片上仪器 (IoC) 是电子测试设备的新兴趋势，其中设备围绕强大的实时信号处理芯片构建，通常是现场可编程门阵列 (FPGA)。 复杂的低延迟信号处理功能——以前由多个模拟和数字组件组合执行，现在可以集成在单个硅芯片上。 FPGA 数字信号处理 (DSP) 速度快、具有确定性，并且可以随着时间的推移进行升级或完全替换，这要归功于其可重新配置的功能。 IoC 将性能、多功能性和经济性完美结合，正在推动教育、研发和工业应用的广泛采用。 设备现在可以从多家制造商处获得，价格和性能水平各不相同，从 Red Pitaya 和 Digilent 等创客空间的最爱，到专业系统，例如 Liquid Instruments 的 Moku:Pro.
图 1：电子测试设备支持半导体、汽车、电信、航空航天和国防工业的技术发展。
IoC 设备的 4 个组件
IoC 设备的架构如图 2 所示。有四个重要组件：
- 可重构、功能强大的数字信号处理芯片
- 来自真实世界信号的模拟和/或数字输入
- 模拟和/或数字输出到真实世界的信号
- 网络（或类似）连接以实现数据保存、仪器配置和远程用户界面
图 2：IoC 有四个主要组件。 FPGA 或类似的信号处理芯片、模拟和/或数字输入、模拟/数字输出以及用于数据保存和用户界面控制的网络连接。
片上仪器使多功能性达到新水平
IoC 设备的一个决定性特征是多功能性。 IoC 设备将许多传统仪器集成到一个设备中，设备可以在几秒钟内在这些不同的仪器之间转换。 为此，用户向设备发送一个新的比特流，一个重新编程 FPGA 内部连接的文件。 通过这种方式，设备可以取代许多以前需要自己专用电路的仪器。 电路被在类似软件的环境中编程的算法所取代，然后在 FPGA 芯片的硬件上实现。 用 DSP 取代定制电路的一个附带好处是，设备可以取代许多仪器，但仍然非常紧凑。 例如，Moku:Go 是一款专注于教育的设备，它结合了模拟输入和输出、数字 I/O 和电源，并在一个平装书大小的设备中包含 14 个仪器。
IoC 系统中仪器的多样性取决于：
- 它与现实世界信号的模拟和数字连接，
- 设备的信号处理资源，以及
- 必要的数字信号处理算法和用户界面的开发者（或用户）实现。
上面的第 3 点纯粹与软件有关，因此 IoC 设备的功能可以在其生命周期内定期升级。 这意味着——与具有固定功能的传统设备不同，IoC 设备会随着时间的推移变得更好，通常会通过无线软件更新。 这些软件更新带来了改进的性能、新功能和新仪器。 购买 Moku:Lab 时仅包含 3 台仪器的用户现在可以访问 14 台，通过免费无线软件更新提供。 这些更新甚至可以在产品生命周期的中途解锁全新的功能（例如 Moku:Pro，包括下个月的用户可编程性和多仪器功能）。
设计输入和输出电路的一个挑战是它必须支持多种应用的超集要求。 IoC 设备对所有仪器使用相同的模拟前端，通常同时将数据分散到多个仪器中。 当支持许多用例时，输入电路（模拟前端）不能很容易地专门用于任何单个应用程序。 例如，示波器需要多个范围和阻抗设置，而频谱分析仪需要高动态范围，锁定放大器优先考虑低噪声。 然而，优化前端设计的动机更高，因为性能的任何改进都会使多种仪器和应用受益。
由于半导体行业在集成电路的密度、功耗和速度方面的快速和不懈进步，IoC 设备的信号处理能力正在迅速提高。 IoC 受益于每年为计算和网络应用提供改进芯片的数十亿美元投资。 值得注意的是这些进步所带来的成就。 五年前，第一波 IoC 设备在低端应用中勉强能与传统测试设备相提并论。 IoC 现在作为一个产品类别已经成熟，随着更大、更快和更强大的 FPGA 的显着进步，IoC 架构现在为许多应用程序提供了优于传统方法的无可争辩的优势。
为什么不直接使用电脑？
运行操作系统的计算机 CPU 无法保证信号处理算法所需的确定性时序。 问题在于操作系统需要处理许多通用任务，例如处理用户界面、检查鼠标是否移动以及通常运行后台进程的多个线程。 无法在所需级别管理任何给定任务的调度（必须每隔几纳秒接收或发送一次样本）。
