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透過 NI PXI 進行多重儀器同步化 硬體
概觀
現代測試系統必須管理不斷增加的通道數，而跨通道的精確時序與同步化，則是確保訊號完整性與測試穩定性的關鍵。同時，團隊面臨的更快提供成果、縮短上市時程的壓力與日俱增。
本技術文章將介紹 NI 同步化多重儀器工作階段 (SMIS)，這項驅動程式層級的功能可讓多個同質 PXI 模組以單一儀器的方式運作。SMIS 以 NI PXI 整合式時序與觸發架構 NI-TClk 為基礎，可簡化設定、減少程式碼重複，並確保精確的對齊，而無需外部連接線。
SMIS 結合 NI InstrumentStudio™ 軟體與多種程式設計語言的支援，能實現可擴充、可維護、高通量測試系統，能因應需求變化而調整，進而提供更快的設定、可擴充的效能，以及從量測到自動化作業的順暢路徑。
內容
背景说明：測試日益複雜
現代的自動化測試系統必須驗證越來越複雜的裝置，這類裝置通常具有數十或數百個通道與多種訊號類型。為了滿足這些嚴格要求，工程師需要選擇能滿足下列需求的系統：
- 支援高通道數設定
- 能夠擴充規模而不會提高複雜度
- 快速執行，盡可能擴大測試範圍並縮短週期時間
針對需要密切同步化的應用，將時脈與觸發訊號分配至不同的儀器是相當大的挑戰。潛時、偏差與抖動皆會降低量測準確度與系統穩定性。
使用箱型儀器的傳統測試設定，面臨數項限制：
- 手動設定每個儀器不僅耗時，也容易出錯。
- 實體同步化連接線方式會造成延遲與不確定性。
- 多重 API 與驅動程式會提高軟體的複雜度與維護負擔。
基於 NI PXI 硬體，同步性與擴充性就成爲平台内建特性。 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) 是符合業界標準的模組化架構，可將多個儀器整合在精巧的單一機箱中。PXI 背板提供下列資源：
- 參考時脈——將通用時序來源分配給所有模組
- 觸發匯流排——路由觸發訊號，以協調行動
- 星形觸發匯流排——提供低偏移觸發，可進行精確的時序對齊
對於進階同步化，NI 專利 NI-TClk 技術支援在不同 PXI 儀器之間實現次奈秒級取樣時脈與觸發訊號對齊，進而自動補償偏移與抖動，不需進行外部接線或複雜校準。
圖 1. 以 NI-TClk 進行箱型儀器與 PXI 平台的異質同步化比較
同步化的多重儀器工作階段 (SMIS)
儘管 NI-TClk 能提供強大的異質儀器間同步化功能，其設定流程已透過特定儀器驅動程式的强化而進一步簡化，尤其針對同類多台同質儀器同步設定。
SMIS 可讓您將相同型號的多個模組分組為單一軟體工作階段。此抽象化架構可協助您達成下列目標：
- 將多個儀器設定為單一單元並加以控制
- 降低程式碼複雜度並避免備援的設定步驟
- 更快提升同步化、準確度與測試傳輸率
部分 NI 驅動程式 (例如 NI-SCOPE、NI-Digital Pattern 與部分 RF 驅動程式) 目前支援這項功能。這項功能自動整合於 InstrumentStudio，並在 NI LabVIEW、NI TestStand、Python、C/C++、C# 等程式設計環境中提供簡單的程式碼設定。
從概念到應用：儀器通道數擴充
即使工程師使用同類型的儀器與相同供應商的儀器，傳統的同步化方法仍不容易。每個裝置均可獨立運作，具有獨立的時脈、觸發通道與驅動程式工作階段。若要擴充通道數或擴展量測功能，需要以手動方式進行作業，而這類作業的需求會隨著每一次增加儀器而呈指數增長，同時會因新增額外的箱型儀器而使體積增加。
一般而言，工程師必須採取下列措施來協調這些儀器：
- 提供外部參考時脈
- 建立實體連線以共用時脈與觸發訊號，通常會犧牲其中一個儀器通道以進行訊號路由
- 手動對齊每個裝置的時序與觸發訊號
- 寫入、測試及維護多個程式碼區塊，因為許多軟體介面原生並不支援箱型儀器的多重儀器同步化功能
圖 2. 透過箱型儀器示波器進行同質同步化，以建立 32 通道示波器
