ユーザがプログラム可能なFPGAでオシロスコープを使った計測の速度と品質を向上
概要
オシロスコープの要件は急速に高度化し、新しい研究/テストアプリケーションはより高速で複雑な信号を多用するようになっています。それに対処するには、インテリジェントなテスト装置を使用して、デッドタイムなしで特定の信号条件を確定的に検出したり、収集時にデータを処理してテスト時間を短縮したり、フィードバック信号をすばやく生成して検査対象デバイス (DUT) を制御したりする必要があります。過去10年間で、高機能なPCソフトウェアとモジュール式I/Oの緊密な統合により、テスト時間の短縮とテストにかかる総コストの削減が可能となりました。ソフトウェア設計型計測器という新しい製品カテゴリでは、この概念を一歩先に進ませ、ユーザアルゴリズムの対応範囲を計測器自体にまで拡張させています。そうして実現する高度に最適化された計測システムは、各サンプルをリアルタイムで解析できるので、時間のかかる後処理が不要になります。その結果テスト時間が短縮され、科学/研究アプリケーションにおける発見を迅速化できます。
内容
再構成可能なオシロスコープとは
オシロスコープのような計測器では、複数レイヤのソフトウェアを使用します。その中には認識されやすいものとされにくいものがあります。PCに搭載されたソフトウェアがテストシステム全体の実行を制御し、計測器ドライバがオシロスコープとの通信を可能にして、計測器自体に組み込まれたソフトウェアがデータの収集方法とユーザへの提供方法を制御します。従来型の計測器は計測器ドライバによって計測機能が固定されていますが、モジュール式計測器はオープンなPCソフトウェアと最新のCPUの処理能力を利用して、計測器内ではなくPCで信号解析を行います。このため、ユーザは収集されたデータに対する解析をすばやくカスタマイズできるので、テスト時間の短縮や高分解能計測といった特定のニーズを満たすことができます。
ソフトウェア設計型計測器は、この概念をさらに一歩進ませ、計測器のFPGA上で直接実行している組込ソフトウェアを変更したり、場合によっては完全に入れ替えることも可能となっています。集録されたデータの各データポイントは、計測器のFPGAでリアルタイムで解析できるので、デッドタイム (信号の取りこぼし) なしでカスタムリアルタイム解析や複雑なトリガを実装することができます。つまり、ソフトウェア設計型計測器を使用すれば、ホストPCから計測器のデータ変換器のピンにいたるまで、すべてのソフトウェアレイヤにアクセスできるので、特定のアプリケーションの要件に合わせて変更を組み込むことが可能です。
NIでは、最大400 MHzのアナログ帯域幅、8つの入力チャンネル、14ビットの計測分解能、1 GS/秒のサンプリングレート、ユーザがプログラム可能なXilinx Kintex-7 FPGAを備えた再構成可能なオシロスコープを多数提供しています。
図1:ユーザがプログラム可能なFPGAは、再構成可能なオシロスコープの中心的なコンポーネントです。
ユーザがプログラム可能なFPGA
従来、商用の計測ハードウェアは機能が固定されているものでしたが、NIではFPGAテクノロジを利用したオープンで柔軟な計測デバイスを他に先駆けて提供しています。FPGAとは、カスタム信号処理や制御アルゴリズムを計測ハードウェアに直接組み込むようにカスタマイズできる高密度デジタルチップです。その結果、従来型の計測器とソフトウェア設計型計測器の両方の利点を兼ね備えた商用ハードウェアが実現します。固定の高品質計測テクノロジ、最新デジタルバスの統合、ユーザによるカスタマイズが可能な並列性の高いロジックによって遅延時間が短縮され、I/Oに直接接続されますので、インライン処理や緊密な制御ループが可能になります。
FPGAは、ASSP (特定用途向け標準品) やASIC (特定用途向け集積回路) で広く採用され、マーケットシェアが拡大しています。これは、他のデバイスに比べムーアの法則に対応しやすく、開発コストも大幅に削減できるためです。これにより、コンパクトで電力消費の少ないテストシステムの構築が可能になります。高機能のFPGAが市場に登場し、多くのデバイスのハードウェア機能の定義に使われていますが、搭載されているIPはベンダが定義したものであり、FPGAの能力をユーザが利用できるわけではありません。また、もしFPGAがユーザに対して開かれていたとしても、そのようなデバイスのプログラムにはハードウェア記述言語 (HDL) に関する専門的な知識が必要となり、デジタル設計のエキスパートでなければ到底カスタマイズは不可能でしょう。
LabVIEWソフトウェアを使用すれば、最新のFPGAテクノロジを利用することができます。グラフィカルプログラミングを使ってロジックを実装し、ハードウェア内の計測器の動作を定義したり、要件が変更された場合に計測器をプログラミングし直すことができます。LabVIEWのグラフィカルデータフローという特徴は、デジタルハードウェアに実装できる並列処理を実装/可視化するのに適しています。
図2:ユーザがプログラム可能なFPGAを使用すると、オシロスコープのファームウェアをカスタマイズして、必要な結果を得ることができます。
オシロスコープのFPGAをソフトウェアでプログラム
