前不久普源精电(RIGOL)发布了属于电子测量仪器的模块化技术,这种技术据说给行业带来了无限可能...

近期的技术发布会上,普源精电董事会秘书&首席战略官程建川先生说,普源精电触达的市场空间,要从过去的千亿走向万亿。“这种扩张是我们的战略选择和布局。”10倍SAM市场扩展对于电子测量仪器企业来说不是小数字。

不过在这次技术发布会上,普源精电宣布“RIGOL模块化技术”上阵,在我们看来却的确令其市场的10倍规模扩张成为可能。用普源精电工程师的话来说,这项技术带来了“无限可能”。同时,借助普源精电对于这项技术的讲解,我们大致也可窥见电子测量仪器的发展现在走到了哪一步。

 

“模块化技术”是什么概念...

“我们常听到客户抱怨,说为什么仪器这么大、这么重;如果有新需求,是不是要重新买,能不能做快速升级。”普源精电的工程师说,“我们自己内部同事也吐槽说,咱们的产品发布和迭代都太慢了。”

“在传统的开发模式下”...“不同的产品,类似的功能可能都需要重复开发一遍。甚至还会发生,以前踩过的坑再踩一遍的情况。”这就造成了开发、生产成本高的问题。

借鉴乐高玩具,“每个模块间,凹凸结构有清晰定义,有统一接口,方便拆装。”“同时你还会发现,不同乐高套装,内部的很多模块是同等尺寸、同等形状、可复用的。”“只针对某款产品特性相关的部分才做独立开发。”所以乐高能够快速迭代产品,提供丰富的搭建选择。

“那我们的测试测量仪器能不能用类似的方法来实现?”这其实是本次普源精电提出的RIGOL模块化技术的内核。简单来说,就是通过一系列标准规范、定义接口,构建软件平台、硬件平台;开发公用的基础软硬件模块;最终可根据需要,组合配置出不同的仪器。如此也就降低了开发和生产成本,加速了产品迭代速度。

普源精电总结RIGOL模块化技术的几个特点:灵活配置、高集成度、易于扩展、敏捷迭代、随心定制。

其中“灵活配置”的基础在于软硬件平台化、软硬件模块化。硬件平台方面,根据市场需求,对不同用途的仪表做方向规划;并且基于市场定位,”规划便携式、经济、中端、高端定位的平台“。软件平台,“需要有支持硬件平台的基本软件架构”,“同时也会根据需要,开发集成测试解决方案、分布式控制”;“对同一平台,界面UI、应用软件等,我们可以做标准化”。

有了平台支撑、规范的解耦,不同的项目“可以分头开发,却易于集成”,模块化“解决复用问题”,实现项目开发的灵活性。这个过程里,“通过软件的硬件抽象层、硬件模块的总线化,支撑硬件模块和软件模块在平台间的复用,实现灵活配置”。

高集成度”体现在两个维度:其一在于“通过芯片组技术,将很多复杂的功能电路集成到芯片内,提高集成度”;其次在模块层级,“通过先进制造工艺和制造能力来提高集成度”。有了高集成度的模块,也就有能够促成高集成度仪器的实现。“不同产品线集成相同的模块,利用相同的技术在产品内做到高集成度和紧凑的体积。”

易于扩展”也不难理解,由于模块化技术基于标准规范和总线,实现了模块间的解耦,“利用总线进行扩展,实现丰富的功能”。“基于平台,我们开发不同的模块,比如示波器模块、信号源模块、逻辑分析模块、万用表模块,基于同样的总线就能轻松搭配。”

普源精电工程师介绍说,“用户买了我们的机箱,其中包含他们需要的功能;后面有了新的需求,只需要补充板卡就行。”甚至不同总线之间,都“有定制好的、成型的总线转换模块,便于切换平台。”

敏捷迭代”主要应该是从普源精电的产品开发角度来谈的。“模块化技术支持两种形式的敏捷迭代”,一是“一个先进功能模块”可以在不同的产品形态中使用——体现的应该是不同产品间,相同模块的复用;

以及,“对于高端产品,我们定义了基础架构,只需对某个模块单点突破,就能在产品线内做垂直迭代”。普源精电工程师以示波器为例,谈到“只需要更新采样模块,就能提高示波器采样率带宽”,“实现增量式的开发和迭代”。

最后“随心定制”,在于有了丰富的“库”以后,就能根据需要做组合与定制,“选择合适的硬件平台、软件平台、硬件模块、软件模块”;与此同时模块库还在不断丰富的过程中。

 

模块化所需的技术支撑...

