사용자 프로그래밍 가능한 FPGA를 사용한 오실로스코프로 더 빠른 측정 수행
개요
오실로스코프의 요구사항은 빠르게 증가하고 있으며 새로운 연구 및 테스트 어플리케이션은 점점 더 빠르고 복잡한 신호를 사용하고 있습니다. 이렇게 하면 데드 타임 없이 타이밍 결정성이 높은 특정 신호 조건을 감지하거나, 수집 중 데이터를 처리하여 테스트 시간을 줄이거나, 테스트 중인 디바이스(DUT)를 신속하게 컨트롤하는 피드백 신호를 신속하게 생성할 수 있어야 합니다. 지난 10년 동안, 강력한 PC 소프트웨어를 모듈형 I/O와 밀접하게 통합하여 테스트 시간과 전체 테스트 비용을 줄였습니다. 소프트웨어 설계 인스트루먼트의 새로운 제품 등급은 사용자 알고리즘의 범위를 인스트루먼트 자체로 확장함으로써 이 개념을 다음 단계로 넘어갑니다. 이렇게 하면 각 샘플을 실시간으로 분석할 수 있는 최적화된 측정 시스템을 설계할 수 있으므로, 시간이 많이 걸리는 후처리 작업을 제거할 수 있습니다. 이는 과학 및 연구 어플리케이션에서 테스트 시간을 단축하고 검색 속도를 향상시킵니다.
내용
- 재구성 가능한 오실로스코프란?
- 사용자 프로그래밍 가능 FPGA
- 소프트웨어를 사용하여 오실로스코프에서 FPGA를 프로그래밍하기
- 재구성가능한 오실로스코프에 대해 자세히 알아보기
- 다음 단계
재구성 가능한 오실로스코프란?
오실로스코프와 같은 인스트루먼트는 여러 계층의 소프트웨어를 사용하며, 그중 일부는 다른 계층보다 사용자에게 더 잘 드러납니다. PC의 소프트웨어는 전체 테스트 시스템의 실행을 제어하고, 인스트루먼트 드라이버는 오실로스코프와의 통신을 허용하며, 인스트루먼트 자체에 내장된 소프트웨어는 데이터를 수집하고 사용자에게 제공하는 방법을 제어합니다. 기존의 인스트루먼트는 인스트루먼트 드라이버를 통해 고정된 측정 기능을 제공하는 반면, 모듈형 인스트루먼트는 개방형 PC 소프트웨어와 최신 CPU의 처리 기능을 사용하여 인스트루먼트 내부가 아닌 PC에서 신호 분석을 수행합니다. 이는 테스트 시간 향상 또는 더 높은 분해능 측정과 같은 특정 요구사항을 충족하도록 수집한 데이터에 수행되는 분석을 신속하게 사용자 정의할 수 있다는 의미입니다.
소프트웨어 설계 인스트루먼트는 인스트루먼트의 FPGA에서 직접 실행되는 임베디드 소프트웨어를 수정하거나 완전히 대체할 수 있는 기능을 제공하여 이 개념을 한 단계 더 발전시킵니다. 수집한 모든 데이터 포인트를 인스트루먼트의 FPGA에서 실시간으로 분석할 수 있기 때문에 사용자 정의 리얼타임 분석 및 데드 타임 없이 복잡한 트리거를 구현할 수 있습니다. 소프트웨어로 설계된 인스트루먼트를 사용하면 호스트 PC에서 인스트루먼트의 데이터 변환기의 핀까지 모든 소프트웨어 레이어에 접근하여 특정 어플리케이션의 요구조건에 맞는 사용자 변경을 구현할 수 있습니다.
NI는 최대 400 MHz의 아날로그 대역폭, 8개의 입력 채널, 14비트 측정 분해능, 1 GS/s 샘플링 속도, 사용자 프로그램가능한 Xilinx Kintex-7 FPGA를 갖춘 여러 개의 재구성가능한 오실로스코프를 제공합니다.
그림 1: 사용자 프로그래밍 가능한 FPGA는 재구성 가능한 오실로스코프의 중앙 구성요소입니다.