再構成可能なオシロスコープは、いくつかの柔軟性レベルに基づいてプログラムできます。再構成可能なオシロスコープを起動/実行し、テストシステムの一環としてデータを収集する場合に、最も時間がかからない方法は、計測器ドライバを使用することです。NIオシロスコープはNI-SCOPE計測器ドライバを使用してプログラムされます。また、オシロスコープIVIドライバセットを使用してプログラムすることもできます。計測器ドライバを使用すると、オシロスコープから従来の計測器の機能をすばやく取得できます。これらのドライバは、サンプリングレート、レコード長、垂直レンジを構成する機能を備えています。これら以外にも、さまざまな設定を構成できます。ただし、計測器ドライバでは、オシロスコープの全機能のうち、限られた機能しか呼び出すことができない場合があります。またドライバでは、新しい計測要求に対応するために計測器のファームウェアをカスタマイズすることは、絶対にできません。
オシロスコープが持つすべての機能の利用が計測器ドライバによって制限される例として、トリガモードの呼び出しが挙げられます。オシロスコープのIVIドライバでは、エッジ、レベル、ウィンドウなどの数種類のトリガモードしか使用できません。オシロスコープによってはこれよりも多くのトリガモードを備えている場合がありますが、計測器ドライバでデバイスを構成する際、使用できるトリガモードはそれらの一部に限定されます。また、市販のオシロスコープに組み込まれていない、非常に特殊なトリガロジックが必要になる場合もあります。この場合、オシロスコープのデータパスでFPGAを使用して、計測器のハードウェアで動作する論理トリガをプログラムすることができます。
LabVIEW FPGAモジュールを使用すると、PXIe-5171RおよびPXIe-5164オシロスコープ、高速シリアル計測器、RFベクトル信号アナライザ、ベクトル信号トランシーバ (VST) などのNI再構成可能I/O (RIO) ハードウェアに搭載されているFPGAでも、LabVIEW システム開発ソフトウェアが利用できるようになります。これが2012年に登場したソフトウェア設計型計測器のコンセプトです。
LabVIEWはFPGAのプログラミングに最適なツールです。これは、LabVIEWが本来備えている並列性とデータフローコンセプトが、FPGAのデータフローに似ているためです。LabVIEWはシステムのさまざまな演算要素 (計測器のFPGA、PCのマイクロプロセッサなど) で実行する処理やデータ移動を簡素化するので、FPGAプログラミング (VerilogやVHDLなど)、コンピューティングアーキテクチャ、またはデータストリーミングに関する深い知識がなくても、ソフトウェア設計型計測器の能力を活用することができます。
計測器設計ライブラリとは、LabVIEW FPGAモジュールとNI RIOアーキテクチャをベースに作成されたソフトウェアスタックです。リファレンス設計やサンプル、LabVIEWサンプルプロジェクトなど、アプリケーションのスターティングポイントとして利用できる機能が用意されています。それらの機能はすべて、デフォルトのLabVIEW FPGA機能と作成済みのFPGAビットファイルを使用しており、高度なプログラミングを行わなくてもすばやく開発に取りかかることができます。
図3は、ソフトウェア設計型計測器 (ここでは再構成可能なオシロスコープ) のソフトウェアアーキテクチャを示しています。このアーキテクチャは、FPGAに実装されている実際の収集処理やリアルタイム処理用のルーチンのほか、FPGA上のソフトウェアモジュールと通信して計測の構成と制御を行ったり、PXI Expressバス経由でのデータ転送を処理したり、データをユーザに向けて表示するホストPC上の対応するソフトウェアモジュールで構成されています。
図3: ソフトウェア設計型計測器のアーキテクチャでは、ホストVIはFPGA上の対応するVIと通信して、ハードウェアを構成し計測を実行します。 ご利用の再構成可能なオシロスコープに適した計測器ドライバまたは計測器設計ライブラリをダウンロードしてください。
ホストPCコンポーネントは計測器ドライバとよく似ていますが、FPGAコードは従来のオシロスコープファームウェアに相当するものです。従来のオシロスコープと異なり、これらのコンポーネントはカスタムオシロスコープIPの作成に使用できます。またそのオープン性により、ユーザが特定のニーズに合わせて修正したり拡張したりできます。
再構成可能なオシロスコープの詳細
NIでは、PXIオシロスコープ用にいくつかの再構成可能なオプションを提供しています。 FPGAを持つオシロスコープでは、オシロスコープカテゴリページのモデルの説明に「再構成可能」と表示されます。
ユーザがプログラム可能なFPGAを搭載したオシロスコープがテストにもたらすメリット
テストアプリケーションの最終目的の1つに、テストにかかる総コストの削減があります。大量生産のコストの主な原因となるのが時間ですが、多品種テストシステムや保守テストシステムでは柔軟性と再利用性が重要です。ユーザがプログラム可能なFPGAを搭載したオシロスコープを使用して、時間とコストを節約する方法を示す3つの例を紹介します。
業界、用途、および計測に応じて、さまざまなオシロスコープが必要となります。再構成可能なオシロスコープによって、市場投入までの時間とテストにかかるコストがどのように削減されるかを確認するには、各デバイスシリーズの詳細をご覧ください。