1. 模块化仪器——灵敏的自界说软件和可扩展硬件
设备的日趋杂乱和技能的渐进交融迫使测验体系变得愈加灵敏。尽管本钱的压力要求体系具有更长的生命周期，测验体系仍须习惯设备随时刻改变而带来的各种改变。而完结这些方针的仅有途径就是选用一种软件界说的模块化架构。本文将经过运用虚拟仪器来解说软件界说的概念，为硬件渠道和软件完结供给多种挑选，并评论模块化体系是怎么满意抱负ATE的需求。
现在就实质而言，有两种类型的仪器运用，虚拟仪器和传统仪器。图1描绘了这两种类型仪器的架构。
Figure 1. Comparing traditional and virtual instrumentation architectures, both share similar hardware components; the primary difference between the architectures is where the software resides and whether it is user-accessible.
两种类型仪器的相似之处。两者都具有丈量硬件、一个机箱、一个电源、一根总线、一个处理器、一个操作体系和一个用户界面。由于这两类仪器运用相同的根本组件，所以从纯硬件的视点来看，两者间最显着的差异在于怎么将这些组件进行封装。一个传统的（或独立的）仪器会将一切的组件放在同一个盒子（这个盒子适用于任何一个独立仪器）中。经过GPIB、USB或LAN/局域网操控的手动仪器就是这类独立仪器的一个典范。这些仪器是作为独立实体规划的，其主要规划意图并不是体系运用。尽管传统仪器数量很多，但就仪器自身而言，其软件处理和用户界面都是固定的，仅当厂商挑选更新时才能够被更新，并且怎么更新也取决于厂商的挑选（例如，经过固件晋级）。因此，用户要想进行传统仪器功用列表中未包含的丈量是不可能的，并且，关于一个传统仪器，依据新的规范进行丈量，或许依据需求的改变调整原体系，都是极具应战的。
比较之下，一个经过软件界说的虚拟仪器使得用户能够拜访来自硬件的原始数据，以便自界说丈量和用户界面。经过这种软件界说的办法，用户能够进行定制丈量，依据新的规范进行丈量，或许依据需求改变调整体系（例如添加仪器、通道或丈量）。尽管用户界说软件可用于独立的、特别运用的硬件，但其抱负的调配仍是通用的模块化硬件，它能使丈量软件的灵敏性和功用得到充分发挥。这种灵敏的自界说软件与可扩展硬件的组合，就是模块化仪器的中心地点。
2. 支撑体系扩展的模块化硬件
模块化仪器能够采纳多种形式。在一个规划杰出的模块化仪器体系中，许多组件，例如机箱和电源，都为多个仪器模块所共用，而不是为某一仪器功用重复装备这些组件。这些仪器模块也能够包含不同类型的硬件，包含示波器、函数发生器、数字化仪与RF等。在某些景象下（如图2所示），丈量硬件只是是一个装置于主机的某个外设端口或外设插槽的外设。在此景象下，主机PC供给用以完结软件丈量的处理器，以及用于电源供应和I/O的机箱。
Figure 2. Examples of measurement hardware choices for modular instrumentation include a USB peripheral module on the left, and a PCI Express plug-in module on the right.
在另一些景象下，例如PXI（PCI的仪器拓宽）——一个用于测验、丈量和操控的安定渠道，并由超越70个成员公司所支撑——丈量硬件被装置于一个工业机箱（如图3所示）。
Figure 3. This example of a modular instrumentation system uses PXI hardware and NI LabVIEW graphical development software.
