Производство новых осциллографов смешанных сигналов Tektronix серии 5 – взгляд из-за кулис
Автор статьи Дэйв Перелес, TektronixПо мере того, как встраиваемые системы, применяемые во всех отраслях – от автомобилестроения и авиации до бытовых приборов и интернета вещей, – становятся всё сложнее, ужесточаются и требования, предъявляемые к контрольно-измерительному оборудованию. Начнём с того, что растущее число приложений требует более четырёх входных аналоговых каналов, а интеграция цифровых каналов должна стать более глубокой. Интерфейс пользователя необходимо привести в соответствие с самой популярной в мире моделью использования – управлением касанием. И, конечно, нужно улучшать характеристики и способы визуального представления сигналов.
Дэйв Перелес (Dave Pereles), Tektronix
С первого же взгляда ясно, что представленные недавно осциллографы смешанных сигналов Tektronix серии 5 сильно отличаются от других осциллографов этого класса. Во- первых, экран занимает почти 85 % площади передней панели, тогда как у большинства осциллографов этот показатель не превышает 50 %. Следующий фактор, указывающий на то, что это не просто очередной осциллограф, – число аналоговых входов достигает восьми, тогда как у большинства осциллографов обычно бывает четыре. Если же вы включите осциллограф и соедините его с тестируемым устройством, то сразу поймёте, что это не просто усовершенствованная версия прошлогодней модели. Это совершенно новый прибор!
В ходе интенсивных исследований изменяющихся потребностей инженеров, работающих с новыми технологиями, разработчикам приборов компании Tektronix стало ясно, что для удовлетворения этих требований простым обновлением осциллографов среднего ценового диапазона (с верхней границей полосы пропускания от 350 МГц до 2 ГГц) не обойтись. Поэтому был запущен самый крупномасштабный проект за 71-летнюю историю компании Tektronix. Для проектирования нового осциллографа с нуля была создана большая группа разработчиков, в которую вошли инженеры-электронщики, программисты, специалисты по интерфейсу пользователя и промышленные дизайнеры.
В ходе разработки было создано заново буквально всё. В осциллографах серии MSO5 использованы новая специализированная ИС, новый малошумящий входной усилитель, новая аппаратная архитектура, новая программная архитектура и новый интерфейс пользователя. В осциллографе применены такие новшества, как конфигурирование входов, шесть или восемь аналоговых каналов, 15,6-дюймовый емкостной сенсорный экран, интерфейс пользователя, ориентированный на сенсорное управление, и опциональная операционная система Windows.
И хотя было бы неплохо включить в состав разработчиков журналиста, который писал бы о «душе нового осциллографа», мы ограничимся беседой с ключевыми разработчиками и узнаем о тех трудностях, с которыми им пришлось столкнуться, и о том, как они их преодолели. Здесь приведены фрагменты интервью руководителей, разработчиков и инженеров различных отделов компании Tektronix. Учтите, что ответы были подредактированы, чтобы сделать их более краткими и понятными.
Откуда пришло решение создать совершенно новую платформу?
Гари Вальдо, специалист по товарному планированию подразделения осциллографов общего назначения: "Моя работа заключается в том, чтобы в сотрудничестве с инженерами выяснить, какой функциональностью должны обладать приборы нового поколения. Я выступаю от лица потребителей и основной группы разработчиков. Мы рассматриваем новые потребности в свете того, что мы хотим получить, и чего нельзя достичь с помощью существующих продуктов и платформ. Мы поняли, что для реализации этих новых потребностей и предоставления функций, в которых нуждаются наши потребители, нужно создать новую платформу, причём такую, чтобы она была простой и интуитивно понятной.
В этой платформе всё должны быть новым, включая пользовательский интерфейс. Во всех проектах, в которых мне приходилось работать раньше, интерфейс пользователя представлял собой развитие прежнего интерфейса. Тот интерфейс, что создан сейчас, является, пожалуй, первым совершенно новым интерфейсом за последние 10-20 лет, и мы сделали это в стремлении получить как можно более простой, понятный и удобный продукт. Мы знаем, что наши потребители – люди занятые, и мы не хотим заставлять их учиться или переучиваться для работы с каждым новым прибором".
Что вы можете сказать о новой специализированной ИС?
Барт Муймэн-Бек, технологический директор: "Моя группа разработала интегральную схему, входящую в состав осциллографов серии 5, работу над которой мы начали почти четыре года назад. Мы назвали эту ИС TEK049. По сути это осциллограф на одном кристалле. Данная ИС содержит все узлы, необходимые осциллографу – АЦП, цифровой сигнальный процессор, процессор растрового изображения, блок формирования изображения, – так что её смело можно назвать сердцем проекта.
