CC BY
74Синтетические измерительные приборы —
реальные измерения
Джон СТРЭТТОН
В статье объясняется причина смещения интереса в сторону архитектуры АИС на синтетических приборах, рассматривается отличие архитектуры синтетического прибора от архитектуры традиционного измерительного прибора и обсуждается возможность реализации высоких технических характеристик при выполнении измерений в рамках синтетического прибора.
При существующей тенденции к снижению суммарных издержек владения автоматическими испытательными системами (АИС) соответствующие отраслевым стандартам открытые архитектуры таких систем всегда рассматривались как средства одновременного решения двух задач: снижения стоимости испытания (на стадиях разработки и производства) и уменьшения размеров платформ АИС (за счет удаления избыточных аппаратных средств). Поскольку эти открытые архитектуры реализуются на основе быстро меняющихся стандартов на коммерческие компьютеры, большие краткосрочные инвестиции в аппаратные средства быстро оборачиваются усложнением проблемы поддержки — именно той проблемы, которую предполагалось решать с помощью открытой архитектуры. Кроме того, эти архитектуры оптимизированы для работы с цифровыми и низкочастотными аналоговыми сигналами, но при реализации с их помощью испытаний с высоким качеством измерений в микроволновом диапазоне возникают серьезные технические проблемы. Одно из предлагаемых технических решений заключается в расширении частотного диапазона путем использования преобразователей частоты общего назначения. Такое решение позволяет выполнять генерацию и анализ СВЧ-сигналов в системах с модульной архитектурой. Кстати, это решение в настоящее время активно продвигается рынком электроники военного назначе-
ния, где обязательной характеристикой является долговременная поддержка (например, более 20 лет).
С целью достижения эффективного многократного использования аппаратных ресурсов синтетических приборов огромной нагрузке подвергается архитектура программного обеспечения. ПО синтетических приборов должно быть достаточно гибким для адаптации множества аппаратных преобразователей различных видов при одновременном поддержании возможности сравнения результатов измерения с эталонами Национального института стандартов и технологий (НИСТ).
Что такое синтетический измерительный прибор?
Синтетический измерительный прибор (далее по тексту — синтетический прибор) — это комбинация соединенных между собой аппаратных и программных модулей, используемая для эмуляции аналога обычного электронного измерительного прибора. Главные цели автоматических испытательных систем на основе синтетических приборов: возможность ввода технических решений, реализующих повышенные технические характеристики, когда это требуется для выполнения измерений, и возможность снижения цен, стимулируемая конкуренцией (например, в случае предложения аналогичных изделий несколькими поставщиками). Эти цели сле-
дует достигать с минимальным переписыванием прикладного программного обеспечения, предназначенного для проведения испытаний, либо без его обновления вообще. Согласно информации Рабочей группы по синтетическим приборам их архитектура состоит из четырех основных частей (рис. 1).
Этой упрощенной структурной схемой можно охарактеризовать большую часть СВЧ-приборов, в том числе генераторы сигналов, анализаторы спектра, электронно-счетные частотомеры, анализаторы цепей и т. д. Однако при эмуляции функций аналога какого-то конкретного СВЧ-прибора (например, векторного анализатора сигналов) с помощью модулей синтетического прибора может потребоваться использование нескольких нормализаторов сигналов, преобразователей частот и преобразователей данных. Сначала мы рассмотрим эти функциональные блоки, чтобы лучше понять, как их следует использовать и какие требования предъявляются к разработке упомянутого прибора.
Самым важным функциональным блоком в архитектуре синтетического прибора является преобразователь данных (аналого-цифровой преобразователь — АЦП или цифроаналоговый преобразователь — ЦАП). Эти преобразователи имеют два основных недостатка: ограниченная полоса пропускания (частота взятия выборок) и ограниченный свободный от искажений динамический диапазон (число эффективных битов). Несмотря на кажущуюся очевидность этих фактов, в технике преобразования данных наблюдаются очень большие успехи, которые вплотную приближают нас к идеальным программно-управляемым измерительным приборам. Считаем, что преобразователи данных являются наиболее важными модулями по следующим причинам. Если цифровой преобразователь (модуль АЦП) или генератор сигналов произвольной формы (с модулем ЦАП) имеет достаточный динамический диапазон и широкую полосу пропускания для захвата
вч/свч
Архитектура синтетического прибора Аналоговые
Цифровые
Выход сигнала -« Вход сигнала -
Нормализатор данные данные Преобразователь данных данные
Преобразователь частоты Процессор
Управление
Рис. 1. Архитектура синтетического прибора
или генерации исследуемого полного сигнала (сигналов), то преобразование данных напряжения, тока или мощности для выполнения нужного вида измерения или генерации нужного сигнала потребует всего лишь использования программных алгоритмов. Другими словами, на единственном цикле сбора временных и амплитудных параметров можно выполнять несколько видов измерений. Это достижимо уже сегодня для решения некоторых низкочастотных измерительных задач в узкой полосе частот.
