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作者：Dave Pereles，泰克科技公司 第一眼就可以看出，泰克最新推出的5系混合信號示波器（MSO）與其他示波器有著(zhù)明顯差別。首先，臉大更有面兒了，屏幕占前面板的85%，而大多數示波器中屏幕只占大約50%。第二，端口多更能容了，就是模擬輸入的數量，最多有8個(gè)模擬輸入，而大多數示波器一般只有4個(gè)。待到示波器開(kāi)機并連接被測器件測試時(shí)，你會(huì )發(fā)現這不是去年示波器的改良版，而是一個(gè)全新的端到端重新設計。從汽車(chē)、飛機到家用電器，再到物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域中，所有設備中的嵌入式系統正變得越來(lái)越復雜，對測試測量設備的需求也變得越來(lái)越高。一方面，越來(lái)越多的應用需要四個(gè)以上的模擬輸入通道，而數字通道的集成度也需要更高。用戶(hù)界面也必需更新，以適應世界上最流行的使用模式，亦即觸控模式。當然，還必需提升性能和信號查看能力。 基于對現代技術(shù)工程師不斷變化的需求的廣泛研究，泰克產(chǎn)品規劃師明確感受到，滿(mǎn)足這些不斷變化的預期需要的不僅僅是升級到中檔示波器系列 (350 MHz~2 GHz帶寬之間)。因此，我們進(jìn)行了泰克71年歷史中最重大的開(kāi)發(fā)工作，我們組建了一支龐大的項目組，包括電子工程師、軟件開(kāi)發(fā)人員、用戶(hù)界面專(zhuān)家和工業(yè)設計師，以便重新定義和重新設計示波器。 在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們進(jìn)行了全面更新。5系列MSO采用全新ASIC、噪聲更低的全新前端放大器、全新硬件結構、全新軟件結構和全新用戶(hù)界面。全新5系混合信號示波器擁有大量的行業(yè)第一，包括可以重新配置的示波器輸入、具有6條或8條模擬輸入通道兩種型號、15.6英寸容性觸控顯示器，從一開(kāi)始就為觸控專(zhuān)門(mén)設計的用戶(hù)界面、選配Windows操作系統。 如果在設計項目組中安插了一名記者，來(lái)寫(xiě)一寫(xiě)“新示波器的靈魂”，那肯定很有意思。在這里，我們采訪(fǎng)了設計項目組中的多個(gè)關(guān)鍵成員，讓他們來(lái)談?wù)勛约好媾R的挑戰，以及他們是怎樣克服這些挑戰的。下面就是對泰克中端示波器主要負責人及設計師和工程師的問(wèn)答訪(fǎng)談，其中涉及了泰克多個(gè)部門(mén)。為清楚起見(jiàn)，同時(shí)也考慮到篇幅，我們對他們的回答做了簡(jiǎn)單編輯。 開(kāi)發(fā)全新平臺的原因是什么？ 中端示波器部門(mén)產(chǎn)品規劃師Gary Waldo: 我的工作是與工程人員一起，規劃下一代產(chǎn)品需要完成哪些工作。我代表著(zhù)客戶(hù)和核心團隊雙方的聲音。市場(chǎng)上出現了一些新的應用需求，我們要能夠滿(mǎn)足當前產(chǎn)品和平臺所滿(mǎn)足不了的需求。我們知道，我們必須開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的平臺，來(lái)實(shí)現這些新型功能，實(shí)現產(chǎn)品現代化，提供客戶(hù)當前正在尋找的功能，操作起來(lái)要簡(jiǎn)單直觀(guān)。為了滿(mǎn)足各種客戶(hù)需求，開(kāi)發(fā)新平臺是必須的。 與這個(gè)平臺有關(guān)的一切都是全新的，包括用戶(hù)界面。我過(guò)去開(kāi)發(fā)的許多程序中，用戶(hù)界面一直都是以前的用戶(hù)界面演變而來(lái)的。這可能是十幾年來(lái)第一個(gè)全新的用戶(hù)界面，我們之所以這樣做，是因為我們希望讓客戶(hù)百尺竿頭、更進(jìn)一步，讓我們的產(chǎn)品變得盡可能簡(jiǎn)單、直觀(guān)、易用。我們知道客戶(hù)很忙，我們不想他們擔心每次使用儀器時(shí)都要學(xué)習或再學(xué)習儀器的使用方法。 請介紹一下新型ASIC。 技術(shù)總監Bart Mooyman-Beck: 我的團隊開(kāi)發(fā)了5系列MSO中的芯片，我們四年前就開(kāi)始了設計。我們把這款芯片稱(chēng)為T(mén)EK049。它基本上是一臺芯片上的示波器，它擁有示波器要求的所有功能：ADC、數字信號處理、光柵化器、顯示格式化，這是設計的核心。 