Сердцем осциллографа серии 5 является специализированная ИС TEK049. Она содержит 400 миллионов транзисторов, и её смело можно назвать “осциллографом на кристалле”. Эта микросхема содержит 400 миллионов транзисторов. Такого в Tektronix ещё никто не делал, и мы не могли обойтись без посторонней помощи. Поэтому мы обратились за помощью к партнёрам и компаниям-подрядчикам.
Управлять этой работой было весьма не просто. Мы использовали ресурсы всей планеты и работали 24 часа в сутки и подчас без выходных. Для разработки этого изделия мы старались максимально задействовать всю имеющуюся инфрастуктуру. Для распределения ответственности за изделие мы использовали его иерархическое представление. Старшие руководители заключали контракты, взаимодействуя с партнёрами и поставщиками на верхнем уровне. Затем инженеры непосредственно работали с нашими партнерами, и каждый вносил свой вклад на всех уровнях.
Микросхема TEK049 является революционной во многих аспектах. Для нас самой сложной и интересной частью была разработка прецизионных узлов кристалла. Этот АЦП действительно уникален. Такого никто и никогда не делал. Мы интегрировали в кристалл ядро сигнального процессора. Алгоритмы обработки сигнала тоже были уникальны. Мы смогли привлечь лучшие таланты, потому что, когда мы объявили об этой разработке, люди из всех уголков планеты пожелали принять участие в этом проекте. Благодаря им и нашим партнёрам мы смогли создать самую совершенную ИС".
Что такое входы FlexChannel™?
Гари Вальдо: "Цель заключалась в том, чтобы предоставить потребителю максимальную гибкость. Мы предусмотрели до восьми гибких входных каналов. Их можно настроить так, чтобы было восемь аналоговых каналов и ни одного цифрового, или семь аналоговых и восемь цифровых каналов, или шесть аналоговых каналов и шестнадцать цифровых. Уловили закономерность? В традиционном подходе к осциллографу смешанных сигналов вы получали либо шестнадцать цифровых каналов, либо ни одного, что почти наверняка не устроит потребителя"
Каждый вход FlexChannel может выступать в роли одного аналогового или восьми цифровых каналов, что даёт потребителю большую гибкость в выборе конфигурации каналов осциллографа:
1. Традиционный разъём VPI обеспечивает подключение имеющихся пробников.
2. Дополнительные контакты позволяют подключать новые цифровые пробники.
3. Каждый пробник TLP058 превращает вход FlexChannel в 8 цифровых каналов.
Стив Херринг, ведущий программист: "Отличие этого проекта от предыдущих в том, что цифровой тракт с самого начала разрабатывался параллельно с аналоговым. Теперь цифровой тракт – это не просто доработка, придуманная задним числом. Раньше мы добавляли цифровые узлы в традиционно аналоговые осциллографы. Осциллограф серии 5 изначально разрабатывался как аналоговый и цифровой с общим входным интерфейсом. Аналоговая и цифровая часть этого прибора равноправны, они используют единый входной интерфейс, единый сигнальный тракт, единое аппаратное и программное обеспечение".
С какими проблемами пришлось столкнуться при попытке вместить до восьми аналоговых и до 64 цифровых каналов туда, где раньше размещались четыре аналоговых канала?
Брайн Мантел, ведущий разработчик аппаратной части: "Для решения некоторых проблем, с которыми пришлось столкнуться в ходе разработки, мы использовали различные приборы. На самом деле мы с радостью использовали бы осциллограф серии 5 для отладки самого себя, поскольку он существенно проще в обращении. Нам удалось уместить восемь аналоговых каналов в объёме обычного осциллографа. Это было невероятно изящное решение. Пришлось упаковать огромную схему в столь малый объём – одно лишь это явилось серьёзным прорывом.
Кроме того, пришлось уделить много внимания механической конструкции, чтобы обеспечить соответствующее охлаждение. Задача охлаждения тоже оказалась весьма непростой. Кроме того, довольно сложной конструктивной проблемой было подключение всех аналоговых и цифровых каналов к специализированной ИС. Пришлось принять меры по минимизации фазовых сдвигов между каналами и устранению перекрестных помех между цифровыми и аналоговыми сигналами".
Кстати, о шумах. Как вы достигли столь малого шума входного интерфейса?
