Перспективы развития программных измерительных приборов

Современные инженеры, занимающиеся разработкой и производством ВЧ- и СВЧ-устройств, сталкиваются с новыми метрологическими проблемами, порождаемыми усложняющимися схемами модуляции и постоянно растущим числом коммуникационных стандартов, расширением полосы каналов и новыми частотными диапазонами и приложениями. При этом ситуация осложняется тем, что им приходится создавать встраиваемые радиомодули или другие подсистемы, работающие с аналоговыми (ВЧ- и ПЧ-схемы) и цифровыми (схемы обработки модулирующего сигнала) сигналами.

Конечной целью деятельности любого инженера является максимально быстрое воплощение своего замысла в виде коммерческого продукта. Для достижения этой цели необходимо, чтобы контрольно-измерительные приборы обеспечивали достаточную гибкость для ускорения диагностики новых и сложных устройств, а также поддержку непрерывно развивающихся коммуникационных стандартов, сохраняя при этом высокий уровень целостности измерений (точности и отслеживаемости). Пользуясь такими приборами, инженеры могут быть уверены, что их измерения достоверны и создают надёжную основу для принятия правильных решений в научных исследованиях и на производстве.

ГИБКОСТЬ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЦЕЛОСТНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ
Архитектура контрольно-измерительных ВЧ- и СВЧ-приборов, как правило, объединяет дискретные схемы для генерации и анализа ВЧ-сигналов со специализированными интегральными схемами и конфигурируемой логикой — программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Последние выполняют функции цифрового сигнального процессора (ЦСП), осуществляющего обработку сигнала. Аппаратную платформу дополняет встроенное микропрограммное обеспечение и специализированное прикладное ПО. Совокупность этих программно-аппаратных компонентов определяет точность и функциональность прибора. Каждый элемент структурной схемы прибора вносит свой вклад в общую точность, скорость, гибкость и, в конечном итоге, определяет уровень анализа. Поэтому разработчики приборов и систем тратят очень много времени и используют накопленный десятилетиями опыт создания измерительных приборов, чтобы обеспечить точное взаимодействие этих элементов. В результате им удаётся оптимизировать гибкость и производительность конкретного прибора для широкого диапазона условий, сохранив целостность измерений.

Комбинация дискретных схем, конфигурируемой логики (ПЛИС), ЦСП и микропрограммного обеспечения создаёт новый уровень качества измерений. Например, благодаря точным моделям аналогового, ВЧ- и ПЧ-трактов прибора встроенная система цифровой обработки сигналов выполняет динамическую коррекцию и компенсацию искажений, повышая точность измерений и равномерность АЧХ сигналов с цифровой модуляцией или сигналов РЛС. Благодаря этому производители контрольно-измерительного оборудования могут совмещать особенности аппаратных и программных компонентов для повышения производительности, где уже учтены в скрытой форме сложные взаимодействия внутри прибора, что позволяет разработчикам и метрологам целиком сосредоточиться на решении стоящих перед ними задач. Некоторые современные ВЧ-приборы содержат внутренние обновляемые по месту эксплуатации компьютерные модули, которые обеспечивают подключение к интегрированным средам разработки и обладают достаточной гибкостью для поддержки развивающихся стандартов, новых ЦП и дополнительной памяти, что жизненно важно для реализации новых ресурсоёмких приложений.

НОВЫЙ УРОВЕНЬ ГИБКОСТИ И СЕТЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
В некоторых случаях разработчикам и метрологам необходим доступ к внутренним настраиваемым схемам прибора и встроенному микропрограммному обеспечению, которые позволяют соответствующим образом настроить прибор. Инженерам нравится идея универсальности, и они хотят использовать её с выгодой, но, как правило, им не хочется разбираться в сложностях внутреннего устройства прибора и тратить время на создание новых алгоритмов измерений «с нуля». Кроме того, для тестирования инженеры могут задействовать собственные функции, являющиеся интеллектуальной собственностью.

Для удовлетворения растущей потребности в гибкости производители приборов используют две стратегии. Первая максимально повышает гибкость прибора, предоставляя доступ к его внутренним ресурсам и открывая метрологам все аспекты внутренней конструкции. Однако без тщательных проверок и сравнения с эталонами такой вид «модернизации» прибора может негативно сказаться на общей целостности измерений. Этот подход ухудшает отслеживаемость до эталонов, ему недостаёт гарантированных спецификаций и четко определённых метрологических процедур. В результате метрологи вынуждены тратить больше времени на переработку прибора и методик тестирования, а затем тщательно проверять их до выполнения реальных измерений.

Перспективы развития программных измерительных приборов

К тому же, по мере того как тестовые приложения становятся всё более привязанными к оборудованию, любой вновь разработанный измерительный алгоритм становится сложнее использовать повторно на других испытательных платформах с другими типами ПЛИС или электронными компонентами. Эта проблема аналогична той, которая возникает в процессе программирования. Например, программирование на языках высокого уровня, например C и C++, позволяет повторно использовать код на нескольких платформах. Но, с другой стороны, программирование на языке ассемблера обеспечивает большую гибкость и повышает скорость исполнения, хотя обычно отличается большей сложностью, и результирующая программа становится в значительной степени зависимой от оборудования и системной архитектуры.