Какие же требования к числу битов и ширине полосы пропускания являются достаточными? Для внесения ясности в этот вопрос рассмотрим преобразователи данных в частотной области (зависимость амплитуды от частоты), т.е. анализаторы спектра. Представим себе преобразователь данных в виде окна исследуемого сигнала. Понятно, что это окно имеет конечную ширину (частота взятия выборок или полоса пропускания) и конечную высоту (динамический диапазон или число эффективных битов). Если вы можете отслеживать или генерировать ваш сигнал строго в рамках этого окна, то никакого нормирования сигнала или транспонирования частоты не потребуется. Рассмотрим простой пример генерации синусоидального НГ сигнала 100 МГц с помощью генератора сигналов произвольной формы (рис. 2). При анализе с помощью широкополосного цифрового преобразователя, аналогичного используемому в осциллографе (с разрешением более 7 эффективных битов), этот сигнал можно легко увидеть. Однако динамический диапазон этого цифрового преобразователя недостаточен для измерения побочных составляющих, создаваемых цифроаналоговым преобразователем в генераторе сигналов произвольной формы. В нашем случае побочные составляющие возникают на частоте, равной Fs/4 ^ — условное обозначение частоты дискретизации). При необходимости такого анализа здесь было бы логичнее выбрать цифровой преобразователь с повышенным динамическим диапазоном, например, анализатор спектра (от 11 до более 13 эффективных битов). Однако с увеличением динамического диапазона соответственно уменьшается полоса пропускания, и для захвата и «сшивания» исследуемого полного сигнала теперь потребуется некоторое преобразование частоты с одновременным использованием множества циклов сбора данных. Например, в случае поиска неизвестных побочных составляющих в полосе нескольких гигагерц для перекрытия такой частотной полосы обзора может потребоваться много сотен (и даже тысяч) циклов сбора данных.
Концепцию блока преобразования частоты легко понять, но трудно реализовать, особенно когда требуется обеспечить низкий уровень помех и шума, например, в таких приборах, как генератор или анализатор
СВЧ-сигналов. Этот модуль синтетического прибора выполняет лишь то, что вы ожидаете: он преобразует частоту сигнала из одной в другую. Так, генератор сигналов может принять выходной I/Q-сигнал из генератора сигналов произвольной формы и преобразовать его в частоту 10 ГГц, формируя тем самым радиолокационный сигнал. Противоположный пример: выполнение какого-то анализа модуляции связного сигнала путем преобразования с понижением его частоты с 43 ГГц (передача в системе LMDS) в промежуточную частоту (ПЧ), которая попадает в пределы полосы пропускания вашего цифрового преобразователя, позволяя анализировать его выходной сигнал. Поскольку большинство преобразователей частоты выполнено по супергетеродинной схеме, их внутренние смесители создают помехи по зеркальному каналу и паразитные побочные составляющие. Таким образом, при проектировании преобразователей частоты возникает серьезная проблема минимизации помех в процессе преобразования.
Основная функция нормализатора сигнала — преобразование уровня сигнала в одно из значений, которое приемлемо для преобразователя частоты. В упомянутом выше случае формирования спектрально чистого СВЧ-сигнала, необходимого для испытания радиолокационного приемника, нормализатором сигнала могло бы быть устройство, состоящее из мощного усилителя и полосового фильтра. После надлежащей нормализации сигнала путем усиления или ослабления его можно при необходимости подавать на вход преобразователя частоты.
Реализация программного обеспечения синтетических приборов крайне необходима для обеспечения долговременной поддержки. При разработке традиционных АИС программист испытательных систем использует все процедуры измерений, заложенные в любом измерительном приборе, который установлен в стойку. Для отсутствующих видов измерений разработчик собирает необходимые данные и создает алгоритм, поддержи-
вающий нужное измерение. Это самый эффективный способ создания АИС. Однако уделять постоянное внимание решению именно этой проблемы в течение всего срока службы программы очень трудно.