사용자 프로그래밍 가능 FPGA
기존의 계측 하드웨어는 기존에 고정된 기능을 가지고 있지만, NI는 FPGA 기술을 기반으로 보다 개방적이고 유연한 측정 디바이스를 선도하고 있습니다. FPGA는 고밀도 디지털 칩으로 사용자 정의하여 사용자 정의된 신호 처리 및 컨트롤 알고리즘을 측정 하드웨어에 직접 통합할 수 있습니다. 이 결과는 고정된 고품질 측정 기술, 최신 디지털 버스 통합, 고도로 병렬되고, 지연 시간이 적고, 인라인 프로세싱을 위해 직접 I/O에 연결된 사용자 정의 가능한 로직 등과 같은 두 가지 최상의 기능을 갖춘 최신 하드웨어입니다.
FPGA는 어플리케이션 특정 표준 제품(ASSP)과 어플리케이션 특정 통합 Circuits(ASIC)에서 다른 디바이스보다 모어의 법칙을 더 잘 준수하고 개발 비용을 크게 절감하기 때문에 계속 설계 우승과 시장 점유율을 얻게 됩니다. 이렇게 하면 테스트 시스템 크기가 작아지고 전력 소비량이 낮아집니다. 고성능 FPGA는 많은 디바이스의 하드웨어 기능을 정의하고 시장에 도입되지만, 포함된 IP는 제조업체에 의해 정의되며 FPGA의 전원에 접근할 수 없습니다. 이는 이러한 디바이스를 프로그래밍하는데 필요한 특수 하드웨어 설명 언어(HDL)에 대한 지식이 급격한 학습 CURVE 필요로 하며 일반적으로 디지털 디자인 전문가로 제한되기 때문입니다.
LabVIEW 소프트웨어를 사용하면 최신 FPGA 기술을 사용할 수 있습니다. 그래픽 프로그래밍을 사용하여, 로직을 구현하여 하드웨어에서 인스트루먼트의 동작을 정의하고 요구사항이 변경될 때 인스트루먼트를 다시 프로그래밍할 수 있습니다. LabVIEW 그래픽 데이터 흐름 특성은 디지털 하드웨어에서 구현할 수 있는 병렬 작업의 타입을 구현하고 시각화하는데 적합합니다.
그림 2: 사용자 프로그램 가능한 FPGA를 사용하면 필요한 결과를 얻기 위해 오실로스코프의 펌웨어를 사용자 정의할 수 있습니다.
소프트웨어를 사용하여 오실로스코프에서 FPGA를 프로그래밍하기
재구성가능한 오실로스코프는 여러 가지 유연성으로 프로그래밍할 수 있습니다. 재구성가능한 오실로스코프를 테스트 시스템의 일부로 업그레이드하고 실행하고 데이터를 수집하는 가장 빠른 방법은 인스트루먼트 드라이버를 사용하는 것입니다. NI 오실로스코프는 NI-SCOPE 인스트루먼트 드라이버로 프로그래밍되며 오실로스코프 IVI 드라이버 세트로 프로그래밍할 수도 있습니다. 인스트루먼트 드라이버 사용하면 오실로스코프에서 기존의 인스트루먼트 기능을 빠르게 얻을 수 있습니다. 이러한 드라이버에는 샘플링 속도, 레코드 길이, 수직 범위 등 여러 셋팅을 설정하는 기능이 포함됩니다. 그러나 인스트루먼트 드라이버를 사용하면 오실로스코프의 전체 구성요소의 한정된 세트만을 호출할 수 있습니다. 드라이버는 새로운 측정 요구사항을 충족시키기 위해 인스트루먼트의 펌웨어 사용자 정의할 수 없습니다.
오실로스코프의 모든 가능성을 사용하는 기능을 제한하는 인스트루먼트 드라이버의 한 인스턴스는 트리거 모드를 실행하는 것입니다. 오실로스코프 IVI 드라이버는 에지, 레벨, 윈도우와 같은 몇 가지 트리거 모드만 사용할 수 있습니다. 오실로스코프에는 더 많은 트리거링 모드가 있을 수 있지만, 인스트루먼트 드라이버는 이러한 몇 가지 모드를 사용하도록 디바이스를 설정할 수 있습니다. 또한 시장에서 사용 가능한 오실로스코프에 내장되지 않은 매우 구체적인 트리거 로직 세트가 필요할 수도 있습니다. 이 경우, 오실로스코프의 데이터 경로에 있는 FPGA를 사용하여 인스트루먼트의 하드웨어에서 작동하는 논리적 트리거를 프로그래밍할 수 있습니다.
