрольно-измерительных приборов

Определение «система тестирования» охватывает миллионы разнообразных комбинаций контрольно-измерительных приборов, программного обеспечения и тестируемых устройств, возможных при реализации конкретных программ тестирования. Каждая система тестирования создается исходя из используемой технологии, назначения определенного изделия, а также этапа жизненного цикла тестируемого устройства и может быть предназначена для исследований, обоснования, проверки продукта или применяться в процессе его серийного производства. Некоторые тестовые системы разрабатываются для контроля изделий широкого потребления, таких как смартфоны и планшеты, что и определяет предъявляемые к ним требования — высокую пропускную способность, низкую стоимость, простоту конфигурирования и модернизации. Другие системы, созданные, например, для тестирования бортовой аппаратуры спутников, могут стоить несколько миллионов долларов и отличаться высокой сложностью, поскольку должны обеспечивать высокое качество измерений, чтобы гарантировать функционирование спутника, точность и воспроизводимость работы полезной нагрузки на орбите. Учитывая приведенные примеры, а также бесконечное количество возможных промежуточных вариантов тестовых систем, можно с уверенностью утверждать, что какой-либо один тип контрольно-измерительной системы не способен удовлетворить все потребности, связанные с тестированием.

Системы для тестирования: настольные, модульные или гибридные?

Системы тестирования могут состоять исключительно из настольных или модульных контрольно-измерительных приборов (КИП) или же представлять собой комбинацию обеих платформ (гибридная система). Каждый из вариантов имеет свои преимущества, которые проявляются при определенной модели применения (рис. 1). В течение цикла от начала разработки потребительского устройства или специализированного изделия до его окончательных испытаний и передачи в производство требования, предъявляемые к данному процессу, могут меняться. Возможность регулировки настольных измерительных приборов при помощи органов управления, находящихся на передней панели, является значительным преимуществом для разнообразных систем тестирования, используемых в процессе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Когда же разработка приближается к завершающей стадии, измерения становятся типовыми, и основное требование касается воспроизводимости результатов. Также при проведении испытаний больших партий устройств часто наблюдается переход от настольной конфигурации тестовой системы к модульным решениям — с целью повышения пропускной способности, увеличения количества подключений для каналов или устройств и уменьшения габаритов всей системы.

Рис. 1. Возможности настольных и модульных приборов

Системы тестирования на базе настольных КИП

Инженеры, выполняющие НИОКР при создании изделий, используют преимущества настольных КИП, которые представляют собой удобный и готовый к действию инструмент (рис. 2). На передней панели настольного прибора расположен привычный дисплей, а также кнопки и ручки управления, необходимые для тестирования и позволяющие изменять функциональность устройства и его рабочие характеристики. Возможности коррекции измерений или тестов жестко определены и последовательно вносятся с целью совершенствования или повышения эффективности будущего устройства. Обязательным условием успешной разработки любого изделия является уверенность в точности измерений, выполняемых при помощи настольных КИП. Прикладное программное обеспечение для настольных измерительных приборов создает дополнительные преимущества: реализацию в алгоритмах измерений накопленного практического опыта, простоту конфигурирования, возможность добавления или редактирования измерений, входящих в последовательность тестирования конкретного устройства. Прикладное ПО, установленное в настольных КИП, позволяет экономить время и обеспечивает точность, воспроизводимость и надежность результатов, полученных при выполнении тестовых последовательностей.

Рис. 2. Системы тестирования на базе настольных измерительных приборов

Системы тестирования на базе модульных КИП

При проведении тестирования большого количества устройств проявляются преимущества, свойственные модульным КИП (рис. 3). Они могут быть запрограммированы на автоматическое выполнение последовательности измерений, когда коррекция испытательных сигналов и мониторинг результатов осуществляются программным способом. При этом предлагается одновременное тестирование нескольких устройств, для чего нужны системы с наибольшим количеством входных сигналов и измерительных каналов. Результаты измерений от нескольких каналов или устройств могут быстро передаваться и синхронизироваться при помощи одной объединительной платы с высоким быстродействием, благодаря чему сокращается длительность тестирования в процессе производства и уменьшаются затраты. При помощи соответствующих синхросигналов и методов легко обеспечивается когерентность фаз, необходимая в сложных установках, используемых, например, при тестировании диаграммы направленности антенны. Системы, состоящие из нескольких модульных КИП, обычно характеризуются намного более низкой потребляемой мощностью и занимают меньший объем по сравнению с системами аналогичной конфигурации, выполненной на базе настольных приборов. Многоканальные модульные системы тестирования не имеют дублирующих дисплеев и источников питания, что облегчает их размещение на производственных участках.

Рис. 3. Системы тестирования на базе модульных измерительных приборов

Гибридные системы тестирования

Многие инженеры-испытатели вынуждены корректировать параметры аппаратного и программного обеспечения, когда систему тестирования необходимо использовать уже не при проектировании, а в процессе производства изделия. Правильный выбор настольных и модульных КИП, аналогичных по своим измерительным возможностям и структуре команд, позволит сэкономить огромное количество времени и средств, а также исключить переписывание ПО и разработку полностью новой системы тестирования. Независимо от того, какие КИП и ПО были выбраны для данной системы, цель инженеров‑испытателей — применение оборудования и ПО, способных предоставить надежные и достоверные результаты. Использование в системах тестирования прикладного ПО, обеспечивающего выполнение измерений как в настольных, так и в модульных приборах, оптимально с точки зрения достижения сходства систем тестирования, задействованных при разработке и выпуске продукта. Единая аппаратная платформа редко становится правильным решением для разных сценариев тестирования. По этой причине Keysight Technologies предлагает своим заказчикам как традиционные настольные КИП, так и широкий выбор модульных приборов и сопутствующего ПО. Компания предоставляет постоянно расширяющийся ассортимент модульных измерительных приборов в форматах PXI и AXIе, где предусмотрены те же методы измерений, которые были реализованы при создании настольных КИП (рис. 4). Возможности модульных измерительных приборов обеспечивают выполнение всех измерений, необходимых для тестирования современных изделий, создаваемых с помощью аналоговых, цифровых, ВЧ- и СВЧ-технологий.

Рис. 4. Гибридные системы тестирования

Почему модульные приборы?

В силу нескольких причин модульные измерительные приборы в форматах PXI и AXIe получают все более широкое распространение в системах тестирования. Платформы PXI и AXIe удовлетворяют потребность инженеров‑испытателей в повышении скорости измерений и передачи данных, а также в синхронизации приборных модулей. По сравнению с настольными КИП платформа PXI обеспечивает расширение функциональности, увеличение количества входных сигналов и измерительных выходов, помогает реализовать большее число каналов при меньшем занимаемом объеме. Объединительная плата шасси формата PXIe создана на основе архитектуры компьютерного стандарта PCI Express (PCIe) и имеет все преимущества столь популярной технологии, чтобы повысить пропускную способность и скорость передачи данных. Шина PCIe предназначена для выполнения соединения, причем каждое из них может содержать одну и более двунаправленных линий связи (×1, ×2, ×4, ×16 или ×32). Примером общепринятого обозначения для восьмилинейного соединения является «×8». Шина PCIe представляет собой канал «точка-точка», соединяющий два одиночных компонента и обеспечивающий повышенную скорость передачи данных по сравнению со структурой, в которой предусмотрены многоточечные подключения к общей шине.

Скорость передачи в одиночной линии шины стандарта PCIe 1.0 составляет 2,5 Гбит/с (таблица). После кодирования теоретическая скорость передачи данных может достигать 250 Мбит/с. Шина стандарта PCIe 2.0, которую также называют PCIe Gen2, удваивает скорость передачи, то есть для каждой линии этот показатель может достигать 500 Мбит/с. Шина третьего поколения (Gen3) действует еще быстрее за счет более эффективного кодирования данных, и предполагаемая скорость передачи достигает 1 Гбит/с. Все указанные выше характеристики относятся к соединению с одной линией. Для соединения ×8 PCI Express Gen2 скорость передачи данных теоретически может достигать 4 Гбит/с. Еще один стандарт, используемый в модульных измерительных приборах, — расширение AdvancedTCA для измерительного и тестового оборудования (AXIe). Локальная шина AXIe поддерживает до 62 дифференциальных сигнальных линий, обеспечивая очень большую скорость передачи, что важно при решении задач, связанных с интенсивным обменом данными. Примером может служить потоковая передача данных от дигитайзера к ПЛИС или модулю памяти. Столь высокие характеристики быстродействия необходимы для достижения скоростей тестирования, требуемых для новых и перспективных контрольно-измерительных систем.