Все измерительные программные средства и алгоритмы должны быть отделены от измерительных аппаратных средств. Возьмем простой пример функции Peak Search (поиск пика) в анализаторе сигналов. В большинстве анализаторов сигналов существует конкретная команда, которая поддерживает эту функцию. Однако каждая фирма-изготовитель реализует эту функцию по-своему, что может приводить к разным результатам. С другой стороны, если алгоритм (приобретенный или разработанный пользователем) вынесен из прибора в состав ПО системы, полученные результаты будут одинаковыми, независимо от того, какие аппаратные средства использовались (при условии одинаковых рабочих характеристик этих средств). По существу это решает и проблему морального старения, выдвигая на первый план потребность в использовании общепринятых аппаратных и программных интерфейсов.
Нынешние программы калибровки измерительных трактов сигналов становятся все сложнее. Большинство фирм-изготовителей реализует в своих измерительных приборах более высокие технические характеристики за счет использования встроенных алгоритмов коррекции, которые устраняют нелинейности, зависящие от амплитуды, фазы и частоты сигнала. Кроме того, эти высокоточные результаты измерения, обладающие возможностью сравнения с эталонами НИСТ, зависят от составных частей самого прибора. Например, анализатор сигналов можно подразделить на три составные части: преобразователь с понижением частоты, цифровой преобразователь и измерительную программу. Если, как ожидается, один или несколько этих модулей можно заменить модулем (модулями) другого поставщика, то как в этом случае можно гарантировать возможность сравнения результатов измерения с эталонами
НИСТ? При решении проблемы отсутствия данных о приборе потребуется создание сложной прикладной программы.
Постоянное влияние компьютерной отрасли на рынок испытательного оборудования
С момента разработки персонального компьютера наблюдается тенденция ухода от дорогостоящих компьютеров и операционных систем собственной разработки в направлении платформы ”Шп1е1 (ОС Windows и ПК от Ш:е1). Эти компьютеры либо встроены в испытательные системы (традиционное контрольно-измерительное оборудование в стоечном исполнении, платформы VXI и РХ1), либо являются внешними контроллерами испытательных систем.
Фирмы-изготовители измерительных приборов и системные интеграторы пришли к выводу, что использование внешних ПК обеспечивает наилучшее соотношение «цена-производительность», которое предлагает рынок. Однако большая часть измерительных приборов по-прежнему имеет встроенные контроллеры. Покупатели, которые запрашивают испытательные системы с пониженной стоимостью и повышенной производительностью, постоянно призывают к использованию внешних ПК. Эта тенденция сохранится до тех пор, пока будет действовать закон Мура (производительность компьютера удваивается через каждые 18 месяцев). Фирмы-изготовители ПК выпускают на рынок новые модели примерно через каждые шесть месяцев и из-за размещения заказов на большие объемы комплектующих для компьютеров оказывают существенное влияние на снижение стоимости этих изделий. Однако следует отметить, что предлагаемые на рынке ПК не всегда удовлетворяют требованиям стойкости к внешним климатическим воздействиям и помехам в промышленных и полевых условиях их применения. Вследствие этого мы наблюдаем продолжающееся использование встроенных контроллеров в измерительных приборах.
Состояние испытательных систем на современном этапе их развития
Как отмечалось выше, компьютерная отрасль изменяет направление текущих разработок испытательных приборов. Частично принятое архитектурное проектирование на основе стандартов VME/VXI уменьшило стоимость и увеличило надежность сложных АИС, о чем просили покупатели. Большая часть реализаций VXI-изделий фактически являлась результатом переработки обычных испытательных приборов в форм-фактор VXI. К некоторым главным достоинствам конструктивного решения VXI можно отнести наличие большого свободного пространства на платах для размещения приборных
аппаратных средств и четко определенные требования к объединительной плате и коммуникационной шине. Однако из-за относительно небольшого объема продаж оборудования VXI и дополнительных затрат на переработку фирмы-изготовители были вынуждены устанавливать более высокие цены на это оборудование по сравнению с ценами на обычные полностью интегрированные приборы для сохранения норм прибыли, даже несмотря на то, что в VXI-приборах отсутствовали дисплеи, компьютеры и источники питания. В сложившейся ситуации оборудование VXI имело умеренный успех главным образом в аэрокосмической, оборонной и автомобильной отраслях промышленности, где основными требованиями являются поддержка более длительного срока службы АИС и небольшие габариты.