Брайн Мантел: "Подавление шумов было особо важной проблемой, поскольку мы хотели создать сверхчувствительный входной интерфейс, который позволил бы потребителю разглядеть мельчайшие подробности исследуемых сигналов.
Высокая точность измерений автоматически делала их очень чувствительными к шумам. Мы приложили много усилий, чтобы достичь очень высокого разрешения. Начали мы с разработки малошумящих схем, а потом добавили окончательные штрихи к конструкции, защитив наиболее чувствительные цепи металлическими экранами. В ходе испытаний прототипов мы израсходовали одной медной ленты почти на 300 долларов, пытаясь заэкранировать схемы так, чтобы эта конструкция была пригодна для серийного производства. В результате получилось очень хорошее малошумящее решение".
Как изменилась архитектура программного обеспечения для реализации таких функций, как входы FlexChannel и опциональная ОС Windows?
Шейн Арнольд, разработчик программной платформы: "Думаю, больше всего на архитектуру ПО повлияла технология FlexChannels. Приборы, которые нам приходилось разрабатывать раньше, имели весьма статическую конфигурацию. Здесь же число каналов, с которым приходится работать программному обеспечению, зависит от конфигурации. Гибкая настройка каналов помогает потребителю в решении его проблем, но в то же время порождает большие сложности архитектурного характера.
Впрочем, опыт создания архитектуры, способной работать с такими технологиями, как FlexChannel, очень пригодится в будущих разработках. Существуют некоторые сценарии применения, которые мы не могли реализовать раньше, но можем реализовать теперь с помощью этой новой программной архитектуры. Поскольку конструкция прибора модульная, ПО должно поддерживать эту модульность. Каждый используемый в этом приборе узел имеет связанный с ним программный компонент, а это ведёт к разработке архитектуры ПО, опирающейся на компоненты.
Реализуя этот новый кроссплатформенный подход, мы смогли создать архитектуру ПО, одинаково хорошо работающую в Windows и в других операционных системах. Впервые этот прибор позволит потребителю делать выбор между открытой системой на базе Window и закрытой системой. Некоторые из наших потребителей остро заинтересованы в закрытой системе, поскольку она устойчива к атакам вирусов и не подвержена проблемам администрирования. Это специализированная система для выполнения измерений и ничего больше. Но некоторые потребители хотят иметь открытую систему, в которую они могли бы устанавливать другие приложения и использовать Windows".
Как архитектура ПО подготавливает пользователей к будущим задачам?
Стив Херринг: "Безусловно, мы взяли самое лучшее от наших прежних приборов, и, конечно, очень многому научились за годы работы в Tektronix, однако архитектура ПО абсолютно новая и ориентирована на решение перспективных задач. Она рассчитана на автоматическое конфигурирование оборудования – "Plug&Play". Потребители смогут устанавливать новые приложения и новые функции без перезагрузки осциллографа. Кроме того, они смогут загружать и использовать их, не прерывая работы. Новая архитектура обеспечивает высокую степень гибкости. Это совсем не заплатка, которую мы пытаемся наложить на существующую платформу. Мы разработали новую платформу, на которой можно будет создавать новые приборы в течение многих лет".
С какими проблемами пришлось столкнуться, создавая новую архитектуру ПО?
Марк Смит, менеджер группы анализа по программному обеспечению: "Проблемы возникли по трём главным направлениям. Одна из них заключалась в том, что с точки зрения времени продвижения на рынок, предполагаемый объём работ был просто огромным. Другая проблема, с которой пришлось столкнуться, заключалась в том, что на определённом этапе разработки нам пришлось существенно увеличить размер рабочей группы. А это значит, что нужно было найти новых людей, обучить их работе с новой системой, дать им втянуться в работу, и только после этого они могли эффективно участвовать в проекте. Третьей проблемой были измерительные характеристики. Новые функции и возможности системы позволяли выполнять более глубокий анализ исходных данных, а обработка большого объёма данных требует большего времени. Мы хотели увеличить глубину анализа без существенного увеличения времени получения ответа. Для решения этой проблемы мы потратили массу времени на оптимизацию производительности системы".
Новый осциллограф имеет современный обтекаемый вид. Как вы этого достигли?