TEK049 ASIC是5系列示波器的核心。它擁有4億個(gè)晶體管，就是一臺“芯片上的示波器”。 這一設計有4億個(gè)晶體管。這是泰克以前沒(méi)有做過(guò)的設計，我們不能完全獨立完成。因此我們召集合作伙伴和外包公司來(lái)幫忙。開(kāi)發(fā)工作的管理是一個(gè)相當大的挑戰。我們動(dòng)用了世界各地的資源，一天24小時(shí)運轉，有的時(shí)候一周七天不休息。我們竭盡全力，利用我們擁有的整個(gè)基礎設施，來(lái)開(kāi)發(fā)這一產(chǎn)品。我們對芯片開(kāi)發(fā)工作層層負責，高級總監寫(xiě)合同，與合作伙伴和供應商進(jìn)行高層次互動(dòng)，然后工程師處理與合作伙伴的日�；顒�(dòng)，每個(gè)人各司其職，最后才成功地開(kāi)發(fā)出這一產(chǎn)品。
這張內部海報突出了最新TEK049的主要功能，表明這是一個(gè)“全CMOS前端采集芯片”。 TEK049在許多方面都實(shí)現了突破。對我們來(lái)說(shuō)，最具挑戰性、也是最激動(dòng)人心的，是開(kāi)發(fā)芯片的高保真部分。ADC是獨一無(wú)二的，以前是空白。我們把DSP引擎集成到芯片中。算法設計也是獨一無(wú)二的。我們能夠吸引頂級人才，因為我們在走訪(fǎng)世界上開(kāi)發(fā)這一產(chǎn)品的各個(gè)地區時(shí)，世界各地的人都會(huì )說(shuō)我們想成為這一解決方案的一份子。有了這群人及我們的合作伙伴，我們才能開(kāi)發(fā)出世界上保真度最高的芯片。 FlexChannel輸入有什么幕后故事？ Gary Waldo: 我們的目標是為客戶(hù)提供靈活性。我們提供多達8個(gè)Flex通道輸入。它可以配置成8條模擬通道和0條數字通道，也可以配置成7條模擬通道和8條數字通道，還可以配置成6條模擬通道和16條數字通道。你看這里的模式。在傳統MSO中，你要么得到16條數字通道，要么一條沒(méi)有，為客戶(hù)提供的通道數量幾乎總是不對的。
FlexChannel輸入可以是一條模擬通道，也可以是8條數字通道，其設計目標是讓客戶(hù)根據自己的需求，更靈活地確定適當的示波器通道配置。 軟件項目負責人Steve Herring: 這一產(chǎn)品的差別在于，數字通道從一開(kāi)始時(shí)就是和模擬一起設計的。數字通道現在不再是事后考慮的東西。以前，我們是在傳統模擬示波器上增加數字通道。5系列混合信號示波器（MSO）從一開(kāi)始就在一個(gè)前端中同時(shí)支持模擬和數字。模擬和數字在這個(gè)產(chǎn)品中是同等的，同一個(gè)前端，同一條信號路徑，同一個(gè)硬件，而且是同一套軟件。 在與四條模擬通道相同的空間中放進(jìn)最多8條模擬通道及最多64條數字通道，你們面臨著(zhù)哪些挑戰？ 硬件設計主管Brian Mantel: 為調試我們遇到的某些問(wèn)題，我們使用了某些其他產(chǎn)品。事實(shí)上，我們希望我們要用5系列調試它自己，因為它使用起來(lái)簡(jiǎn)便得多。我們想盡辦法，把8條模擬通道放到與現有產(chǎn)品類(lèi)似的外形中。它是一種真正驚人的設計成就，在這么小的區域中封裝了這么多的電路，僅此一項就是巨大的挑戰。另外，這里面涉及大量的機械設計，以確保我們能夠穩妥地冷卻所有部件。冷卻也是一個(gè)大的挑戰。 嘗試將所有模擬通道和數字通道布線(xiàn)到ASIC也是一個(gè)設計挑戰。我們必須采取謹慎的措施，確保所有定時(shí)是準確的，我們的模擬信號中沒(méi)有任何數字噪聲串擾。 說(shuō)到噪聲，您怎樣在前端上實(shí)現低噪聲？ Brian Mantel: 消除系統噪聲是一個(gè)特別的挑戰，因為我們的前端異常靈敏，以便客戶(hù)能夠詳細查看信號。他們必需獲得很高的測量精度，所以也特別容易產(chǎn)生噪聲。我們做了大量的工作，確保這是一臺超高分辨率儀器。 我們先確保采用低噪聲設計，而后必須處理所有機械屏蔽。在我們制作設計原型時(shí)，我用了大約300美元的銅帶來(lái)完成屏蔽，確保制造的產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題。我們最終實(shí)現了非常好的低噪聲設計。