当多个核心可用时，可以在一定程度上改善这种情况，这些核心可以单独专注于任务的子集，但这最大限度地减少了问题，而不是消除了问题。 例如，在 National Instruments 的 LabVIEW 软件中，用户通常以毫秒为单位指定信号处理的时间。 当使用自定义实时操作系统时，计时分辨率提高，可以以微秒为单位请求计时。 在 FPGA 中，函数可以保证在每个时钟周期运行，通常为 2-10 纳秒。 此外，它是确定性的，因此可以依赖它来保证操作以一致的时间发生。
为什么选择FPGA？
可以使用多种处理芯片在 IoC 设备中实现 DSP，那么为什么 FPGA 成为首选芯片呢？ 有几种常见类型的芯片能够进行快速信号处理，例如 CPU（中央处理器）、GPU（图形处理单元）和 ASIC（专用集成电路）。 这些芯片中的每一个都是不同优化的结果。 图 3 显示了这些芯片按照效率递增和灵活性递减的顺序排列。 从左边开始是CPU，它是灵活性之王，是通用计算的主力军。 CPU 可能正在您正在阅读这些文字的设备内部工作。 向右移动我们来到 GPU，它不太灵活但针对高吞吐量并行处理进行了优化，具有比典型 CPU 多得多的内核（可能多 100 倍）。 顾名思义，GPU 的主要用途是执行与 3D 计算机图形相关的计算。
FPGA 的并行性更高，在整个芯片上同时且独立地发生了数千个操作。 FPGA 芯片没有核心，而是有一个分布在芯片上的分布式资源网络，例如逻辑、乘法器和存储器。 这些资源之间的连接是可重新配置的。 通过重新连接资源之间的连接来修改 FPGA 处理指令。 但是修改指令比 CPU 花费的时间要长得多，CPU 在处理序列化指令时效率很高。 相反，FPGA 针对序列化数据进行了优化，其中的指令很少更改。 我喜欢将 FPGA 的资源想象成浅河床上的石头，引导水（数据）流过它们。 FPGA 天生适合并行处理，因为操作在 FPGA 结构的不同部分独立发生。 如果可以使用流水线技术，则可以并行高效地实施复杂的数字信号处理 (DSP) 链。 通过在最后一次迭代（每个时钟周期/周期发生一次）对前一阶段的输出进行操作，可以在 FPGA 的不同部分同时执行 DSP 的不同阶段。 这样，n 个信号处理阶段可以由 FPGA 的 n 个独立区域实现，每个时钟周期具有 1 个输出的高吞吐量，但具有 n 个周期的延迟。 对于 2-10 纳秒范围内的时钟周期，这种延迟的影响通常可以忽略不计，即使对于闭环反馈控制应用也是如此。
在图 3 的最右侧，我们看到了最不灵活但效率最高的处理器，即 ASIC。 回到河床类比，在 ASIC 的情况下，石头已经固定到位。 ASIC 的硅可以针对所需的精确信号处理进行高度优化，但在制造时就已固定，并且在芯片的整个生命周期内无法更改。 定制 ASIC 的设计和制造具有高昂的前期成本，因此只有在需要大批量时它们才具有成本效益。 IoC 设备非常注重效率，但需要一定程度的灵活性，因此 FPGA（图 3 中的倒数第二个芯片）受到青睐。
图3：常见的处理芯片类型按效率和灵活性排序
尽管主要信号处理通常在 FPGA 上实现，但 CPU 非常适合管理网络连接和配置功能。 因此，大多数 IoC 设备都使用同时存在 FPGA 和处理器的片上系统 (SoC) 解决方案。 这包括 Liquid Instruments 和 Red Pitaya 的所有系统以及 Digilent 的一些较新的高端产品。 人工智能应用的兴起正在推动新型信号处理芯片的开发。 随着“无晶圆厂”芯片设计公司的增加，再加上像台积电这样的专用半导体代工公司，我们看到了硅芯片设计的复兴，而 IoC 设备将如何从这些发展中受益将会很有趣。
可重新配置的硬件值得一个可重新配置的用户界面
用户与 IoC 设备的交互也不同于独立测试设备。 在传统的测试设备“盒子”中，用户界面是带有内置屏幕的前面板按钮网格。 IoC 设备往往没有前面板按钮，因为所需的控件会根据正在运行的仪器而变化。 一个意想不到的结果是大多数设备都没有内置屏幕。 如果需要单独的计算系统进行控制，那么这个屏幕也可以提供整个用户界面，通常具有出色的可用性。
通过使用现成的计算机或平板电脑而不是定制的集成屏幕，IoC 用户拥有广泛的选择。 IoC 设备倾向于支持计算机行业通信标准——以太网、Wi-Fi 和 USB，而不是更小众的测试和测量标准。 您可能不会将 RS232 或 GPIB 视为与 IoC 设备通信的首选方式。
图 4：示波器、任意波形发生器、相位计和 PID 控制器仪器的 Moku 用户界面示例。