Поскольку увеличивается количество необходимых каналов, усложняется процесс разработки и выполнения тестов, что приводит к повышенным требованиям к корреляции между каналами измерительной системы и к дополнительному оборудованию, поддерживающему взаимодействие с несколькими каналами. Модульные КИП в форматах PXI и AXIe оптимальны для тестовых установок с большим количеством каналов вследствие их архитектуры, малого размера, масштабирования и синхронизации модулей (рис. 5). В частности, синхронизация предоставляет расширенные измерительные возможности для перспективных многоканальных установок. Компактные размеры и масштабируемая конфигурация приборов в формате PXI позволяет инженерам-испытателям создавать системы тестирования, не только полностью соответствующие текущим нуждам, но и предусматривающие добавление модулей для увеличения количества каналов или КИП по мере того, как в дальнейшем будут изменяться требования, предъявляемые к данной системе тестирования.

Рис. 5. Отрасли, в которых предпочтительно использование модульных систем

Синхронизация нескольких КИП — сложная задача. Многоканальные установки требуют очень точной синхронизации по времени между приборами, которой легче всего достичь при помощи общей объединительной платы. Модульная архитектура форматов PXI и AXIe поддерживает взаимодействие между приборами, включая передачу данных и синхросигналов через объединительную плату стандарта PCIe. Сигналы синхронизации PXIe являются дифференциальными и поступают на высокоскоростную объединительную плату через разъемы с усовершенствованной дифференциальной структурой (ADF). Более точное согласование модулей по времени достигается за счет соединителей ADF, обеспечивающих высокое быстродействие и использование дифференциальных сигналов. Согласно спецификации, платформа PXIe характеризуется максимальной задержкой между слотами в 200 пс при подключении дифференциальных пусковых сигналов по схеме «звезда» и опорному сигналу 100 МГц. Пусковые сигналы и тактовые импульсы, передаваемые через объединительную плату формата PXIe, поддерживают временную и фазовую синхронизацию нескольких КИП, имеющихся в сложных многоканальных установках.

Примером системы тестирования в формате PXIe с большим количеством каналов служит система для тестирования нескольких антенн, где комплект ВЧ-оборудования включает несколько векторных генераторов сигналов, несколько векторных анализаторов сигналов или устройства обоих типов (рис. 6). Применение модульных КИП при решении этой практической задачи позволяет добиться следующих преимуществ:

• быстрая загрузка сигналов через объединительную плату в формате PXIe, благодаря чему ускоряется процесс многоканального тестирования;
• компактный размер и возможность масштабирования, что позволит осуществить модификацию системы при потребности в дополнительных каналах или изменении требований, предъявляемых к проводимым тестам;
• синхронизация векторных генераторов и анализаторов сигналов для пространственного мультиплексирования MIMO;
• комплексные преимущества, обусловленные высоким быстродействием объединительной платы формата PXIe и улучшенными характеристиками ВЧ-тракта современных модульных приборов, которые позволяют выполнять измерения с высокой точностью при значительном сокращении времени;
• возможность осуществлять синхронизированные, фазово‑когерентные измерения в ВЧ-системах, имеющих несколько передатчиков или приемников.

Рис. 6. Компактная система из четырех векторных генераторов сигналов и четырех векторных анализаторов сигналов или система из восьми векторных генераторов, использующая ПО 89600 VSA и Signal Studio

По мере того как происходит развитие архитектур форматов PXI и AXIe, внедрение новых модульных КИП и ПО увеличивает возможности тестирования, одновременно упрощая и ускоряя процесс настройки тестовой системы и повышая ее надежность. Модульные решения (рис. 7) представляют собой техническое решение, помогающее специалистам быстрее завершить подготовку системы тестирования и перейти к проведению испытаний.

