מכשור מדידה הניתן לעיצוב תצורה

שלוש שנים לאחר פרסום מאמר זה בשנת 2010 ב”Automated Test Outlook” הציגה NI מקמ”ש אות וקטורי -VST-, מודול PXI שחולל מהפכה בתחום מכשור ה-RF ויצר רמה חדשה של מכשירים מוגדרי תוכנה הניתנים לתכנות על ידי המשתמש. בתחילה היו גורמים אחרים בתעשיה שהתייחסו אל ה-VST כאל “משהו חמוד”, וכלל לא הבינו עד כמה המשתמשים רוצים לקבוע בעצמם את הפונקציונליות של המכשירים שלהם. אך ה-VST הפך להיות מוצר החומרה המוצלח ביותר של NI עד ימינו, והוא הגדיר מחדש את עתיד המכשור. אם חברתך עדיין לא שוקלת את השימוש במכשירים מוגדרי תוכנה, אני מאוד ממליץ על כך.
-דר’ ג’ימס טרושאר

מכשירים מוגדרי תוכנה, הנקראים גם מכשירים וירטואלים, מושתתים על ארכיטקטורה מודולרית המאפשרים מידה רבה של שליטה על תצורת המכשיר. מכשירים מוגדרי תוכנה מבוססים על חומרה מודולרית לצורך הרכשה/יצירת גל אשר הפונקציונליות שלהם מאופיינת על ידי תוכנה שנקבעת על ידי המשתמש. תוכנה זו רצה על מחשב מארח מרובה-ליבות. מודל בסיסי זה הנו אידיאלי עבור רוב ישומי מדידות אוטומטיות הנמצאים בשימוש כיום, אבל טכנולוגיות חדשות ומתודולוגיות בדיקה עתידיות מעוררות צורך שגם החומרה תהיה ניתנת לעיצוב מחדש באמצעות תוכנה על מנת להשיג את הביצועים הנדרשים. בדיקת מקלטי RF מודרניים מהווה דוגמא לכך, כאשר בדיקת פעולות כגון קידוד ופענוח, אפנון, גילוי ויצירת מנות חייבות להתבצע בתוך מהלך שעון של המכשיר הנבדק. במקרה זה הארכיטקטורה מוגדרת תוכנה חייבת להיות מספיק גמישה על מנת שתוכל לשלב חומרה מוגדרת תוכנה של המשתמש. עפ”ר הדבר יעשה בעזרת FPGA אשר יאפשר להכיל את קבצי תוכנת המשתמש במכשיר הנבדק. מכשירים המתוכנתים על ידי המשתמש יוצרים ארכיטקטורה המאפשרת ל-FPGA ו/או למעבד המחשב המארח להשתמש בנתונים בזמן אמת (ראה תרשים). טכנולוגיות FPGA מאפשרות זאת היות ורכיבים אלה משלבים את התכונות הטובות ביותר של ה-ASIC עם מערכות משובצות מחשב. ברמה הגבוהה ביותר, ה-FPGA הנם פיסות סיליקון הניתנות לתכנות מחדש. על ידי שימוש בבלוקים לוגים מוכנים, ותכנות החיבורים בינהם, המתכנן יכול להטמיע ברכיבים אלה פונקציות חומרה יעודיות. המהנדסים יכולים לפתח מטלות חישוב ספרתיות בתוכנה, ולקמפל אותן לקבצי תצורה או תזרים ביטים אשר יתכנתו את ה-FPGA. בנוסף, FPGA ניתנים לתכנות מחדש ויכולים להיות מעוצבים מיידית ולקבל תצורה חדשה כאשר טוענים לתוכם קוצץ תצורה או חיווט חדש.