Liquid Instruments 推出时 Moku:Lab 几年前，我们借此机会重新思考了整个用户体验。 我们经常在大型（光学）实验室工作，并且想要一个与硬件分离的 UI，这样我们就可以在实验室四处走动调整东西时随身携带它。 平板电脑是一个很好的外形。 我们没有将传统的测试设备用户界面移植到平板电脑上，而是着手将最好的现代用户界面设计引入测试设备。
这个决定带来了许多好处。 由于许多年轻用户是在智能手机上长大的，并且立即知道如何使用东西，因此培训减少了。 我们观察到，触摸屏激发了新用户的探索意识，而不必担心他们会“破坏某些东西”，而许多人在使用物理旋钮和按钮时会感觉到这种感觉。 界面在不同仪器之间是一致的，使学习和记住如何使用平台上的所有仪器变得更容易。
通过使用主流的现代操作系统，可以自动访问诸如云存储（例如 Dropbox、Google Drive 等）之类的东西，而无需用户仅为他们的测试设备注册自定义云存储服务。 最后，因为我们自己也是用户，所以我们努力让它变得快速、美观并且通常使用起来令人愉快。
IoC 的未来：下一步是什么？
我们今天所看到的只是 IoC 的开始，并且在底层技术和作为平台的 IoC 设备的改进方面都在快速变化。 随着 FPGA 的并行处理资源不断增加，我们可以添加更多功能、改进规格并构建功能更强大的仪器。 第一波 IoC 设备取代了单一的独立仪器，如示波器或任意波形发生器。 有了更强大的芯片，片上仪器设备将开始取代整个测试设备系统。 无需购买 PXI 机箱和多个硬件模块，系统如 Moku:Pro 可用于运行多个可热插拔的软件模块。
一些优势是显而易见的。 凌晨 2 点，您在实验室中，试图在截止日期前获取数据，但您丢失了一个关键的测试设备。 您现在只需下载它并在几分钟内运行它，而不是订购新硬件并等待数周才能交付。 其他优势可能不太明显，但可能更具影响力。 例如，在 PXI 系统中，模块通常通过使用电缆连接前面板输入和输出或使用 PXI 背板进行通信，有时通过使用直接内存访问 (DMA) 通道的中间处理器进行通信。 这种传输方法对硬件模块之间数据传输的速度、延迟和确定性有严格的限制。 或者，使用电缆连接模拟信号会降低信噪比 (SNR)，因为信号从数字转换为模拟并再次转换回来。 使用支持多仪器的 IoC 系统，信号可以在仪器之间传递，而无需离开 FPGA 芯片。 这提供了具有超低延迟的高数据速率，并且不会降低 SNR。 一些 PXI 硬件模块需要花费数千美元的外部时钟/同步模块来将它们的时基与其他模块同步。 在所有模块都在同一时钟域内的同一芯片上运行的 IoC 设备上并非如此。 从下个月开始，可以配置具有多仪器功能的 Moku:Pro 来替换整个测试系统。 当然，该测试系统配置可以在几秒钟内切换为不同的测试配置，现在可以替换多个测试系统。 我们认为多仪器将改变具有复杂测试需求的人们的游戏规则。
我们还对下个月将与多仪器一起为 Moku:Pro 发布的第二个主要功能感到兴奋：用户可以访问对 FPGA 进行编程。 这将允许专家用户进行最终的定制。 用户将能够执行任何操作，从实施简单的自定义测量到构建全新的精密仪器。 构建一个完整的仪器是一项复杂的任务，而且对于胆小的人来说并不容易，但是 Moku:Pro 中的 FPGA 很大（它是一个 Zynq UltraSCALE+ ZU9EG，拥有超过 600,000 个逻辑单元和 2,520 个 DSP 片！）所以希望用完资源不会有问题。 更好的是，用户的自定义 FPGA 创作将在多仪器模式下运行，这意味着您可以将其连接到我们现有的仪器以提供用户界面并轻松保存数据。
IoC：测试设备的计算机
计算机已经彻底改变了现代生活的许多方面，以至于很难找到不能解决处理需求的应用程序。 过去，人们用打字机写字，用计算器计算东西。 然后出现了计算机并改变了一切。 它可以帮助我们写信，它可以计算东西，但它可以做的事情比我们在发明它们时做梦都想不到的要多得多。 计算机并没有像其他行业那样征服测试和测量，或者至少没有提供完整的解决方案。 我们相信，通过 IoC，我们已经找到了测试和测量行业计算机的秘诀。
详细了解 Liquid Instrument 在 IOC 技术方面的最新进展， Moku:Pro.
