運用示波器與使用者可設定的 FPGA 提高量測品質與速度
概觀
示波器的需求急遽成長，同時新的研究與測試應用也需要更多、更快、更複雜的訊號。這會需要更具智慧功能的測試設備，才能在沒有空滯時間的情況下準確偵測特定的訊號狀況、在擷取期間處理資料以縮短測試時間，或者是快速產生反饋訊號以控制受測裝置 (DUT)。過去十年來，強大電腦軟體與模組化 I/O 的緊密整合，不僅縮短了測試時間，同時也降低了整體測試成本。軟體設計儀器屬於全新的產品類別，能夠把使用者演算法擴充至儀器本身，把這個概念提升到新的境界。這樣一來即可設計高度最佳化的量測系統，進一步即時分析每個樣本，避免耗時的後續處理作業。最後不但能夠縮短測試時間，還可以加速探索科學與研究應用。
內容
什麼是可重設示波器？
示波器等儀器通常採用多個軟體層，有些是使用者較容易存取的軟體，有些則否。電腦上的軟體可控制測試系統的整體運作，儀器驅動程式可提供示波器的通訊功能，嵌入儀器本身的軟體，則控制了資料擷取與提供給使用者的方式。傳統儀器會透過儀器驅動程式提供固定的量測功能，模組化儀器則會藉助於開放式電腦軟體與現代 CPU 的處理效能，於電腦中 (而非儀器內部) 執行訊號分析。這樣一來，您就能迅速客制化針對所擷取資料執行資料分析的方式，進而滿足特定需求，例如縮短測試時間或提高量測解析度。
軟體設計儀器則會進一步運用這個概念，以協助您修改，甚至徹底替換直接於儀器 FPGA 上執行的嵌入式軟體。由於擷取到的每個資料點，都可以在儀器 FPGA 上即時完成分析，因此您可以部署客制化的即時分析與複雜的觸發，並且避免空滯時間 (遺失訊號)。簡而言之，軟體設計儀器能夠讓您存取所有軟體層 (從主機電腦到儀器資料轉換器的針腳都包含在內)，進一步實作客制化的修改，以滿足特定應用需求。
NI 提供多款可重設示波器，當中配備高達 400 MHz 的類比頻寬、8 個輸入通道、14 位元的量測解析度、1 GS/s 的取樣速率，以及使用者可程式化的 Xilinx Kintex-7 FPGA。
圖 1：使用者可程式化的 FPGA，是可重設示波器的核心元件。
使用者可程式化的 FPGA
一般而言，現成的儀控硬體都具有固定功能，NI 卻率先開創出搭載 FPGA 技術、更開放有彈性的量測裝置。FPGA 是一種高密度的數位晶片，您可以進行客制化，直接將客制化的數位處理與控制演算法納入量測硬體。因此，這款現成硬體綜合了雙方優勢：高品質的固定式量測技術、最新的數位匯流排整合，以及使用者可客制化的邏輯，這種邏輯不但具有高度平行的特色、能夠縮短延遲時間，還可直接銜接 I/O，以便用於行內處理與緊密控制迴圈。
相較於其他裝置，FPGA 更能夠符合摩爾定律，而且可大幅降低開發成本，所以能持續取得設計優勢，也比特殊應用標準產品 (ASSP) 與特殊應用積體電路 (ASIC) 的市佔率更高。而這也使得測試系統的尺寸與耗電量不斷縮減。功能豐富的 FPGA 正進軍市場，並且定義了許多裝置的硬體功能，不過其中的 IP 仍然是由廠商定義，所以您可能無法充分運用 FPGA 的強大功能。其中絕大部分的原因是，設計這類裝置的程式會需要專業的硬體描述語言 (HDL)，學習這種語言通常會耗費許多時間，而且通常只有於數位設計專家才能掌握。
LabVIEW 軟體讓您能夠接觸最新的 FPGA 技術。只要使用圖形化程式設計，您就能部署邏輯以定義硬體內的儀器行為，並且在需求變更的時候重新設計儀器程式。LabVIEW 的圖形化資料流特性很適合用來部署/呈現數位硬體可實作的平行運作機制。