要达成上述RIGOL模块化技术,平台和模块的搭建并不容易,这其中有一些关键技术点和底层支撑,主要包括:先进工艺、规范标准、硬件平台、软件平台和模块技术。

先进工艺”在我们看来应该是其中最关键的部分,普源精电主要谈到了三方面的先进工艺,分别是微组装技术、厚膜工艺、薄膜工艺。

其中微组装工艺是电路制造相关的,通过精细组装,在较小尺寸内实现复杂功能——这也是电子行业不同层级向前推进的必然。工程师介绍说,普源精电的微组装工艺现在PCB板上做到了互联密度50pin/cm;达成67GHz以上频率;包括芯片倒装、引线键合、表面贴装、插装等在内封装工艺的“混合集成”;最终能够做到40W/cm²的耗散功率。

厚膜电路技术在此主要是指LTCC(低温共烧陶瓷)基板,普源精电展示用LTCC实现的滤波器组,达成带外抑制>60dB——相比传统方案提升2倍,中心频率>20GHz,体积控制在了20x20mm;对应的薄膜电路技术则是指,L/S ≤ 5/5μm的线宽线距精度,介电损耗能够做到0.0001,基于此实现110GHz高频,另外还能进行电阻、电感、电容的无源集成,进一步提高集成度。

而“标准规范”更是模块化技术的必然。普源精电参考的除了包括IVI, VISA PXI等在内的外部标准,还有自己的标准,如RGIB(RIGOL General Internal Bus)通用总线,不仅“实现了丰富的总线功能”,达成低延迟和高带宽,而且“支持内部很多特殊需要,让性能更好”。基于这些标准做模块化软件架构,层级间解耦,以及保证软件开发遵循统一架构。

硬件平台”是承载硬件模块的基础,比如说发布会现场列举的通用平台,可以插8张卡——即可选择8种不同的功能模块做集成测试解决方案。就产品市场定位,“我们针对时域、频域、仪表有不同的方向,每个方向有经济型、便携式、中端、高端的不同平台。”现场展示的示波器平台的不同采样卡选择,也因此变得很灵活。

软件平台”技术具体如上图所示。系统层实现了硬件解耦合,实现不同平台的迁移;业务模块部分做成标准调用接口,不同产品调用的“接口是一致的”,也就能够实现同类产品的垂直升级,“并支持跨平台间的共享模块”。

“产品之外,我们需要借助自动化测试引擎RIGOL Tap——这是管理多仪器的底层引擎,支持并发;基于RIGOL Tap引擎,我们开发了Ultra Sigma——用于多仪器管理,集成测试解决方案的多仪器管理是必不可少的。”另外,“基于应用场景和需求自动化运行,我们的解决方案是Ultra Sequence,基于引导来编辑命令,定义测试序列,实现功能丰富的集成测试方案。”

工程师解释道,“这还不够,和耐数双向奔赴以后,我们基于耐数的集群控制软件,用RCD(RIGOL Control Dashboard)实现大集群的控制。”总的来说,“从模块到产品,从单个仪器到多仪器,再到集群,平台软件实现了全覆盖。我们也就能更专注于模块的丰富工作了。”

最后是“公共模块技术”。所说的模块概念更宽泛,“逻辑、软件、硬件、结构都有不同的模块”,“我们定义了共享IP、共享器件、共享组件、共享模块、共享单机、共享子系统、共享系统、共享平台8个层级”。据说普源精电现在开发项目会评估是否采用现有模块,明确开发新项目以后,按照层级定义找到其所在位置,“争取一次开发、跨平台使用”。

 

几个应用领域和案例的分享

为了体现模块化技术的威力,工程师做了几个相当高大上应用领域的案例分享:遥感与通信、射电天文、量子信息、自动化测。受限于篇幅,此处无法一一展开。这里给出几个我们认为比较有代表性的例子。

先谈谈射电天文领域,普源精电总结射电天文领域的需求特点包括系统规模大、复杂度高,故而系统是分阶段建设的;生命周期长要求可升级维护;科学探索性提出灵活性需求;但实施周期短——留给子系统建设的时间很短。

“这些年来,我们设计了覆盖播放、采集、同步、处理等多种功能的模块。”模块整合、快速部署就能满足需求。此前中国复眼、中国天眼等项目,普源精电都参与了分析系统建设。有个案例是高频雷达项目,这是个全球性的雷达侦测网,用于中高纬度电离层的不规则探测。国内的三个雷达站台包括和静站、四子王旗站和龙井站。