設計項目組用了大約300美元的銅帶，才設計出前端輸入的機械屏蔽解決方案。 軟件結構有怎樣的變化，來(lái)適應FlexChannel輸入和選配Windows等功能? 軟件架構師Shane Arnold: FlexChannels可能對軟件結構的影響最大。我們以前開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在配置上都是靜態(tài)的，而現在，軟件管理的通道數量取決于配置。能夠配置通用通道既是一個(gè)機遇，可以幫助客戶(hù)解決問(wèn)題；也是一個(gè)巨大的挑戰，因為我們必須解決結構上的問(wèn)題。 這對未來(lái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有很多好處，由于這種結構，我們可以處理FlexChannels等功能。有一些應用我們以前滿(mǎn)足不了，而有了這種新的軟件結構，我們現在能夠滿(mǎn)足了。由于儀器中有各種模塊化器件，因此軟件本身必需體現這種模塊化特點(diǎn)。這一產(chǎn)品中內嵌的每一臺不同設備都有一個(gè)相關(guān)的軟件組件，因此我們能夠開(kāi)發(fā)基于組件的軟件結構。 通過(guò)實(shí)現這種新的跨平臺代碼庫，我們可以搭建一種能夠在Windows和其他操作系統上同樣很好運行的軟件結構。這種產(chǎn)品第一次允許客戶(hù)選擇是開(kāi)放的系統（基于Windows）還是專(zhuān)用的系統。我們的部分客戶(hù)對專(zhuān)用系統產(chǎn)品情有獨鐘，因為它們不會(huì )感染病毒，沒(méi)有管理問(wèn)題和管理開(kāi)銷(xiāo)。它是專(zhuān)門(mén)構建的系統，只用來(lái)做測量。但有些客戶(hù)希望采用開(kāi)放的系統，這樣就可以安裝其他應用，使用Windows。 這種軟件結構是否能讓用戶(hù)面向未來(lái)做好準備? Steve Herring: 當然，我們融匯了我們傳統產(chǎn)品中的最好經(jīng)驗，當然泰克從業(yè)以來(lái)學(xué)到了許多東西，但軟件結構是全新的，是面向未來(lái)設計的。它設計成即插即用�？蛻�(hù)將能夠在不重啟示波器的情況下，加載新應用和新功能。他們能夠在運行時(shí)加載和使用這些應用和功能。這不是后加的東西，不是在現有的平臺上打補丁，我們設計的是一個(gè)未來(lái)幾年內都能使用的平臺。 在搭建新的軟件結構時(shí)，你們面臨哪些挑戰? 分析項目組軟件經(jīng)理Mark Smith：挑戰涉及三個(gè)主要領(lǐng)域。一是從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期角度看，我們要在規定的時(shí)間內完成這么龐大的工作相當有挑戰。另一個(gè)挑戰是我們進(jìn)入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的某個(gè)階段時(shí)，項目組規模明顯擴大。這是一個(gè)挑戰，因為有了新人，他們要接受新系統的教育，要提升他們的素質(zhì)，要讓他們能夠做出卓有成效的貢獻。第三個(gè)挑戰是測量性能。系統內部的新特性和新功能之一，是我們要深入分析數據集，因此如果您想處理更多的數據，您就要用更多的時(shí)間。我們想提供更高的分析保真度，而不會(huì )明顯改變獲得信息的時(shí)間。我們用了大量的時(shí)間優(yōu)化系統性能，以實(shí)現這一目標。 新型示波器擁有流線(xiàn)型時(shí)尚外觀(guān)，這是怎么做到的？ 