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構建新型儀器：軟件定義的儀器

LabVIEW軟件結合創新型硬件，為儀器設備帶來永久性的變化

http://kadhoai.com.cn 2026-04-26 17:48:00 來源：美國國家儀器（NI）有限公司

作者: Charles Schroeder, 美國國家儀器公司測試市場部總監

玩具改變了他們對世界的認識一樣，26年前，美國國家儀器通過NI LabVIEW係統設計軟件，重新改變了人們對儀器的認知。今年，NI將再次重演曆史，發布一款新型儀器，幫助測試工程師擺脫廠商定義儀器的束縛。

如同每個孩子所擁有的第一套LEGO^®

許(xu)多(duo)年(nian)來(lai)，儀(yi)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)模(mo)式(shi)沒(mei)有(you)太(tai)大(da)的(de)改(gai)變(bian)。需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)工(gong)作(zuo)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)和(he)科(ke)學(xue)家(jia)必(bi)須(xu)先(xian)從(cong)測(ce)試(shi)測(ce)量(liang)供(gong)應(ying)商(shang)處(chu)購(gou)買(mai)功(gong)能(neng)固(gu)定(ding)的(de)硬(ying)件(jian)，然(ran)後(hou)在(zai)標(biao)準(zhun)台(tai)式(shi)計(ji)算(suan)機(ji)上(shang)使(shi)用(yong)諸(zhu)如(ru)LabVIEWzhileideruanjian，tongguoxinhaochuli，juece，zidonghuadengfangshikuozhanyingjiandegongneng。ermokuaihuayiqidechuxianshiyigejudadefeiyue，bingchengweilezidonghuaceshixitongdejidingbiaozhun。danshimokuaihuayiqizhongdexuduogongnengyiyouchangjiazaiqianrushigujianzhongdingyiwanbi，yonghuwufaduigujianjinxinggenggaiyimanzutedingdeyingyongxuqiu。

然ran而er，對dui於yu許xu多duo其qi他ta的de應ying用yong來lai說shuo，固gu定ding功gong能neng的de硬ying件jian理li念nian已yi經jing過guo時shi。傳chuan統tong的de手shou機ji生sheng產chan商shang正zheng努nu力li快kuai速su轉zhuan向xiang基ji於yu軟ruan件jian的de智zhi能neng手shou機ji。客ke戶hu希xi望wang通tong過guo在zai設she備bei上shang運yun行xing的de軟ruan件jian獲huo得de更geng多duo的de控kong製zhi，使shi得de他ta們men的de手shou機ji具ju備bei滿man足zu特te定ding個ge人ren需xu求qiu的de功gong能neng。而er測ce試shi設she備bei也ye不bu外wai乎hu此ci。

您現在可以使用首款軟件定義的儀器，NI PXIe-5644R矢量信號收發器（VST），來體驗至今最具靈活性的自定義測試儀器。

軟件設計儀器具備的三個本質特性：

· 使用基於FPGA的開源固件設計的儀器硬件，具有即時可用的特點，並包含豐富的範例代碼。

· 優秀的係統設計軟件能夠降低自定義硬件儀器設計的複雜度。

· 從集成一個固定功能的設備到設計出用戶真正需要的儀器，這是一個根本性的理念改變。

使用開源的基於FPGA固件的硬件

新的NI PXIe-5644R VST尺寸更小，成本更低，能更加徹底地以軟件為核心。基於行業領先的FPGA技術和完全基於LabVIEW編寫開源軟件和固件的原則，VST硬件設計可以盡可能地將射頻轉換成比特。使用靈活的軟件設計方案來替換固定的廠家定義的硬件，VST可幫助測試工程師設計出他們真正需要的儀器功能。