Шина VME (компьютерная шина на объединительной плате), в конечном счете, потеряла поддержку со стороны основного направления развития компьютерной отрасли и была заменена следующим перспективным стандартом под названием Peripheral Component Interconnect (стандарт локальной интерфейсной шины ПК для подключения периферийных устройств, далее по тексту — шина PCI). Таким образом, был сделан еще один шаг в сторону от VXI, так как сейчас фирмы-изготовители контрольно-измерительной техники привязаны к компьютерной отрасли, производящей ПК. Несмотря на то, что изготовители оборудования VXI решили проблемы размеров и стоимости на стадии разработки новых измерительных приборов, они не решили надлежащим образом проблем издержек производства, наличия требуемых изделий в продаже и их долговременной поддержки. К сожалению, сегодня наблюдается стабильный спад в предложении VXI-изделий из-за их морального старения. Поскольку многие из этих изделий не имеют замены, то реальное количество занятых модулями гнезд базовых блоков любой конкретной АИС неизменно сокращается. Это ускоряющееся падение объема продаж еще больше обостряет проблему старения.
В начале 90-х годов компания Intel предложила новую архитектуру шины для ПК (упомянутая выше системная шина PCI). Как обещала компания, шина PCI обеспечит существенные преимущества по сравнению со своими предшественницами, и эти обещания оправдались. Затем последовала шина compact PCI (cPCI), а на ее основе — приборная шина PXI, которая была представлена на рынке в 1998 году компанией National Instruments.
Является ли шина PXI логичной заменой шины VXI в АИС военного назначения?
PXI захватывает все ниши, которые оставляет VXI, и имеет меньшие габариты
(высота модулей PXI составляет 3U или 133,35 мм в стоечном пространстве), более высокую скорость пересылки данных по объединительной плате и несколько меньшую стоимость. Шина PXI уходит своими корнями в архитектуру ПК, использует прочный конструктив, соответствующий требованиям стандарта Euro-Card, и имеет оставленные в наследство от VXI рынки сбыта. Основываясь на этих предпосылках, сторонники PXI активно борются за ее статус как ведущей приборной шины следующего поколения.
Технические достижения обеспечили широкую поддержку конструктивным параметрам аппаратных средств PXI/Euro-Card. Для изделий, которые в основном состоят из полупроводниковых элементов, например, устройств цифрового ввода-вывода и низкочастотных аналоговых устройств, можно реализовать функциональные возможности прежнего VXI-модуля типоразмера C на меньшей по размерам плате стандарта PXI/cPCI. Этот новый уменьшенный модуль можно спроектировать, обеспечив при его изготовлении пониженные производственные расходы и повышенную надежность. Однако столь малые габариты, вполне приемлемые для разработчика цифровых схем, создают ограничения для разработчика ВЧ/СВЧ-схем, когда компоненты не подчиняются закону Мура и физически крупнее по сравнению с аналоговыми и низкочастотными компонентами. В аэрокосмической и оборонной отраслях чаще всего требуется решение прикладных задач по микроволновым измерениям с улучшенными характеристиками и по измерениям параметров высокочувствительных устройств. Для решения этих задач шина PXI в текущий момент не имеет необходимых экранов для защиты от электромагнитных помех и обеспечения электромагнитной совместимости, а также малошумящего источника питания. При повышенном внимании к этим проблемам и интенсификации разработок их можно было бы со временем решить.
Для решения проблемы свободного пространства в последнее время уже предлагалось несколько вариантов PXI-плат высотой 6U (266,7 мм), увеличивающих более чем в два раза площадь для размещения схем. Конечно, это существенное преимущество для размещения сложных схем, однако блок установки плат высотой 6U занимает столько же стоечного пространства, что и блок VXI, а устанавливаемые в таком блоке PXI-платы имеют более чем вполовину меньшую площадь по сравнению с площадью VXI-плат типоразмера C.
Является ли шина PXI логичной заменой шины VXI в АИС военного назначения? Испытательные системы военного назначения требуют длительного срока поддержки и непрерывно подвергаются обновлениям и модернизации в случае поддержки новых
систем вооружения, а также при замене устаревшего оборудования (коммерческими или собственными изделиями). Например, для замены устаревшей VXI-платы, когда приемлемая альтернативная VXI-плата в продаже отсутствует, потребуется установка нового шасси для PXI-плат, занимающих дополнительное стоечное пространство. Если же функциональность VXI заменять полностью, то это неизбежно приведет к значительным переделкам и расходам. Будучи изначально удачной идеей, архитектура VXI теперь превратилась в тяжелое бремя, требующее долговременной поддержки.