Стив Лафранс, дизайнер: "Я занимаюсь промышленным дизайном и дизайном интерфейса пользователя, стараясь придать нашим приборам, которые мы выпускаем последние десять лет, более современный вид. Это вынуждает нас переходить от интерфейсов с кнопочным управлением к интерфейсам, больше ориентированным на сенсорные экраны. Мы переходим от приборов с малыми экранами к приборам с большими экранами, а это заставляет переосмысливать буквально всё, что физически расположено на внешней стороне прибора. Затем, поскольку мы уходим от кнопочного управления, нам приходится менять и внутренности прибора. Так что при переходе к новой конструкции нам пришлось столкнуться с широким спектром проблем.
Чтобы найти конструкцию, удобную для потребителя, пришлось делать множество итераций. Мы прошли путь от базовых моделей до реалистичных компьютерных изображений – рендеров – и в конечном итоге создали готовые прототипы, которые можно было показывать людям. Одно дело – картинка. Вы можете взглянуть на неё, – она хороша и даже прекрасна. Совершенно другое дело, когда вы реально используете прибор, а это становится возможным, если взять реальный прототип и запустить на нём прототип ПО".
Один из первых прототипов имел по одной ручке на каждый канал, что традиционно принято в осциллографах. Однако все, кто его видел, говорили, что такая модель неудобна при числе каналов более четырёх, что привело к применению в конечном изделии мультиплексированной модели управления.
Роб Крайцер, ведущий конструктор: "Одним из факторов, который интересен людям, и инженеры должны это понимать, является отделка и внешний вид прибора. Это не так просто, как кажется. В результате прибор выглядит простым и элегантным, но на это ушло много времени и инженерных усилий.
Одна из вещей, которой я реально горжусь, – это создание прибора, который выглядел бы как произведение технического искусства. Чтобы сделать внешний вид осциллографа одной из основных его черт, нужно вложить много труда. Никто не хочет фокусироваться на внешнем виде, но когда потребитель впервые видит прибор, именно внешний вид производит на него первое впечатление. Прибор должен выглядеть техничным и современным".
А что это за история со складными ножками?
Гари Вальдо: "Для предварительного тестирования потребителями мы создали габаритный макет, точно соответствующий конечному изделию. Во время одной из проверок мы попросили потребителя взять его в руки со стола. Когда он наклонил макет вперёд, тот упал ему на пальцы. Это натолкнуло нас на мысль о том, что нужно что-то сделать с передними ножками, которые складываются при сдвиге осциллографа вперёд. В новой конструкции ножки не складываются под весом осциллографа. А если снять с них нагрузку, то их можно легко откинуть назад и убрать".
Блокирующий механизм не позволяет передним ножкам складываться при наклоне осциллографа серии 5 вперед.
Роб Крайцер: "Кстати, в ходе тех же испытаний мы узнали, что потребители хотят, чтобы ножки фиксировались в нескольких положениях. Некоторым пользователям было удобно установить осциллограф горизонтально. Другие хотели иметь стандартную откидывающуюся ножку, а третьи поднимали осциллограф достаточно высоко, и им не нравились блики экрана. Поэтому, чтобы избавиться от бликов, мы добавили заднюю ножку и сделали так, чтобы передние и задние ножки работали независимо".
Что подтолкнуло к созданию интерфейса пользователя с сенсорным управлением?
Стив Херринг: "Этот новый, c точки зрения контрольно-измерительных приборов, интерфейс действительно революционен. Разработка интерфейса пользователя является непростой задачей. Каждый представляет интерфейс по-своему и имеет по этому поводу собственное мнение. У нас есть сравнительно немного молодых потребителей, которые привыкли к смартфонам, и много старых потребителей, которые привыкли к ручкам и кнопкам на передней панели – по одному регулятору на каждый параметр. Угодить всем – это, конечно, большая проблема.
Поэтому мы нашли идеальный компромисс: мы сделали очень большой экран – легко читаемый, с высоким разрешением, – а часть передней панели с привычными кнопками и ручками для тех операций, которые люди привыкли делать с передней панели, вынесли в сторону. Можно протянуть руку и нажать кнопку или повернуть ручку, и она сделает то, что предполагается. Таким образом, мы оставили лучшее из того, к чему привыкли, и добавили новые замечательные современные функции. И всё это в одном приборе.
Главное удобство сенсорного экрана в том, что мы размещаем нужные органы управления прямо в том месте, куда смотрит глаз. Вам не нужно отрывать взгляд от экрана и смотреть в сторону на программируемую клавишу или меню. Достаточно прикоснуться к тому, на что вы смотрите, и получить то, что нужно, прямо здесь. В большинстве интерфейсов прикосновением выполняется одна, а щипком – другая операция, и мы реализовали все эти функции. Пользователям не придётся начинать с чистого листа, и потом, выключив осциллограф, вспоминать, чем это отличается от его смартфона? Мы следуем всем принятым стандартам сенсорных интерфейсов".