圖1：在NI PXIe-5644R VST的設計中，將矢量信號發生器和分析儀與一個FPGA相連接，這樣用戶可以在第一次射頻測試應用中執行閉環的係統級測試任務

VST還能幫助射頻工程師集成最多五個射頻通道（每個通道都具備射頻生成和采集功能）至一個PXI機箱，以滿足並行測試需求和多輸入多輸出（MIMO）應用需求。大多數的傳統儀器解決方案提供一個激勵，或者測量一個響應；而VST在一個獨立硬件上結合了射頻發生器和分析儀，因為這兩個儀器都與一個FPGA相連接，用戶可以在這個FPGA中對固件進行設計，使得他們在第一次射頻測試應用中就能使用閉環的係統級測試功能。

通過將矢量信號發生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）與LabVIEW可編程實時信號處理與控製相結合，VST具備了以下的特性：

· 一個用戶可編程FPGA

· 覆蓋從85 MHz到6 GHz的頻率範圍

· 80 MHz實時射頻帶寬

· 結合了射頻發生器和分析儀，以及一個高速數字I/O端口

· 使用三個PXI Express插槽，降低成本，減小封裝

· 支持最新的無線標準（802.11ac和 LTE）

軟件使得矢量信號收發器更為強大

圖2：該LabVIEW 2012框圖展示了VST信號鏈的每一部分，從信號采集到校準，再到數字信號處理（DSP）及存儲於內存中

LabVIEW軟(ruan)件(jian)結(jie)合(he)該(gai)新(xin)型(xing)射(she)頻(pin)儀(yi)器(qi)，能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)所(suo)有(you)具(ju)備(bei)射(she)頻(pin)知(zhi)識(shi)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)和(he)科(ke)學(xue)家(jia)成(cheng)功(gong)設(she)計(ji)出(chu)新(xin)的(de)特(te)性(xing)或(huo)提(ti)高(gao)現(xian)有(you)儀(yi)器(qi)性(xing)能(neng)。軟(ruan)件(jian)應(ying)當(dang)首(shou)先(xian)讓(rang)客(ke)戶(hu)在(zai)儀(yi)器(qi)中(zhong)以(yi)係(xi)統(tong)級(ji)別(bie)對(dui)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)，以(yi)基(ji)本(ben)模(mo)塊(kuai)完(wan)成(cheng)圖(tu)形(xing)化(hua)和(he)編(bian)程(cheng)，來(lai)簡(jian)化(hua)儀(yi)器(qi)的(de)複(fu)雜(za)度(du)。接(jie)著(zhe)，軟(ruan)件(jian)應(ying)當(dang)在(zai)底(di)層(ceng)抽(chou)象(xiang)化(hua)射(she)頻(pin)儀(yi)器(qi)軟(ruan)件(jian)和(he)固(gu)件(jian)的(de)複(fu)雜(za)度(du)，使(shi)用(yong)戶(hu)快(kuai)速(su)理(li)解(jie)信(xin)號(hao)流(liu)，並(bing)且(qie)了(le)解(jie)在(zai)什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)該(gai)進(jin)行(xing)怎(zen)樣(yang)的(de)增(zeng)加(jia)或(huo)修(xiu)改(gai)。這(zhe)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)以(yi)層(ceng)次(ci)化(hua)的(de)方(fang)式(shi)深(shen)入(ru)了(le)解(jie)每(mei)個(ge)抽(chou)象(xiang)處(chu)理(li)，訪(fang)問(wen)儀(yi)器(qi)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)功(gong)能(neng)。

編寫軟件的語言應當兼顧微處理器和FPGA，shideyonghukeyizairenyiweizhiliyongzhelianggechuliqijiagoudeneizaibingxingxinglaizhixingzidingyigongneng。zuihou，ruanjianyingdangtigonglianghaodecankaosheji，yibangzhunaxiegengjiashuxichuantongyiqidekehulijihuoquceliangjieguo。

LabVIEW可以滿足上述的全部需求。它可以對在儀器上的FPGA、實時處理器和PC軟件並行編程進行優化。其天生的數據流編程模型也能提供直觀的方式，顯示數據從I/O管腳輸入到應用程序的過程。這種方法可以解決可視化的問題，並能夠在同一個程序框圖中實現。

自從1998年以來，經過實際的驗證，LabVIEW可應用於實時係統的編程，從2003年起，LabVIEW即可直接對FPGA進行編程。事實上，多年來通過基於LabVIEW的可重複配置I/O（RIO）構架的產品，LabVIEW已經能夠應對高性能、確定性任務的係統設計挑戰。在CERNdedaxingqiangziduizhuangjizhongguanlishizhunyi，zaiquanqiudeyishengbangongshizhongkongzhijiguangjinxingbaineizhangshoushu，goujianweilaikezaishengnengyuandehuoquhefenbushixitong，zhexiedoushiLabVIEW用於確定性、高性能要求應用中的案例。NI PXIe-5644R VST的發布為射頻領域的工程師也帶來了這些強大的功能。

LabVIEW 2012提供了新的模板和範例項目，可應用於大多數的NI硬件設備，包括VST。範例項目可以確保係統的質量和可擴展性，並包含了可以使VST作為VSA和VSGgongzuoyuqianrushishepinliupanyingyongderuanjian，congergeiyuyonghuyigeqiangdadeceshiyingyongqishidian。suoyoudemobanhefanlixiangmudoushikaiyuande，bingqiebaohanlexiangguanwendang，qingchudichanmingleyingyongfangfa，yijizengjiahuoxiugaigongnengdezuijiashijianfangfa。

圖3：用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊來對VST上的FPGA進行編程，其具有整合浮點計算和分析的特性

用戶可以使用LabVIEW FPGA模塊（在最新的2012版本中還增加了許多新的功能）對VST上的FPGA進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)。諸(zhu)如(ru)整(zheng)合(he)浮(fu)點(dian)計(ji)算(suan)和(he)分(fen)析(xi)的(de)功(gong)能(neng)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)給(gei)用(yong)戶(hu)更(geng)多(duo)的(de)選(xuan)擇(ze)進(jin)行(xing)代(dai)碼(ma)移(yi)植(zhi)和(he)複(fu)用(yong)，並(bing)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)優(you)化(hua)技(ji)術(shu)以(yi)生(sheng)成(cheng)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)FPGA IP核。

對儀器的全新認知

在經過數十年學習如何對廠家定義的儀器進行編程後，用戶現在可以使用NI PXIe-5644R VST和LabVIEW來設計自己的儀器。

通過軟件設計的方法，用戶不用再去問：“我如何才能讓這個盒子發揮廠家預先設計的功能？”相反地，用戶會開始問：“如果我能讓這台儀器做我想讓它做的事情，我會讓它做什麼，我該如何去做呢？”

較早使用VST的用戶將他們的設備用於以下應用：

· 將協議嵌入到儀器中以搭建協議感知的射頻測試器

· 通過整合的實時通道模型來仿真現場射頻設備測試

· 使用硬件在環技術對射頻功率放大器的非線性進行伺服

· 軟件定義無線電以未來射頻標準進行原型開發

對於部分人來說，其應用和未來的發展是顯而易見的；而er其qi他ta的de人ren則ze會hui需xu要yao一yi段duan時shi間jian才cai會hui接jie受shou這zhe個ge新xin方fang法fa。就jiu如ru同tong當dang年nian用yong戶hu授shou權quan的de智zhi能neng手shou機ji的de出chu現xian一yi樣yang。現xian在zai回hui頭tou去qu看kan，我wo們men無wu法fa想xiang象xiang不bu能neng使shi用yong智zhi能neng手shou機ji去qu實shi現xian無wu數shu應ying用yong的de生sheng活huo，但dan當dang第di一yi部bu智zhi能neng手shou機ji問wen世shi時shi，大da多duo數shu的de人ren還hai隻zhi是shi把ba它ta認ren為wei是shi一yi部bu普pu通tong的de手shou機ji。一yi旦dan軟ruan件jian定ding義yi的de儀yi器qi成cheng為wei主zhu流liu，你ni對dui儀yi器qi的de看kan法fa又you會hui如ru何he改gai變bian呢ne？

了解VST的詳情請訪問www.ni.com/vst/zhs

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