在一个PXI体系中，主机能够嵌入机箱（如图3所示），或许是经过线缆接口操控丈量硬件的独立的便携机、台式机或服务器。由于一个PXI体系运用与PC内部相同的总线（PCI和PCI Express）和现有的PC组件来完结对体系的操控，因此，不管是运用PXI体系仍是PC，相同的模块化仪器概念均可同等运用。（但是，PXI确实为模块化仪器供给了一些此处未展示的其它长处，如更高的通道数、便携性和安定性（了解关于PXI的更多信息，请拜访ni.com/china/pxi）。)不管体系运用PXI、带有内插式模块的台式机或是带有外设I/O模块的台式机，这种同享机箱和操控器的办法都大大下降了本钱，一起也运用户能够对丈量与剖析软件进行操控。尽管模块化仪器存在多种装备挑选，但该类型仪器与传统仪器的差异之处在于，其软件是敞开的，因此当测验需求发生改变或传统仪器无法完结丈量时，用户能够自定制丈量。
值得注意的是，这种模块化办法并不意味着，在与将一切功用衔接到单一盒子内的传统仪器比较时，会存在仪器或通道间同步的问题。相反地，模块化仪器的规划意图在于可被集成以供体系运用。一切的模块化仪器均经过同享的时钟和触发器，供给守时和同步的才能。例如，就最高同步精度而言，基带、IF和RF仪器能够以低于100 ps仪器间偏移的精度进行同步——优于同一台仪器的多个通道间的同步偏移。
3. 模块化下降了本钱与外形尺度，进步了吞吐量，并延长了生命周期
尽管术语“模块化”有时会只是依据硬件封装而被过错运用，但模块化仪器所包含的内容远不止封装。用户希望一个模块化体系能带来三方面的收益——经过共用机箱、背板和处理器带来本钱的下降和外形尺度的减小，经过与主处理器的高速衔接带来更快的吞吐量，以及经过用户界说的软件完结更大的灵敏性与更长的生命周期。
如上所述，一个模块化仪器体系中的一切仪器共用一个电源、机箱和操控器。而独立仪器则为每一个仪器重复装备电源、机箱和（或）操控器，然后添加了本钱与尺度并下降了可靠性。事实上，不管运用何种总线结构，每个自动化测验体系都需求计算机进行操控；在模块化架构下，一切仪器共用同一个操控器，然后使得在整个体系范围内分管本钱。在模块化仪器体系中，G赫兹计算机处理器经过软件剖析数据并完结丈量。其丈量成果十倍于乃至百倍于仅由传统仪器构建的测验体系（这些体系运用内置的厂商界说的固件和专用处理器）的吞吐量。例如，一个典型的矢量信号剖析仪（VSA）每秒能够完结0.13次带内功率丈量，但是一个NI模块化VSA每秒能够完结4.18次带内功率丈量——进步近33倍。
模块化仪器需求一个高带宽、低推迟的总线将仪器模块与同享处理器相衔接，以履行用户界说的丈量。尽管USB在易用性方面供给了极好的用户体会，但PCI与PCI Express（以及以这些总线为根底拓宽所得的PXI渠道）在模块化仪器中供给了最佳功用。现在， PCI Express供给高达4 GB/s的插槽，而PXI供给带宽高达2GB/s的插槽——超越高速USB 33倍，100 Mb/s以太网的160倍，乃至是行将推出的千兆以太网的16倍（如图4所示）。外设总线（例如LAN与USB）总是经过一个内部总线（例如PCI Express）与PC处理器相连，因此理论上总会导致功用下降。咱们以一个模块化RF收集体系为例，来评论高速总线怎么影响测验与丈量。在一个台式机或PXI体系中，一个带有4个2 GB/s的PCI Express插槽，能够将两个通道100 MS/s 的16位IF（中频）数据直接输送到处理器供运算。由于LAN与USB都不能满意这些需求，所以需求供给这样功用水平的仪器总是包含一个嵌入式的、厂商界说的处理器，以完结丈量——这样的仪器就不再是模块化的了。
Figure 4. PCI and PCI Express provide the highest bandwidth and lowest latency, decreasing test time and delivering flexibility and longevity through user-defined software.