Что вы узнали об интерфейсе пользователя в ходе испытаний на простоту использования?
Бриджит Фишер, старший программист/ведущий специалист по интерфейсу пользователя: "Когда мы только начинали, мы обратились к сторонней консультационной компании, которая подсказывала, как располагать органы управления, и какого размера их делать, и мы следовали их рекомендациям. Затем во время первых испытаний на простоту использования мы обнаружили, что интерфейс пользователя получился совершенно нечитаемый. Люди жаловались, что ничего не видят без очков. В результате мы увеличили размер всех шрифтов, и в следующий раз никто не жаловался.
В одних испытаниях мы не позволили потребителям использовать переднюю панель, клавиатуру и мышь. Они должны были выполнять все операции с сенсорного экрана. Впервые приступив к этому проекту, мы считали сенсорный экран просто данью моде. Но в ходе испытаний было обнаружено, что потребителям на самом деле нравится его использовать. С удивлением мы узнали, что есть потребители, которые утверждают, что одной из проблем со старыми осциллографами было отсутствие места на столе для мыши и клавиатуры. Возможность работы без этих устройств высвобождает место для других вещей.
Испытания показали, что единственной вещью, которая оказалась интуитивно непонятной, был вызов меню двойным щелчком. Но стоило об этом один раз рассказать, и проблем больше не возникало. Поэтому мы прилагаем к осциллографу краткое описание всех жестов. Я была удивлена тем, насколько быстро пользователи обучались работе с интерфейсом, и выполняли операции даже до того, как мы об этом просили".
Совершенно новый интерфейс пользователя осциллографа серии 5.
Как вам удалось сделать интерфейс пользователя быстрым и отзывчивым?
Гяо Тран, менеджер по ПО и удобству его применения: "На первых этапах испытаний на простоту использования мы обнаружили, что потребители хотят подойти к сенсорному экрану и взаимодействовать с ним, как с мобильным устройством – щипая, растягивая и листая.
Мы обнаружили, что эти жесты трудно реализовать, поскольку программа работает с живыми сигналами, а не с фиксированными объектами, как на веб-странице. Это потребовало от наших инженеров творческого подхода к улучшению алгоритмов отображения сигналов, чтобы обеспечить гладкую реакцию прибора на прикосновения".
Отзывчивость сенсорного интерфейса потребовала от разработчиков
существенных усилий – это не простая задача, если имеешь дело с живыми сигналами.
Каковы ваши лучшие впечатления от этого проекта?
Шейн Арнольд: "У нас была промежуточная цель, к которой мы стремились, создавая новую систему, глубоко уходящую корнями в историю компании Tektronix. Мы назвали эту цель Зелёным червём, намекая на старые осциллографы с ЭЛТ, кривые на экране которых были окрашены в зелёный цвет. Поэтому, когда прибор впервые смог оцифровать сигнал и вывести его на экран в режиме принудительного запуска, мы назвали это Зелёным червём. И хотя это был мой день рождения, я работал в лаборатории до поздней ночи, и присутствовал в тот момент, когда появился Зелёный червь. Этот момент я никогда не забуду".
Гари Вальдо: "В ходе разработки многие потребители, дав подписку о неразглашении, смогли увидеть этот прибор, и отзывы были ошеломляющие. Им понравилось то, что мы сделали – новый промышленный дизайн, интерфейс пользователя, производительность, дополнительные каналы, концепция FlexChannels и опциональная операционная система Windows. Отзывы были восторженно положительными. Лично я особенно горжусь интерфейсом пользователя, поскольку именно я руководил его разработкой. Разработка прибора с нуля заняла много времени, но привела нас к победе".
Бриджит Фишер: "Я проектирую интерфейсы пользователя, потому что люблю делать людей счастливыми. Когда люди впервые подходят к осциллографу смешанных сигналов серии 5, они с удивлением раскрывают глаза, поскольку такого они ещё не видели, но уже буквально через минуту на их лицах появляются улыбки".
Подробнее об осциллографах серии MSO5 Tektronix:
Об авторе:
Дэйв Перелес более 25 лет занимал различные должности в сфере производства контрольно-измерительных приборов, включая разработку приложений и управление реализацией продукции. Он имеет степень бакалавра электроники Тринити-Колледжа в городе Хартфорд, штат Коннектикут, и степень магистра бизнеса Университета Сиэтла.