即使設定時小心謹慎，連接線長度、時脈分配或觸發潛時仍會有細微差別，可能導致儀器之間發生偏位問題。這些細微的錯誤會造成時序偏移與量測不一致，在高速或相位敏感應用中尤其如此。
NI SMIS 重新定義了工程師擴充與控制多通道測試系統的方式。這項功能將多個儀器視為單一裝置，兼具硬體層級同步化的精確度與一致軟體設定與控制的簡易性。透過高密度的模組化 PXI 儀器，即可輕鬆建置體積輕巧的高通道數系統，輕鬆進行延伸與擴充。
圖 3. 將 4 個 PXIe-5108 8 通道示波器模組同質同步化為一致的 32 通道示波器
使用 InstrumentStudio 的互動式設定
InstrumentStudio 是 NI PXI 系統內建的互動式量測軟體。它提供簡化的環境，讓您可在單一工作空間中設定並顯示所有儀器。
InstrumentStudio 主要功能
- 自動建立配置——識別系統中的儀器模組，並將其整合至單一工作空間。
- 客制化配置管理——將面板並排排列以執行多重儀器量測，或將面板分組成分頁以切換量測環境。
- 專案架構設定——儲存、重複使用預設設定，以及將其匯出至 LabVIEW 或 TestStand 以進行自動化處理。
- 即時測試系統除錯——執行自動化工作流程執行期間，可確實掌握儀器設定與量測作業。在 TestStand、LabVIEW、Python 或其他環境中暫停執行作業以調整設定，然後繼續執行，不必重新啟動程序。
除了這些功能之外，當偵測到支援 SMIS 的多個同質模組時，InstrumentStudio 會自動將其分組至單一儀器。此功能支援在單一檢視中針對所有通道進行即時視覺呈現，並以單一訊號觸發的單一儀器的形式運作，保持時間與取樣率一致，並共用相同的時脈參考。其結果就是精確的時序與同步化關聯，不需任何額外的軟硬體設定。使用者可依需要透過客制化配置選項獨立操作各個模組。
圖 4. InstrumentStudio 的這段螢幕截圖顯示兩個 NI PXIe-5108 8 通道示波器提供的 13 個同步示波器通道 (共 16 個)，且所有訊號都會自動同步。
InstrumentStudio 能簡化系統上線與除錯流程，協助您在數秒鐘內從硬體設定進行至首次量測。隨著需求變化或通道數增加，您可以將其他模組加入 PXI 機箱，而現有的設定仍可在擴充后的系統中沿用。
從互動式量測到自動化
系統設定完成後，下一個步驟就是自動化。這個時候，NI PXI 模組化儀器就能展現價值。由於 NI PXI 系統是軟體導向的系統，相較於傳統的箱型儀器與其他軟體環境，NI LabVIEW+ 能簡化從手動量測轉換成自動化工作流程的作業。
透過通用語言進行箱型儀器的程式設計，通常會造成相當大的整合摩擦。工程師經常會面臨下列許多問題：
- USB 或 TCP/IP 等複雜的連線設定，需要手動設定並進行除錯
- 取得大規模資料集或執行指令時的行為不一致
- 因處理錯誤或電源序列異常而導致鎖死
- 僅為了保持穩定性，就需要額外執行新增延遲、二進位傳輸或修改登錄設定等步驟
這些挑戰使得即使是與箱型儀器進行基本的通訊作業，也相當耗時且容易出錯——即使並不考量同步化就已如此。 若要協調多個儀器，開發人員必須在不同的裝置間對齊時序、觸發訊號以及資料擷取作業，這通常需要客制化邏輯並進行大量測試。在傳統的程式設計環境中，實現平行執行通常需要手動執行緒與資源管理，進而大幅增加負擔與錯誤風險。LabVIEW 的優勢在於其內建平行機制與簡單好操作的資料流程式設計功能，有助於簡化並行作業的執行。
圖 5.在 LabVIEW 環境中進行傳統的多重儀器程式設計
這個範例說明了在沒有 SMIS 的情況下對多個示波器進行程式設計的複雜度。每個儀器各自都需要不同的設定與擷取區段，因此導致程式碼重複且需手動同步化。即使在 LabVIEW 這樣平行執行較為容易的環境中，開發人員仍必須將每個儀器視為獨立實體，並編寫重複的程式碼區塊以進行設定與擷取作業，並手動管理同步化作業。