关于一个模块化仪器，与主机的高速衔接是供给灵敏性和长生命周期的要害，由于它使软件而非仪器驻留于主机。经过在主机上运转软件，用户（而不是厂商）能够界说仪器怎么运转。这样的架构使您能够：1）进行那些不行遍及致使未能包含在典型的、厂商界说的、非模块化的途径中的丈量；2）为没有发布的规范创立丈量； 3）界说用于进行特别丈量的算法。软件的用户界说实质也意味着，当待测设备发生改变时，您能够对丈量乃至仪器进行添加或调整。您也能够运用软件的直接拜访，经过网络来监听或操控这些模块化仪器。
值得注意的是，这些硬件的完结并没有献身丈量功用。现在，经过模块化仪器办法的规划的仪器，包含业界最高分辨率的数字化仪、最高带宽的恣意波形发生器和最准确的7位半数字万用表。
4. 灵敏的自界说丈量软件
模块化仪器中软件的作用是不容忽视的。软件将来自硬件的原始比特流通换为一个有用的丈量值。一个规划杰出的模块化仪器体系能统筹软件的多层结构，包含I/O驱动程序、运用开发程序和测验办理程序。
Figure 5. Software layers are often used in a modular instrumentation system.
坐落最底层的丈量与操控服务，是最常被疏忽的，但却是一个模块化仪器体系最要害的要素之一。该层代表I/O驱动软件和硬件装备东西。这个驱动软件十分要害，由于它为测验开发软件和用于丈量与操控的硬件之间供给衔接。
仪器驱动程序供给一个高层、直接可读的、与仪器交互的函数的调集。每个仪器驱动程序都是为特定的仪器模块量身定做，以供给一个调用其共同功用的接口。关于一个仪器驱动程序，特别重要的是其与开发环境的集成，以便仪器指令成为运用开发的无缝集成的一部分。体系开发人员需求依据所选的开发环境（如NI LabVIEW、C、C++或Microsoft .NET）对仪器驱动进行优化。
相同包含在丈量与操控服务中的是装备东西。这些装备东西包含用于装备和测验I/O的资源，存储扩展、校准和通道混叠信息。这些东西关于一个仪器体系的快速构建、毛病扫除和保护十分重要。
坐落运用开发环境层的软件能供给用于开发运用所需的代码或程序的东西。尽管图形化编程不是每一个模块化仪器体系所必需的，但出于易用性和快速开发的考虑，这些体系常常运用图形化东西。图形化编程运用“图标”或符号函数，以绘图办法表明所要履行的操作，如图7所示。这些符号经过传递数据并确认履行次序的“线”相连。LabVIEW供给了业界最常用的、也是最完好的图形化开发环境。
一些运用还需求一个名为软件办理的附加层，用于测验履行或测验数据的可视化。关于高度自动化的测验体系，测验办理软件为次序履行、分支/循环、陈述生成和数据库集成供给了一个结构。测验办理东西还有必要供给与创立专用代码的开发环境的严密集成。例如，NI TestStand供给了用于次序履行、分支、陈述生成和数据库集成的结构，并包含与一切常用开发环境的衔接。关于其它需求可视化调查很多测验数据的运用，其他的东西或许有用。这些需求包含快速拜访很多的离散数据、继续陈述和数据可视化。这些软件东西，针对数据收集进程中所收集到的数据和（或）仿真进程中所生成的数据，为办理、剖析和陈述这些数据供给辅佐。
关于一个模块化仪器体系，该软件架构中的每一层都应当予以注重。
5. 模块化仪器——满意自动化测验的需求
跟着设备变得愈为杂乱并包含更多悬殊的技能，测验体系有必要变得更为灵敏。测验体系有必要习惯随时改变的设备，然后与此一起，本钱的压力要求体系具有更长的生命周期。完结这些方针的仅有途径就是选用一种软件界说的模块化架构。经过同享组件、高速总线和敞开的用户界说软件，模块化仪器就是满意当今和未来自动化测验需求的最合适的挑选。