圖 2：使用者可程式化的 FPGA 可讓您客制化示波器韌體，取得所需結果。
透過軟體來設計示波器 FPGA 的程式
可重設示波器能透過多種方式，靈活進行程式設計。只要使用儀器驅動程式，就能讓可重設示波器以最快的速度，於測試系統中就位、運作，並著手收集資料。NI 示波器除了可搭配 NI-SCOPE 儀器驅動程式進行程式設計，也能透過示波器 IVI 驅動程式組合進行程式設計。儀器驅動程式可讓您快速取得傳統的示波器儀器功能。這些驅動程式可設定取樣速率、記錄長度、垂直範圍，以及其他多項設定。不過，儀器驅動程式可能只能讓您從示波器的所有功能中，呼叫有限的功能來使用。而且，驅動程式無法客制化儀器韌體，難以滿足新的量測需求。
儀器驅動程式會對示波器發揮完整潛能造成限制，而呼叫觸發模式就是其中一個例子。示波器 IVI 驅動程式僅適用於幾個觸發模式，包括：邊緣、位準與視窗。儘管示波器可能有更多觸發模式，儀器驅動程式依舊只能將裝置設定成這幾個模式。此外，您可能想使用一組非常特定的觸發邏輯，而這些邏輯已於市面上推出，卻未內建於示波器中。在這個情況下，您可以使用示波器資料路徑中的 FPGA 進行程式設計，以建置可在儀器硬體中運作的邏輯觸發。
LabVIEW FPGA Module 能夠把 LabVIEW 系統設計軟體，延伸至 NI 可重設 I/O (RIO) 硬體上的 FPGA，例如 PXIe-5171R 與 PXIe-5164 示波器、高速序列儀器、RF 向量訊號分析儀，以及在 2012 年導入「軟體設計儀器」概念的向量訊號收發器 (VST)。
LabVIEW 本身就具有平行機制，而且資料流概念與 FPGA 的資料流也很相似，因此相當適合用來設計 FPGA 程式。LabVIEW 能抽象化系統內不同運算元件所執行的處理與資料遷移作業 (例如儀器內的 FPGA 與電腦內的微處理器)，因此您不需要 Verilog 或 VHDL 之類的 FPGA 程式設計、運算架構或資料串流等方面的深入知識，即可充分發揮軟體設計儀器的效能。
儀器設計函式庫 (Instrument Design Library) 是一種 LabVIEW FPGA Module 與 NI RIO 架構內建的軟體堆疊。這款函式庫可做為許多應用的著手點，其中的參考設計、範例、LabVIEW 範例專案等等都很實用。這些項目全都配備預設的 LabVIEW FPGA 屬性，以及預先建立的 FPGA 位元檔案，可協助您迅速上手，免除過多的程式設計作業。
圖 3 為軟體設計儀器的軟體架構 (在本案例中為可重設示波器)。此架構包含了部署在 FPGA 上、可用於實際擷取與即時處理的常式，以及主機電腦上對應的軟體模組，能夠與 FPGA 上的對應部分互動，進一步設定/控制量測作業、處理 PXI Express 匯流排的資料傳輸，並且呈現資料給使用者。
圖 3： 就軟體設計儀器的架構而言，主 VI 會和 FPGA 上的對應部分互動，藉此設定硬體並執行量測。 下載適用於可重設示波器的儀器驅動程式，或儀器設計函式庫。
主機電腦的元件與儀器驅動程式很類似；FPGA 程式碼則是與傳統的示波器韌體比較像。不同於傳統示波器，您可以使用這些元件來建置客制化示波器 IP；此外，基於開放性特性，您也可以根據特定需求來加以修改與擴充。