Хотя в отрасли из года в год наблюдается большой рост объемов выпуска оборудования PXI и увеличивается число его сторонников, компания Intel решила, что системная шина PCI себя изжила. Несмотря на то, что в течение последних 10 лет шина PCI была доминирующим стандартом, закон Мура определил ее как не отвечающую требованиям новейших, наиболее эффективных применений и разработок. Как считают в Intel, будущее на стороне шины PCI Express. Как же дальше с этого момента будут развиваться события вокруг шины PCI/PXI? Поскольку физически аппаратные объединительные платы несовместимы (PCI — параллельная шина, а PCI Express — последовательная), компания Intel разработала стратегию некоего промежуточного преобразования, пока отрасль занимается перестройкой. Здесь было бы логично задать несколько вопросов. Как долго просуществует шина PCI Express? А не совершаем ли мы еще раз прежней ошибки?
Модули синтетических приборов на основе локальной сети
Чтобы концепция синтетического прибора стала пользоваться наибольшим успехом (с ее идеями многократного использования аппаратных средств и открытых программных средств) отрасль должна принять согласованное решение о соблюдении требований нескольких стандартов.
Общепринятые аппаратные интерфейсы. Выше упоминалось, как использование внутренних интерфейсов ПК может вызвать круговорот в смене аппаратных модулей вашей АИС в зависимости от вида применяемого в данный момент шинного интерфейса. Ни один из стандартов на интерфейсы не действует вечно. Однако два из этих стандартов можно считать удовлетворительными в плане соблюдения требования о более чем 20-летнем сроке поддержки, на которой настаивают аэрокосмическая и оборонная отрасли промышленности. В качестве таких стандартов рассмотрим источник снабжения энергией переменного тока и локальную сеть (ЬАЭД, принимая во внимание их функциональные возможности.
Похоже, что в нашей повседневной жизни снабжение энергией переменного тока от обычной розетки было и будет всегда, и трудно представить себе иной стандарт, который был бы предложен взамен. Поскольку для цифровых и аналоговых схем требуется широкое разнообразие номиналов напряжения постоянного тока, использование единого источника питания постоянного тока представляется непрактичным. Кроме того, в платформах на основе использования блоков со встроенными источниками питания для установки печатных плат (VXI/PXI) оптимизация по энергопотреблению в зависимости от установленного набора приборных модулей никогда не выполняется. Поэтому складываются ситуации, когда мощности не хватает (установлено слишком много модулей с высоким энергопотреблением, из-за чего часть гнезд в системе остается незаполненной), либо установлен блок питания с избыточной мощностью, из-за чего часть денежных средств оказывается затраченной впустую (хотя при этом все гнезда в системе заполнены приборными модулями).
Локальная сеть как коммуникационная среда может оказаться именно тем стандартом, который просуществует дольше всех. Он был внедрен в 1985 году (стандарт ШЕЕ 802.3а). В начальном варианте эта сеть работала
со скоростью передачи данных 10 Мбит/с, а к 2002 году скорость составила 10 Гбит/с (стандарт IEEE 802.3ae), таким образом, за 17 лет скорость возросла на три порядка. Кроме того, локальная сеть является одним из самых дешевых интерфейсов для реализации в компьютерах (в том числе в большинстве персональных компьютеров) и в измерительных приборах (основанных на использовании стандартных компьютерных интерфейсов). Однако наибольшими недостатками здесь являются неопределенный характер самой локальной сети и требований к межмодульной синхронизации, строгое соблюдение которых необходимо для решения некоторых прикладных задач при проведении испытаний. Большую часть этих проблем можно было бы решить с помощью нового стандарта IEEE 1588 (Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems — протокол прецизионной тактовой синхронизации контрольно-измерительных систем на основе локальной сети). Стандарт был внедрен в 2002 году. Впервые эта методика была разработана Джоном Эйдсоном (John Eidson), сотрудником Agilent Labs. Методика, в конечном счете, и стала стандартом IEEE 1588 для распределенного контрольно-измерительного оборудования и решения задач управления.
Заключение
Снижение суммарных издержек владения автоматическими испытательными системами потребует тщательного рассмотрения той роли, которую должны взять на себя функциональные элементы. В идеальном случае разработчику следовало бы использовать как можно большее число коммерческих отраслевых стандартов (например, таких как IVI-COM), не связывая себя с теми из них, которые с большой вероятностью могут измениться из-за совершенствования технологии. С учетом сказанного синтетические приборы на основе локальной сети обеспечивают наилучший компромисс между ценой, производительностью, размерами и, самое главное, длительным сроком службы. ■