בנוסף על היותם ניתנים לתכנות מחדש, רכיבי FPGA מציעים מהירות ביצוע של חומרה, אמינות גבוה ודטרמיניזם גבוה. הם פועלים באופן מקבילי אמיתי, כך שתהליכים שונים אינם מתחרים על אותם משאבים. לכל תהליך עיבוד עצמאי מוגדר איזור ברכיב, וכל תהליך יכול להתבצע באופן אוטונומי, ללא כל השפעה מצידם של בלוקים לוגיים אחרים. לכן הוספת מעבדים נוספים אינה משפיעה על ביצוע חלקים אחרים של היישום.
בעוד ש-FPGA שולבו במכשירים כבר לפני יותר מעשור, הרי שרק לעיתים רחוקות ניתנה למהנדסים אפשרות להטמיע בתוכם את האלגוריתמים שלהם. על מנת ש-FPGA יהיו שימושיים בהקשר של מכשירים מוגדרי תוכנה, יש לתכנת אותם באמצעות תוכנה. במלים אחרות, יש צורך להטמיע בחומרה עצמה אפשרות לתכנות על ידי תוכנה. בעבר טכנולוגיות FPGA היו זמינות רק למהנדסים בעלי הבנה עמוקה בתוכנות לתכנון חומרה ספרתית VHDL או Verilog אשר השתמשו בתחביר ברמה נמוכה על מנת לתאר את התנהגות החומרה. לרוב מהנדסי המדידות לא היתה ההתמחות הדרושה לצורך שימוש בכלים אלה. התפתחות כלי תכן ברמה גבוהה שנתה את כללי תכנות ה-FPGA, עם הופעת טכנולוגיות חדשות אשר המירו דיאגרמות בלוקים או אפילו קודים בשפת C למעגלי חומרה ספרתיים. כלים אלו, הפועלים ברמת המערכת מפשטים את תכנות ה-FPGA ויכולים לגשר על הפער.
כמובן שיש יתרונות לביצוע תהליכי עיבוד מסוגים שונים על מעבד המחשב המארח בהשוואה ל-FPGA. למשל, באופן כללי ה-FPGA מותאם היטב לאנליזות המבוצעות inline כגון הפחתת קצת דגימה של הדקי I/0 מקצה לקצה. אפנונים מרוכבים יכולים להשיג ביצועים טובים יותר בעזרת מעבד מרובה ליבות לאור ,המספר הגדול של החישובים בנקודה צפה הנדרשים לכך. הפתרון האידיאלי לפיתוח מערכת בדיקות מוגדרת תוכנה הוא סביבת פיתוח גרפית יחידה המספקת את היכולת לחלוקת תהליכים על המחשב המארח או על ה-FPGA על מנת לראות איזה מהם יתן את הביצועים הטובים ביותר.
ארכיטקטורות חדשות מוגדרות תוכנה יכולות לענות על אתגרי היישומים שלא ניתן לפתור אותם בשיטות המסורתיות כגון הדוגמא הקודמת, אשר דרשה יכולת קבלת החלטות בזמן אמת על ידי המחשב המארח לצורך בדיקת ההתקן. במקום זאת המהנדס יכול לטעון לתוך ה-FPGA המשובץ במכשיר את מלוא המידע הדרוש על מנת לקבוע אם המכשיר עובר או נכשל בבדיקה. לעתים זו הדרך היחידה לספק את התזמון והדטרמיניזם הגבוהים הדרושים ליחידה הנבדקת. דוגמאות להתקנים שכאלה הם תגי RFID, רכיבי זיכרון, מיקרו-בקרים, ויחידות לבקרת מכונה ECU. עבור ישומים אחדים על המהנדסים לבצע תקשורת על גבי פרוטוקול – קווי או אלחוטי – דבר הדורש שכבה משמעותית של קידוד ופענוח לפני קבלת ההחלטה.

“היכולת להתאים את חומרת מכשירי המדידה עצמם מייצגת אבן דרך במסלול לקראת מערכת מדידה המוגדרת בתוכנה באופן מלא. בעוד עשר שנים אנו נתפלא כיצד היינו יכולים לתכנת מערכות בדיקה באופן יעיל ללא יכולת זו”.

מייק סנטורי, עמית עסקים וטכנולוגיות, נשיונל אינסטרומנטס

מכשירים ניתנים להגדרה מחדש ימשיכו למצוא יישומים מרכזיים נוספים ככל שמהנדסי המדידות ימשיכו לחפש דרכים יצירתיות על מנת להקטין זמני הבדיקות ואת עלויות מערכות הבדיקה. למשל, דיגיטייזר המשלב FPGA עם ממיר A/D. המהנדס יכול להטמיע ב-FPGA פונקציות כגון מסננים, גלאי שיא, FFT, או דירבון ייעודי. לא כל המידע הנוצר הוא שווה ערך, אך דיגיטייזר מבוסס FPGA יכול לקבל במהירות החלטה איזה מידע הוא בעל ערך ואיזה מידע הוא ללא חשיבות וניתן להתעלם ממנו. דבר זה יכול להקטין באופן משמעותי את זמני המדידה. מהנדסי מדידה העוסקים בציוד צבאי, ובתעשיות התעופה והחלל היו המאמצים המקדימים של מכשור מבוסס FPGA במסגרת יזמתיהם בתחום המכשור הסינתטי, אך לטכנולוגיה זו יש פוטנציאל רב בתחום התקשורת, במכשור רפואי, בתעשיית הרכב, וביישומים הקשורים למוצרי צריכה אלקטרוניים.