視覺(jué)設計師Steve Lafrance: 我參與了工業(yè)設計和用戶(hù)界面設計，要把我們當前的產(chǎn)品，也就是過(guò)去十年中一直使用的產(chǎn)品，提升為外觀(guān)更加時(shí)尚的產(chǎn)品。這要求一種模式轉換，從按鈕導向轉向觸摸屏導向。我們正從小屏幕產(chǎn)品轉向大屏幕產(chǎn)品，這要求重新思考我們擁有的一切，包括產(chǎn)品的物理外觀(guān)。然后，由于我們正從按鈕導向轉出來(lái)，這也要求改變產(chǎn)品內部。因此變動(dòng)是全方位的。在設計方面，我們面臨著(zhù)相當多的挑戰。 為了確定哪些東西對客戶(hù)有意義，我們反復進(jìn)行了大量的設計。我們從核心模型到實(shí)際全面繪圖，最終制作出展現在人們面前的完整原型。它是一張圖時(shí)是一回事，看上去可能非常漂亮，非常好。而實(shí)際使用時(shí)則完全是另一回事；而拿到原型，在原型中置入軟件時(shí)，又會(huì )有所不同。
這是一臺早期原型，每條通道有一個(gè)旋鈕，因為這一直是示波器的傳統。但是，每個(gè)人看了以后都說(shuō)這種模型在4條以上通道時(shí)是不可行的，因此在最終產(chǎn)品上我們采用了復用控制模式。 機械工程主管Rob Kreitzer: 人們一直愿意了解、其他工程師特別喜歡的，是產(chǎn)品的外觀(guān)，因為這可以給好的產(chǎn)品錦上添花。而這一塊需要付出大量的努力。最終它看上去簡(jiǎn)單優(yōu)雅，實(shí)際上要耗費大量的時(shí)間、精力和工程設計工作。 我非常驕傲的一點(diǎn)，是我們確立了一個(gè)愿景，那就是創(chuàng )造一個(gè)看上去像是技術(shù)藝術(shù)品的產(chǎn)品。把外觀(guān)視為示波器的其中一個(gè)特色，是需要做大量的工作的。沒(méi)有人想一開(kāi)始就把重點(diǎn)放在外觀(guān)上，但客戶(hù)看到它的第一印象確實(shí)會(huì )產(chǎn)生影響。我們需要使它看上去時(shí)尚、科技感。 可折疊支腳有什么故事? Gary Waldo: 在開(kāi)發(fā)這款儀器的工業(yè)設計時(shí)，我們進(jìn)行了幾輪客戶(hù)測試，我們仿制了一個(gè)模型，重量和最終產(chǎn)品差不多。我們請了一名客戶(hù)來(lái)進(jìn)行物理評測。在這個(gè)客戶(hù)往前傾斜著(zhù)放原型機時(shí)，原型機前支腳塌掉了。正因如此，我們必須采取措施，保證示波器前傾時(shí)前腳不會(huì )塌。在新的設計中，當支腳承重時(shí)，支腳是不會(huì )塌掉。一旦支腳不再承重，您可以簡(jiǎn)便地把支腳向回翻并拿開(kāi)。
在5系列MSO向前傾斜時(shí)，鎖定機制可以防止前腳塌掉。 Rob Kreitzer: 在處理支腳的過(guò)程中，我們發(fā)現客戶(hù)希望有多個(gè)支腳位置。有些用戶(hù)希望平著(zhù)使用示波器，有些想要標準翻轉支腳，有些則需要把示波器放在工作臺高處，不希望屏幕晃眼。所以我們增加了一個(gè)后腳，可以消除屏幕晃眼，這樣前腳后腳各有一個(gè)，可以獨立工作。 為什么你們決定開(kāi)發(fā)觸控用戶(hù)界面？ Steve Herring: 從測試測量行業(yè)角度看，這種新的用戶(hù)界面是顛覆式的。用戶(hù)界面設計是一個(gè)挑戰。每個(gè)人對用戶(hù)界面及其應該怎樣工作都有自己的看法。我們有很多相對較新的客戶(hù)，這些年輕客戶(hù)已經(jīng)習慣了使用智能手機，我們也有大量的歲數大一點(diǎn)兒的客戶(hù)，他們習慣了前面板按鈕和旋鈕，每個(gè)控制功能有一個(gè)旋鈕。當然，能夠滿(mǎn)足每個(gè)人的需求是一個(gè)巨大的挑戰。 我們一直陷于兩難的境地：我們已經(jīng)得到新的超大屏幕，讀起來(lái)很容易，分辨率高，但有一部分前面板放到了側面，如人們熟悉的按鈕和旋鈕，而人們已經(jīng)習慣在前面板中使用這些按鈕和旋鈕。他們伸出手，按下按鈕或輕觸旋鈕，和預期方式一樣。我們保留了我們已經(jīng)習慣了的最好的東西，再融入當今現代儀器的優(yōu)秀特點(diǎn)。