“早在2015年,我们就参与过黑龙家佳木斯高频雷达数字分析系统的研制。当时还没有模块化技术,所有的软件系统都要全新定制,导致分析系统研制时间长达1年,而且可升级性、维护性也差。”而这次的“二期工程”,基于模块化技术,“三个月的时间就完成了首套数字样机的搭建,6个月之间完成客户提出的定制化功能。”

还有个圆环阵的案例,这是个位于四川稻城亚丁的圆环阵太阳成像射电望远镜。普源精电收到的任务同样是圆环阵的数字分析系统研制:626路接收通道的同步采样、预处理,20万通道数据存储、系统控制等。因为这套系统非常庞大,建设三步走,先后经历了不同规模的系统验证和建设工作。

“实施的时候采用模块化技术,包括播放、采样、处理、存储等,设备可灵活配置为不同通道数,匹配不同建设阶段的要求,大幅减少了因为通道数变化带来的工作量。”这套圆环阵系统已经建设完毕,据说当前普源精电正配合用户论证系统未来的升级改造方向。

对于处理性能升级,需要提升数据实时处理的带宽,提高实时成像分辨率。“因为采用了标准结构,接口也很规范,未来只需要增加处理模块就能实现处理性能升级”。另一方面,圆环阵未来要增加发射模块,这对普源精电的模块化系统而言自然也是手到擒来。

再谈一个量子测控解决方案的例子。普源精电的工程师说随过去这些年量子计算的发展,量子测控设备的要求也提高了:包括系统密度要求高、配置功能要多、部署速度要快的特点。

普源精电基于模块化设计,做出了“全球集成度领先的量子测控设备”Power Quantum,据说在4U体积下就做到了128个量子比特(Qubit)的支持,集成度远高于竞品;构建500量子比特的测控系统完全不需要像现有方案那样堆满几个机架,甚至整个机房。

配置灵活,体现在基于普通的量子比特规格和所需的通道数差异,普源精电提供5个标准的插卡式通道选择模块。另外,工程师还提到Power Quantum不再采用传统的混频测控结构,而采用全数字化的量子测控结构,直接在板卡内做频率合成,提供噪声更低的微波控制信号。

最终基于上述优势,可快速搭建不同规模的测试系统。比如面向高校实验室,所需通道数量少,但测控功能需要全面,可提供20比特含磁通测控系统;对量子计算云平台而言,相对“不需要Z轴测控”,可提供100比特测控系统;对于更大规模需求,对Power Quantum进行级联,“通道间仍有很好地同步性”,还可搭配DSG5208 Pump源...

最后再谈一个自动化测量的例子。普源精电在工业测试测量领域一直是有一席之地的,标准仪器组合后的解决方案能够覆盖很多应用。不过工程师说当需求变得更复杂、要求更快的时候,“要用模块化的方法去引领工业自动测试测量”。

工程师举了宽带射频收发组件测试台的例子,这是阵列化无线电电子系统的基础构成。“这个系统基本上把RIGOL的标准仪器都用了一遍”。与此同时“有了模块,还要用多通道的同步组件和多通道采集组件,把整个阵列拼起来”。“即便在要测的点很多的情况下,我们仍然可以做到灵活响应、快速搭建。”

这其中自然还涉及到软件能力加持,即RIGOL Control Dashboard设备集群控制软件——在前述不同领域的应用方向上,工程师也都多少提到了这个软件,据说面向差异化需求,基于平台和模块,能够快速搭建出满足用户需求的系统。RCD软件不仅作为统一入口,控制每台仪器,还用于数据管理、呈现和分析。

更多案例本文不再赘述。总的来说,“当全面拥抱模块化技术,我们能够做到的是,硬件是模块的,软件是模块且敏捷的,基于标准协议,以及先进工艺的加持。这些全部加到一起,我们带来的是无限的可能。”

程建川总结说:“今天看到的RIGOL,是RIGOL过去这些年力量积蓄的展现,而且还只展现了一部分。”模块化技术的引入令我们相信,文首提到的10倍市场规模增长的可行性。2019年普源精电确认的第三代SLOGAN是“無限可能”,“重点在于我们要去成就科技探索”,“这个‘無限可能’是给人类社会的无限可能,科技进步的无限可能,也是我们的无限可能。”

责编:Illumi
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