Рис. 7. Модульные решения Keysight

Типовые модульные решения

Как уже говорилось, форматы PXI и AXIe отличаются непревзойденной гибкостью, поскольку позволяют интегрировать в систему самые разнообразные КИП и ПО. Столь обширный набор вариантов и комбинаций продуктов приводит к сложности выбора и проверки рабочих характеристик различных конфигураций модульных приборов и ПО. Компания Keysight предлагает своим пользователям типовые решения — наборы аппаратного и программного обеспечения для решения конкретных задач, эффективность которых проверена и подтверждена практическим применением.

Эти признанные рынком решения призваны оптимизировать использование прецизионных настольных и модульных приборов, а также необходимого ПО для реализации таких задач, как многоканальное тестирование агрегации несущих/MIMO в сетях LTE-A, тестирование усилителей мощности, фазированных антенных решеток, радиостанций, применяемых военными и службами безопасности, а также мониторинга спутниковых сигналов. Основное преимущество типовых решений — экономия времени, связанная с отсутствием затрат на выбор и интеграцию приборов и устройств. По мере добавления или создания новых систем для тестирования, высокопроизводительные типовые решения помогут инженерам строго выдерживать рабочие графики и выполнять все требования, предъявляемые к проводимым тестам.

Измерительное ПО и совершенствование процесса тестирования

Программные приложения, утилиты и сопутствующие программные средства для модульных измерительных приборов поддерживают обширные дополнительные возможности как для программистов тестовых систем, так и для их пользователей. ПО обеспечивает управление модульной системой и предоставляет средства для просмотра и анализа результатов. Программные приложения активно применяют инженеры-тестировщики, которые стремятся получить результаты как можно быстрее, не переписывая все ПО системы. Программные драйверы модульных КИП позволяют программистам тестовых систем создавать или добавлять специализированные измерения или блоки управления. Как ПО, так и драйверы КИП обладают достаточной гибкостью, что дает возможность выполнить конфигурирование и программирование системы тестирования в соответствии с потребностями, возникающими при решении конкретной практической задачи.

Драйверы КИП и измерительные приложения, предлагаемые компанией Keysight, предназначены как для настольных, так и для модульных измерительных приборов, благодаря чему удается создать преемственность ПО систем тестирования. Изначально ПО формируется в процессе исследований и разработки, а затем переносится в системы тестирования на производстве. Пример прикладного ПО для настольных и модульных приборов — измерительное ПО Keysight серии Х (рис. 8), которое содержит специализированные приложения GSM/EDGE/Evo, W‑DDMA/HSPA+, LTE FDD и т. д. Применение измерительных приложений серии Х не требует написания ни единой строчки дополнительного кода, что делает управление модульными КИП столь же простым, как и управление настольными приборами, оснащенными передней панелью. Программные приложения и драйверы для модульных систем Keysight способны минимизировать время разработки измерительной системы и гарантируют получение согласованных и достоверных результатов, сопоставимых с измерениями модульных и настольных приборов с соответствующим ПО.

Рис. 8. Измерительное ПО серии Х

Во многих случаях возникает необходимость использовать в рамках одной системы тестирования измерительное прикладное ПО нескольких типов. Примерами таких случаев могут служить ситуации, когда нужно выполнить дополнительные измерения спектра или тестирование сигнала в неподдерживаемом формате или импортировать результаты измерений из другого приложения. Это может создать проблему для инженеров, которые будут вынуждены интегрировать в систему дополнительные программные приложения. Компания Keysight гарантирует операционную совместимость своего ПО с другими программными приложениями, а также допускает его использование в различных средах программирования (рис. 9).

