随着项目推进，测试需求很少保持不变。工程师经常被迫扩展或重新配置现有系统，添加新的仪器、PXI 模块或升级许可证。在许多情况下，团队最终会为了少数关键功能而购买高端仪器，而系统的大部分功能却被闲置。这导致系统复杂性增加、集成时间延长以及成本上升。
基于 FPGA 的仪器开发提供了一条不同的路径。FPGA 使工程师能够在硬件层面定制仪器的行为，从而能够构建真正所需的功能，而无需为不必要的功能买单。过去，FPGA 开发需要大量的专业知识和成本，限制了其普及性，但随着 Moku Compile 等用户友好型平台的出现，这一门槛正在迅速降低。本文将介绍基于 FPGA 的测试环境定制的五大优势，以及这种方法的经济性和普及性正在发生的变化。
图 1：使用 Moku Compile 对 Moku:Delta 内部的 FPGA 进行编程。
#1：实时处理和确定性时序
在基于软件的测试环境中，时序最终由主机控制——受操作系统调度、中断处理和接口延迟的影响。这使得真正确定性的时序难以实现，并限制了系统对实时信号的响应速度。
基于 FPGA 的平台通过在硬件中直接运行测量和控制逻辑，消除了这种依赖性。由于没有软件层参与、没有接口往返、也没有处理开销，时序关系完全由时钟周期决定。
这使得以下操作成为可能：
- 高级触发：基于多个信号或复杂逻辑创建自定义触发条件，决策路径中无软件延迟。
- 多通道同步：在通道和仪器之间保持相位一致的信号生成和采集，无需校准消除仪器间的偏差。
- 闭环控制：直接在硬件中运行控制算法，延迟极低。
图 2：多个软件定义仪器，包括定制仪器，全部位于同一个 FPGA 上。
最终得到的系统能够在单一的确定性环境中实时进行采集、处理和生成。
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#2：在线数字信号处理
传统的测试方案依赖于仪器和软件处理相结合的方式。数据需要采集、传输，然后再进行外部处理，这会导致延迟、测量中断和吞吐量受限。基于FPGA的平台通过在硬件中直接进行连续的在线信号处理，消除了这一瓶颈，避免了数据传输中断和延迟。
图 3：将 DSP 集成到机架中可以减少机架中的仪器数量，并减少信号分析所需的后处理。
这使得：
- 无缝处理：连续、实时分析，不遗漏任何事件。
- 高速执行：DSP 算法以硬件速度运行，不受软件或数据传输开销的限制。
- 在线测量加速：在采集信号时立即进行处理，而不是进行后处理。
由于所有操作都在与测量仪器相同的FPGA内部完成，因此无需将结果传输到外部处理器。这样就不会因接口或软件层而引入延迟，从而避免了采集和分析之间的延迟。
#3：通过可重构硬件实现快速原型制作
在进行新设计或实验的原型设计时，工程师和科学家常常面临两难境地。专用仪器功能强大，但成本高昂；而通用FPGA开发板虽然更灵活，但实现自定义逻辑需要HDL专业知识、复杂的工具链，以及在调试、时序收敛和硬件接口等方面投入大量精力。
可重构仪器通过处理底层FPGA基础设施（例如硬件接口、时钟管理和时序收敛）提供了第三条路径。它使工程师能够精确实现所需功能，而无需额外开销。原本可能需要购置昂贵仪器才能实现的自定义信号处理流水线、控制回路和测量逻辑，现在可以在数小时内完成构建、验证和迭代，从而在算法开发和实际测试之间建立更紧密的反馈回路。
- 快速原型开发：在 FPGA 等硬件上快速测试和改进新算法。
- 迭代部署：设计、测量和验证之间紧密的反馈循环。
- 适应性：随着需求的变化更新测试设置，无需更换硬件。
这使得实验速度更快、验证速度更快、开发周期更短，而且无需像传统用户可编程 FPGA 那样进行硬件抽象、时序控制和底层 FPGA 编程的复杂性。
第四点：通过嵌入式仪器实现机架整合
传统的测试装置由多个独立的仪器组成，包括示波器、频谱分析仪、波形发生器和控制器，每个仪器都有自己的接口、电缆和配置。
多功能仪器平台已经取代了工作台上的多个仪器。基于FPGA的定制化更进一步，在内置仪器所在的同一平台上添加了定制的DSP和控制逻辑。
图 4：通过部分 FPGA 重新配置，多个仪器同时运行。
实际上，这意味着定制的DSP模块可以位于同一设备上的示波器和波形发生器之间，无需电缆、无需主机参与回路，也无需单独的时钟域。其优点包括：
- 集成调试和评估：使用内置工具在自定义处理过程中观察和验证信号。
- 机架整合：减少机箱和线缆，实现更可靠的设置，从而减少出错、时序问题和信号丢失的可能性。
- 简化集成：无需同步和校准过多的设备，从而降低运营成本。
扰乱校准平面
在验证和生产测试过程中，工程师会在设置中对电缆和适配器进行补偿。当更换电缆或移动被测设备 (DUT) 时，这种校准平面会被破坏，需要重新校准。
借助像 Moku 这样的集成平台，仪器和信号路径可以通过软件重新配置。这减少了修改物理连接的需要，有助于保持校准状态，并在测试条件发生变化时最大限度地减少设置更改。
#5：更低的总体拥有成本
虽然单个仪器单独来看似乎经济实惠，但传统的系统配置会随着时间的推移积累隐性成本。这些成本包括多次硬件购置、软件许可和升级、年度校准费用，以及备用设备和配件的需求。
通过将各种仪器整合到一个基于 FPGA 的单一平台中，并减少集成和维护开销，总成本会随着时间的推移而显著降低。
随着需求不断变化，无需购买额外硬件，即可通过可编程FPGA添加新功能。平台整合和复用程度越高，投资回报率就越高。
结语
基于 FPGA 的定制化不再局限于专业的硬件团队。随着 Moku Compile 等更易于使用的工具的出现，对于需要灵活、高性能且不增加复杂性的测试系统的工程师而言，它正成为一种易于上手且可扩展的方法。基于 FPGA 的仪器化使工程师能够根据问题来选择系统，而不是反过来。
Moku Compile 它消除了以往使这种方法对非FPGA专家来说不切实际的大部分因素。而且很快， 生成式仪器 它将允许工程师用自然语言描述测量结果，并从中生成可用的 Moku 仪器——进一步缩短从需求到部署的路径。