SMIS 能簡化整個這一流程。無需管理多個獨立工作階段，而是定義一個涵蓋所有同質儀器與通道的單一工作階段。自此，設定與擷取作業就會成爲一致的作業：
- 單一工作階段初始化——預先辨別所有儀器及其通道。
- 一致的設定——在同一次呼叫中，將時序、觸發與擷取設定套用至所有裝置。
- 同步量測——從所有儀器中同步取得資料，確保完美對齊。
圖 6.LabVIEW 環境中的同步化多重儀器工作階段 (SMIS)
此範例示範 SMIS 如何將多個同質儀器整合為單一工作階段，大幅簡化程式碼並確保精確同步化。
這項功能是在驅動程式層級執行，這意味著它在 LabVIEW、Python、C/C++、C# 等程式設計環境中能保持一致的運作方式。無論是哪一種語言，開發人員都能善用相同的簡化 API，進而縮短開發時間，無需使用客制化同步邏輯。
NI 軟體的另一項優勢，就是能將在 InstrumentStudio 中建立的設定直接匯出至 LabVIEW、TestStand、Python、C/C++ 或 C# 等自動化環境。此功能免除了手動複製程式碼中的設定的需求，進而加快從互動式量測轉換至自動化測試的速度。 如需逐步說明，請參閱如何匯出 InstrumentStudio 設定。
此功能可免除手動複製程式碼中的設定的需求，而由儀器驅動程式載入匯出的設定，以確保一致性並減少錯誤。重複使用經過驗證的設定，可加快開發速度、將除錯作業量減至最低，並保證自動化測試的條件與互動式量測完全一致。
在下列示範影片中，您將了解使用傳統平行執行與善用 SMIS 之間的差異。SMIS 可降低程式碼的複雜度、提升可讀性，並確保精確的時序對齊，同時加快開發速度。
同步化多重儀器工作階段 (SMIS) 的注意事項
SMIS 工作階段簡化了跨多個裝置協調量測作業的方法。不過，這種方法卻有多個限制，測試架構師必須予以考量：
- 統一性需求——SMIS 僅限於特定的 PXI 模組，工作階段中的所有儀器在型號與設定上必須一致。舉例來說，不支援將 4 通道與 8 通道或具有不同記憶體的相同型號裝置組合。
- 單一機箱限制——同步化作業僅限於安裝在同一個機箱中的裝置。 若要擴充為多個機箱，則需要 NI-TClk。
針對同質設定，同步化的多重儀器工作階段既有效率又易於實作。針對異質系統或多機箱設定，NI-TClk 是推薦的方法，能發揮現代自動化測試架構所需的彈性與精確度。
精確通道對齊的重要性
在高通道數系統中，實現跨通道的緊密對齊至關重要，尤其是需要精確時序關聯或相位同調的應用。若未採用 SMIS，即使是設定完善的儀器，也會在取樣時序中出現細微的偏差，因此裝置之間會出現數奈秒級的偏移。
圖 7. 未採用 SMIS 時，針對多個 PXI 示波器進行程式設計的時序偏差
現代測試系統不僅需要準確量測，更需要速度、可擴充性與簡易性。具備 SMIS 功能的 NI PXI 模組化儀器可讓多個模組共用同一時脈與通用觸發訊號，從而消除這種偏差。藉助這項功能，可產生一致且完美對齊的資料集，並進行深入分析，轉變工程師設定與自動處理多通道系統的方式。
圖 8. 透過跨多個 PXI 示波器模組的 SMIS 實現精確通道對齊
結論
SMIS 可讓您在單一工作階段中執行過去需要數十次重複呼叫與手動同步化的作業，進而降低程式碼的複雜度，並且加快在 LabVIEW、Python、C/C++ 等多元環境中的開發速度。這種一致的方法可確保精確的時序對齊，不需額外使用硬體或客制化邏輯，讓工程師盡可能不費心地從少量通道擴充至數百個通道。
除了程式設計效率之外，PXI 架構還提供無與倫比的硬體層級資料傳輸率與同步化功能。無論您要驗證複雜的裝置，或是執行大量量產測試，PXI 都能確保您能快速存取資料、取得可靠的效能，並且能隨著需求變化而靈活擴充。
NI PXI 的真正價值在於能隨著測試策略而演變。NI PXI 硬體結合模組化硬體、智慧型軟體與 SMIS 等驅動程式層級創新技術，能協助您建立自動化測試系統，進而加快部署速度、簡化維護作業，並為因應未來挑戰做好準備。
Microsoft 與 Windows 是 Microsoft 集團公司的商標。