Рис. 9. Воспроизведение сигнала на векторном генераторе сигналов через разветвитель и анализ данного сигнала с помощью двух анализаторов сигналов различных платформ, работающих с ПО серии Х

Стандарты PXI гарантируют взаимозаменяемость измерительных приборов разных производителей

Спецификация PXI System Alliance включает стандарты PXI и общие принципы, гарантирующие взаимозаменяемость КИП формата PXIe. Стандарты PXI созданы на основе уже существующих стандартов, в том числе PCI и compact PCI. Использование существующего и широко распространенного стандарта PCI выгодно для архитектуры PXI по следующим причинам:

• Инженеры-метрологи и испытатели, работающие с технологией PXI, получают преимущество использования готовых компонентов PCI, методов обнаружения устройств и программных средств, разработанных для пользователей шины PCI.
• Использование в ПК и устройствах формата PXI одинаковых высокоскоростных шин связи упрощает их подключение, обнаружение устройств и установку драйверов.
• Четко определены многие параметры механической части, в том числе расстояние между разъемами, форм-фактор модулей, типы разъемов и разводка контактов.
• Расширения PXI включают функции поддержки высокоэффективных сигналов запуска и синхронизации стандарта PXI Express при обеспечении требований к обратной совместимости для модулей PXI более ранних выпусков.
• Эти стандарты гарантируют возможность интегрирования в одной системе тестирования модулей и шасси разных производителей.

Преимуществом систем тестирования форматов PXI и AXIe является возможность использования стандартных утилит для шины PCI. В модульных системах форматов PXI и AXIe для определения статуса шины, включая состояние подключенных модульных измерительных приборов, используется стандартное приложение — диспетчер устройств Windows. Он отображает любое устройство, подключенное к шине PCI, прежде чем будет установлен драйвер модульного КИП. После установки драйверов для всех измерительных приборов отдельные устройства PCI будут обозначены при помощи соответствующих пиктограмм, и появится базовая информация производителя устройства. Если модульный КИП подключен к шине PCI, но его драйвер не установлен или в процессе установки драйвера возникла какая-либо проблема, то такой прибор будет показан в окне диспетчера устройств пиктограммой желтого цвета (рис. 10).

Рис. 10. Менеджер устройств для подключения приборов

Преимущества использования ПО с открытой архитектурой

Диспетчер устройств является удобным средством для первоначального просмотра модулей, установленных в объединительную плату шасси формата PXI. Однако это приложение не позволяет определить расположение модулей в конкретном шасси или слоте. В тех случаях, когда в одном шасси установлено несколько одинаковых модулей, для определения положения каждого из них инженер-испытатель может воспользоваться программой Connection Expert компании Keysight. Данное программное средство позволяет присваивать модулям псевдонимы, упрощая их адресацию при программировании автоматизированных тестов. Поддерживается также операционная совместимость, благодаря чему обеспечивается распознавание модулей, выпущенных разными производителями, кроме того, возможно программирование таких модулей для работы в составе одной системы тестирования.

Программные передние панели модульных КИП представляют собой инструментальные средства, помогающие инженерам легко осуществлять подключение и конфигурирование устройств (рис. 11). Такие программные панели имеют ограниченный набор средств управления и просмотра измерений, которые предназначены для первоначального ввода приборов в эксплуатацию, проверки конфигураций или измерений. Другие программные утилиты — библиотеки ввода/вывода, драйверы IVI и Command Expert — предоставляют специалистам средства для программирования в выбранной ими среде, а также обеспечивают гибкость системы, позволяя разрабатывать для данной системы тесты, соответствующие требованиям практической задачи.

Рис. 11. Архитектура ПО для модульных систем

В настоящее время многообразие представленного на рынке контрольно-измерительного оборудования определяет два основных подхода к решению измерительных задач: создание систем на базе настольных и модульных приборов. Настоящие решения также возможно использовать совместно для формирования гибридных измерительных систем.

В силу своей масштабируемости, простоты модернизации и высокой экономической эффективности измерительные системы на базе модульных приборов вызывают все больший интерес. Полная совместимость измерительных приложений облегчает переход от настольных решений к модульным и открывает новые возможности в создании гибридных измерительных систем. ПО с открытой архитектурой позволяет инженерам создавать алгоритмы тестирования для решения любых практических задач.

Многолетний опыт в решении различных измерительных задач предоставляет возможность специалистам ГК «Диполь» совместно с фирмой Keysight Technologies выбрать максимально эффективное решение и определить, какой из описанных типов измерительных систем наиболее эффективен в каждом конкретном случае.