LabVIEW FPGA Module은 PXIe-5171R 및 PXIe-5164 오실로스코프, 고속 직렬 인스트루먼트, RF 벡터 신호 분석기, 벡터 신호 트랜시버(VST)와 같은 NI 재구성가능한 I/O (RIO) 하드웨어의 FPGA로 LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어를 확장합니다.
LabVIEW FPGA의 데이터 흐름과 유사한 병렬 처리 및 데이터 흐름 개념 때문에 FPGA 프로그래밍에 이상적인 도구입니다. LabVIEW 시스템의 여러 컴퓨팅 원소(예를 들어, 인스트루먼트의 FPGA 및 PC의 마이크로프로세서)에서 수행되는 프로세싱 및 데이터 이동을 추상화하여 Verilog 또는 VHDL, 컴퓨팅 아키텍처, 데이터 스트리밍과 같은 광범위한 FPGA 프로그래밍 지식 없이 소프트웨어 설계 인스트루먼트의 성능을 활용할 수 있도록 합니다.
Instrument Design Library는 LabVIEW FPGA Module 및 NI RIO 아키텍처에 기반한 소프트웨어 스택입니다. 참조 설계, 예제 및 LabVIEW 샘플 프로젝트를 비롯한 여러 어플리케이션의 출발점을 제공합니다. 이러한 시작 지점은 모두 기본 LabVIEW FPGA 특성과 미리 빌드된 FPGA 비트 파일을 갖추어 광범위한 프로그래밍 없이 신속하게 시작할 수 있도록 지원합니다.
그림 3은 소프트웨어로 설계된 인스트루먼트(이 경우, 재구성 가능한 오실로스코프)의 소프트웨어 구조를 보여줍니다. 아키텍처는 실제 수집 및 리얼타임 처리를 위해 FPGA에 구현된 루틴과 호스트 PC의 대응되는 소프트웨어 모듈로 구성되며, 이는 FPGA 상대편과 상호작용하여 측정을 설정하고 컨트롤하고, PXI Express 버스에서 데이터 전송을 처리하고, 데이터를 사용자에게 제시합니다.
그림 3: 소프트웨어로 설계된 인스트루먼트의 구조에서, 호스트 VI는 FPGA 상대편과 상호작용하여 하드웨어를 설정하고 측정을 수행합니다. 재구성 가능한 오실로스코프의 인스트루먼트 드라이버 또는 인스트루먼트 디자인 라이브러리를 다운로드하십시오.
호스트 PC 구성요소는 인스트루먼트 드라이버와 매우 유사합니다. FPGA 코드는 기존의 오실로스코프 펌웨어와 유사합니다. 기존 오실로스코프와 달리, 이러한 구성요소를 사용하여 사용자 정의 오실로스코프 IP를 만들 수 있으며, 개방되어 있기 때문에 특정 요구조건에 맞게 수정 및 확장할 수 있습니다.
재구성가능한 오실로스코프에 대해 자세히 알아보기
NI는 PXI 오실로스코프에 대한 여러 개의 재구성 가능한 옵션을 제공합니다. FGPA가 있는 오실로스코프는 오실로스코프 카테고리 페이지의 모델 설명에 "재구성 가능"을 포함합니다.
사용자 프로그램가능한 FPGA를 사용한 오실로스코프의 장점 테스트하기
테스트 어플리케이션의 최종 목표 중 하나는 총 테스트 비용을 절감하는 것입니다. 시간은 대량 제조 시 비용이 가장 많이 발생하는 경우가 많지만, 유연성과 재사용성은 하이믹스 또는 유지관리 테스트 시스템에서 중요합니다. 다음은 사용자 프로그램 가능한 FPGA와 함께 오실로스코프를 사용하여 시간과 비용을 절약하는 방법을 보여주는 세 가지 예제입니다.
각 산업, 어플리케이션 및 측정에 따라 다른 오실로스코프가 필요합니다. 재구성가능한 오실로스코프가 시장 출시 시간과 테스트 비용을 줄이는 방법을 알아보려면 각 디바이스 제품군에 대해 자세히 알아보십시오.