Вторая стратегия, которой могут воспользоваться производители контрольно-измерительного оборудования, сочетает гибкость с явной направленностью на ускорение диагностики и сохранение целостности измерений. В отличие от первой стратегии, такой подход скрывает сложность внутренней конструкции прибора от конечных пользователей, позволяя им сосредоточиться на собственных задачах проектирования и на общем технологическом процессе.

Лучше всего этот подход реализуется за счёт применения интегрированных унифицированных блоков проектирования и измерения. К примеру, стратегия компании Agilent Technologies заключается в предоставлении пользователям интегрированной среды для проектирования и измерений, которая включает аппаратные (например, настольные и модульные приборы) и программные унифицированные блоки. К последним из них относится внешнее программное обеспечение, например 89600 VSA для анализа сигналов или Signal Studio для создания сигналов, а также встроенное микропрограммное обеспечение, например расширенные измерительные приложения серии X. Эти аппаратные и программные элементы органично взаимодействуют со средствами автоматизированного проектирования электронных устройств (ADS) компании Agilent, например GoldenGate и SystemVue, а также работают с ПО сторонних производителей — Visual Studio и MATLAB, позволяя создавать новые, специализированные измерительные решения.

На рисунке 2 показано, как сближение методов проектирования с измерениями позволяет ускорить реализацию идей в форме проверенных и готовых к производству изделий. Чтобы лучше понять эту концепцию, рассмотрим аналогичную ситуацию, сложившуюся в сфере вычислительной техники. Когда эта отрасль только зарождалась, открытые архитектуры и операционные системы позволяли создавать специализированные ПК, выбирая требуемые процессоры, жёсткие диски, видеокарты, операционные системы и специализированное прикладное ПО. Однако возможность настройки обеспечивалась за счёт усложнения и вынуждала пользователей тестировать специализированные ПК после окончательной сборки.

В отличие от этого подхода, стратегия, направленная на интеграцию и на ключевые контрольно-измерительные приложения, упрощает применение накопленного опыта. В сфере ПК использование готовых компьютеров, мобильных и развлекательных устройств и облачных хранилищ позволяет легко настраивать приложения в соответствии с собственными потребностями, а затем передавать данные между устройствами без заметных проблем. В сфере разработки ВЧ- и СВЧ-устройств интегрированные «готовые» измерительные среды дают схожие преимущества. Унифицированные блоки для разработки и измерений слаженно взаимодействуют другом с другом, позволяя инженеру целиком сосредоточиться на проектировании и тестировании, а не на построении и проверке программного и аппаратного обеспечения измерительных приборов.

ЭВОЛЮЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Потребности рынка и развивающиеся технологии будут подталкивать инженеров и конструкторов к измерениям с помощью гибких и масштабируемых средств проектирования и измерения, охватывающих ВЧ-, аналоговые и цифровые устройства независимо от размера приборов. Одной из основных движущих сил этой тенденции является растущая интеграция ВЧ-, СВЧ-, аналоговых и высокоскоростных цифровых технологий в современных устройствах. В качестве примера такого взаимодействия между областями можно привести измерение качества модуляции, которое часто приходится выполнять для оцифрованных IQ-данных, захваченных с помощью логического анализатора или анализатора протокола.

Перспективы развития программных измерительных приборов

Решения, состоящие из интегрированных измерительных или конструкторских унифицированных блоков, позволяют устранить эти проблемы, объединяя виртуальные и реальные процедуры для интеграции процесса разработки изделий от моделирования до создания прототипа и испытаний. Сначала будет доступна лишь небольшая часть общей структурной схемы. На ранних этапах разработки потребуется моделировать всё больше элементов системы, чтобы обеспечить заданные характеристики. Инженеры могут даже использовать собственные алгоритмы, но без законченного радиомодуля (например, с ВЧ-преобразователем) они не смогут их проверить, не имея интегрированного метода для моделирования отсутствующих компонентов. По мере того, как всё большая часть компонентов будет реализована в виде прототипов, можно будет выполнять всё больше физических измерений и сравнивать их с результатами моделирования и наоборот.

ВЫВОДЫ
Большая часть разработчиков рассчитывает на ту целостность измерений, которая присуща современным измерительным приборам, но при поддержке новых стандартов связи, более широкой полосы модуляции и, возможно, даже более высоких частот. Подход, объединяющий конструктивные и измерительные унифицированные блоки, обеспечивает идеальный способ решения этой проблемы. Однако его реализация требует, чтобы производители контрольно-измерительного оборудования продолжали разработку ориентированных на инженеров измерительных решений, сочетающих описанные выше унифицированные блоки: приборы (различных исполнений), их микропрограммное обеспечение и прикладное ПО, а также средства САПР. Такое объединение унифицированных блоков даёт два преимущества: повышает эффективность и, в конечном итоге, ускоряет продвижение на рынок современных ВЧ- и СВЧ-изделий.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS