Пять мифов о модульных приборах

Мифы рождаются, поскольку сложные вещи проще объяснить с помощью привычного языка и хорошо знакомых концепций. Например, задолго до научных открытий происхождение звезд и планет объяснялось деятельностью греческих богов. Выбор лучшего контрольно-измерительного оборудования для вашего приложения тоже является непростой задачей, и поэтому неудивительно, что появляются мифы, помогающие «упростить» такой выбор.

Рис. 1. Анализатор сигналов Agilent N9030A PXA серии X

Компания Agilent (группа электронных измерений Agilent Technologies теперь носит название Keysight Technologies) разрабатывает настольные приборы (рис. 1) более 75 лет, а модульные (рис. 2) — свыше 30, поэтому мы способны предложить лучшие продукты обоих типов. И поскольку выбор между ними может оказаться весьма сложным, мы считаем, что было бы полезно отделить факты от домыслов, чтобы помочь вам в выборе прибора, идеально подходящего для вашего приложения. Итак, давайте рассмотрим некоторые мифы и расставим все по своим местам.

Рис. 2. Высокопроизводительный векторный анализатор сигналов Agilent M9393A PXIe

Миф 1: модульные приборы изначально дешевле настольных

Этот миф связан с тем, что настольный прибор даже выглядит дорого. Вы видите законченное самодостаточное устройство с кнопками и дисплеем, наличие которых может или быть очень важным в определенных научных исследованиях, или оказаться излишней роскошью для многих автоматических систем. Дорогие детали модульных приборов скрыты от глаз, и это создает впечатление, будто они могут стоить дешевле. Например, современная объединительная плата PXI поддерживает до 18 слотов, работающих на скорости 4 Гбайт/с. Это увеличивает ее цену за счет применения дорогих разъемов, коммутаторов и материалов. Если шасси полностью заполнено измерительными модулями, нуждающимися в широкополосных соединениях, то подобные затраты вполне оправданы, но для многих других приложений столь высокая цена будет явно излишней. В результате система PXI с одним измерительным модулем может оказаться на 10–40% дороже аналогичного настольного прибора.

Рассмотрим рис. 3. Какой прибор выглядит дороже?

Рис. 3. Изображение осциллографа и PXI шасси

В чем же истина?

Хотя настольные приборы могут оказаться дешевле в качестве автономного инструмента, модульные решения обычно дешевле при объединении нескольких приборов в одном шасси. Это связано с тем, что в последнем случае накладные расходы распределяются по нескольким приборам. Данное правило обычно начинает действовать при установке 2–4 приборов в одном шасси.

Кроме того, существует разница между стоимостью изготовления и той ценой, которую платит потребитель. Предположим, что несколько производителей выходят на рынок контрольно-измерительных приборов с модульными решениями. Чтобы увеличить спрос на свои устройства, некоторые из них готовы установить цену ниже рыночной в ущерб прибыли и таким образом увеличить спрос. Но, конечно, подобная ситуация не может длиться вечно.

Миф 2: модульные приборы изначально обладают более высокой скоростью передачи данных

Вероятно, этот миф связан с тем, что в модульных системах часто используются быстродействующие объединительные платы. В реальности выбор объединительной платы для настольного или модульного прибора определяется потребностью сбалансировать цену с необходимыми возможностями. Другими словами, нет никаких «врожденных» причин, по которым объединительная плата модульного прибора должна быть быстрее объединительной платы настольного прибора. Решение определяется назначением. Например, в настольном приборе легче подключить его регистрирующую часть к вычислительной части с помощью широкополосной объединительной платы, поскольку в этом случае требуется соединение «точка-точка». В то же время в модульном приборе объединительная плата должна поддерживать почти неограниченное число соединений. В большинстве современных шасси PXI для достижения высокой пропускной способности используется шина PCIe gen 2 (рис. 4). И хотя в некоторых настольных приборах тоже используются PCIe gen 2, шины настольных приборов обычно рассчитаны на удовлетворение потребностей этого конкретного прибора. Так, для 16‑разрядного генератора сигналов произвольной формы с полосой 30 МГц шина PCIe gen 2 была бы избыточной, поэтому в данном приборе обычно установлена более медленная и дешевая шина (например, USB). В то же время шина PCIe gen 2 будет недостаточно скоростной для осциллографа с частотой выборки 160 Гвыб./с, а потому в нем используется очень быстрая специализированная шина.

Рис. 4. Структурная схема модульного прибора с использованием шины PCIe gen 2

В чем же истина?

Существуют два аспекта этого мифа, и оба содержат элементы истины.

Во‑первых, модульные объединительные платы обычно весьма быстродействующие, поскольку поддерживают широкий диапазон приложений и скоростей. Чтобы многие приборы могли быстро взаимодействовать (что часто необходимо в модульном решении), должна применяться типовая/стандартная объединительная плата. Учитывая, что модульная инфраструктура должна отвечать требованиям множества разнообразных приложений, для нее, как правило, выбирается стандартное широкополосное решение, рассчитанное на наиболее сложный сценарий применения.

Во‑вторых, компоненты модульных приборов значительно легче обновлять, а значит, проще и дешевле обновить ту часть модульной системы, которая стала камнем преткновения, чем повысить скорость настольного прибора. И если узким местом модульной системы является ЦП, то его можно легко заменять по мере появления новых компьютеров на рынке. Аналогичным образом — если узким местом становится аналого-цифровой преобразователь — «истинно модульная» архитектура позволит заменить только это устройство. Поэтому даже в том случае, когда настольный и модульный приборы изначально имеют одинаковые скорости, то со временем модульный способен обойти моноблочный в результате обновления.

Миф 3: модульный прибор быстрее, потому что использует интерфейсы программирования на основе двоичного кода (например, IVI), а не текстовых команд (например, SCPI)

У модульных и настольных приборов нет никаких «врожденных особенностей», требующих применения в модульных приборах двоичных команд, а в настольных приборах — текстовых (язык SCPI). Существуют настольные и модульные приборы, поддерживающие и SCPI, и IVI. Выбор обычно определяется теми приложениями, для которых будет использовано устройство.

В большинстве приложений отправка и получение команд занимает лишь малую часть времени измерения. И справедливость этого утверждения усиливается по мере того, как производители приборов стараются все более абстрагировать измерения для пользователей. Например, технология однокнопочных измерений (OBT) компании Agilent позволяет полностью проверить соответствие тестируемого устройства коммуникационному стандарту (например, GSM, LTE и т. д.) с помощью лишь нескольких команд. Такие однокнопочные измерения предусматривают интерфейс SCPI, разрешая пользователям запустить тест и получить результаты, но при этом внутри прибора происходит очень быстрый обмен двоичными командами для управления оборудованием. В таких случаях разность в производительности, проистекающая из того, какой интерфейс используется (SCPI или IVI) для запуска однокнопочного измерения, становится пренебрежимо малой.

В чем же истина?

Действительно, двоичные команды, передаваемые, в частности, через интерфейс IVI, выполняются быстрее интерпретируемых команд, таких как SCPI. В приложениях, использующих интенсивный обмен информацией между прибором и ПК, узким местом вполне может стать интерфейс управления. Это справедливо независимо от того, является ли система модульной.

Миф 4: модульные приборы имеют более низкое качество сигнала, чем настольные

В большинстве случаев модульное исполнение прибора не ухудшает качества сигнала. На самом деле, во многих приложениях характеристики системного уровня ограничиваются взаимовлиянием нескольких совместно работающих приборов. Как правило, модульные приборы обладают лучшими характеристиками для таких приложений. Так, некоторые приложения (например, MIMO) требуют очень точной синхронизации нескольких приборов, что проще достигается за счет общей объединительной платы.

В чем же истина?

Многие приложения, для которых предпочтительны модульные решения, ограничены площадью размещения. В частности, модульные решения популярны в некоторых производственных приложениях, где важным фактором является цена полезной площади. Здесь истина кроется в конструктивных особенностях. Для приложений, имеющих ограничения по размеру, изготовители модульных приборов могут пожертвовать производительностью ради уменьшения габаритов — скажем, использовать меньший по размеру и худший по параметрам задающий генератор; уменьшить промежутки между дорожками печатной платы, что усилит их взаимо-влияние и т. д. Но эти факторы связаны с конструктивными особенностями конкретного прибора и не являются врожденными недостатками модульной конструкции.

Некоторые модульные приборы секционируются таким образом, чтобы упростить обновление их компонентов. Для секционирования аналоговых интерфейсов могут потребоваться дополнительные кабели, что иногда незначительно влияет на характеристики. Кроме того, возможность обновления компонентов системы способна усложнить калибровку прибора.

Миф 5: модульность подразумевает модульное построение аппаратной части, а не программного обеспечения

Размышляя о модульных приборах, большинство инженеров представляет себе PXI, AXI, VXI или другие системы, использующие шасси и подключаемые модули. И хотя стандартное шасси действительно является важнейшей частью модульной конструкции, от модульного оборудования будет мало пользы без модульного программного обеспечения и модульной калибровки. Например, векторные анализаторы сигналов Agilent M9391A и M9393A (рис. 5) с шиной PXIe содержат четыре модуля PXI — источник тактовой частоты, синтезатор опорных частот, понижающий преобразователь частоты и дигитайзер.

Рис. 5. «Истинно модульный» векторный анализатор сигналов Agilent M9393A PXI VSA

Небольшой размер оборудования, конечно, привлекателен, но истинная ценность заключается в том, что модульный подход используется не только для аппаратной части, но и для программного обеспечения и калибровки. Модульное построение позволяет обновить только источник тактовой частоты для снижения фазовых шумов. Программное обеспечение должно поддерживать такой же уровень модульности. В то же время в традиционном настольном приборе калибровка выполняется совместно для всех четырех компонентов, что упрощает достижение наилучших характеристик. Но в модульном приборе подобная калибровка не гарантирует сохранения характеристик после обновления модуля источника тактовой частоты. Для реализации всех преимуществ модульности здесь нужен иной, модульный подход к калибровке. Это наглядно демонстрирует важность утверждения, что аппаратное и программное обеспечение являются одинаково важными компонентами модульного прибора.

В чем же истина?

Истина в том, что некоторые модульные приборы в сущности являются традиционными настольными приборами в модульном исполнении. Например, некоторые VSA PXI не имеют четырех модулей, а представляют собой один большой модуль, занимающий несколько слотов объединительной платы PXI. Программное обеспечение и методы калибровки таких продуктов разрабатывались с применением традиционного подхода на уровне прибора. Данные продукты обладают преимуществами модульного оборудования (компактный размер, быстрый обмен данными между приборами и т. п.), но не имеют уровня обновляемости, свойственного продуктам с модульным оборудованием, модульным программным обеспечением и модульной калибровкой, таким как M9393A PXIe VSA.

Заключение

Различия между модульными и настольными контрольно-измерительными приборами малозаметны, но важны. В общем случае модульные решения предпочтительны в многоприборных системах. Специализированные настольные приборы очень удобны в тех случаях, когда нужно получить наилучшие характеристики от одного прибора. Но в реальности не все так просто. В большинстве систем вы сможете добиться наилучшего сочетания цены, производительности и гибкости, объединив модульные приборы с настольными. Может оказаться, что на одном этапе разработки (например, в ходе тестирования прототипов) более удобны настольные приборы, а на других этапах (скажем, в ходе проверки системы) — модульные. Поэтому если вы изберете подход, позволяющий быстро переходить от модульных приборов к настольным, то, вероятно, сэкономите и время, и деньги.