我們在一個(gè)產(chǎn)品中實(shí)現了魚(yú)和熊掌兼得。 在觸摸屏界面中，我們有一個(gè)特色是把用戶(hù)需要用的東西就放在他們眼睛看得見(jiàn)的地方，他們正在尋找的地方。他們不用把眼睛離開(kāi)屏幕，去別的地方找一個(gè)軟鍵或一個(gè)菜單。他們只需輕觸看到的東西，就會(huì )在那兒得到所需的結果。對大多數界面來(lái)說(shuō)，輕觸完成這個(gè)，縮放完成那個(gè)，我們仿真了所有這些手勢。用戶(hù)不必從頭開(kāi)始，下次回來(lái)時(shí)還要等，還要想這和智能手機操作有什么差別。我們遵循了觸控界面的所有設計標準。 在易用性測試中，你們對用戶(hù)界面有哪些心得？ 高級軟件工程師/用戶(hù)界面主管Bridget Fisher：剛開(kāi)始時(shí)，我們有一家外部顧問(wèn)公司，為我們提供創(chuàng )意，告訴我們應該怎樣布局，并推薦了字號，我們采納了這個(gè)方案，使用了這些信息。在我們第一次進(jìn)行易用性測試中，我們發(fā)現沒(méi)有人能讀得了用戶(hù)界面。人們進(jìn)來(lái)后說(shuō)，我沒(méi)帶眼鏡。根據這些反饋，我們加大了所有項目的字號，第二次再測試時(shí)，再也沒(méi)有人投訴了。 我們有一項易用性測試，不允許客戶(hù)使用前面板、鍵盤(pán)或鼠標。他們必須使用觸摸屏完成一切。在我們剛啟動(dòng)這個(gè)項目時(shí)，似乎觸摸屏只是一種點(diǎn)綴，我們之所加觸摸屏，只是人們覺(jué)得應該加。但在我們的測試中，我們發(fā)現客戶(hù)實(shí)際上很喜歡使用觸摸屏。我驚奇地發(fā)現，有的客戶(hù)說(shuō)，在使用我們以前的示波器時(shí)，他們沒(méi)有地方放鍵盤(pán)或鼠標。而觸摸屏釋放出了工作臺空間，可以放其他東西。 在我們的用戶(hù)測試中，唯一對用戶(hù)不直觀(guān)的，因為他們以前沒(méi)有體驗過(guò)，是要雙擊才能啟動(dòng)配置菜單。但我們第一次告訴用戶(hù)之后，他們后面就不再是問(wèn)題。正因如此，我們就所有手勢提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的教程。我非常驚訝地發(fā)現，他們很快就學(xué)會(huì )了用戶(hù)界面，甚至有的地方無(wú)師自通。
5系列MSO采用全新的用戶(hù)界面。 你們是怎樣使用戶(hù)界面速度快、反應快的？ 軟件和用戶(hù)體驗經(jīng)理Giao Tran：在早期易用性測試過(guò)程中，我們發(fā)現客戶(hù)希望使用觸摸屏，像移動(dòng)設備一樣操作，支持縮放、滑動(dòng)等手勢。我們發(fā)現，這些手勢實(shí)現起來(lái)極具挑戰性，因為軟件是在實(shí)時(shí)信號上運行的，而不是網(wǎng)頁(yè)上的固定對象。這要求我們的工程師發(fā)揮創(chuàng )造性，改善波形顯示算法，確保儀器在觸控中平穩運行。
我們特別注意使觸控界面反應迅速，在處理實(shí)時(shí)信號時(shí)，這可不容易。 這個(gè)項目給你們的最佳體驗是什么？ Shane Arnold: 我們進(jìn)入了一個(gè)里程碑，我們推出了一種全新系統，而這又是泰克公司擁有悠久歷史的產(chǎn)品。我們把這個(gè)里程碑稱(chēng)為Green Worm（綠蟲(chóng)），它參照了基于CRT的老式示波器，屏幕上的軌跡是綠色的。因此，這臺儀器第一次能實(shí)現波形模數轉換，把它與觸發(fā)的波形視圖一起放在屏幕上時(shí)，我們稱(chēng)之為Green Worm（綠蟲(chóng)）。那天正好是我生日，我工作到深夜，也恰好是Green Worm出現的時(shí)間，我永遠忘不了那一天。 Gary Waldo: 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，許多簽訂了保密協(xié)議的客戶(hù)看到了這臺儀器，反饋非常好。他們對我們的新型工業(yè)設計、用戶(hù)界面、性能、增加的通道、FlexChannels概念、選配Windows操作系統都非常滿(mǎn)意。反饋一邊倒地好。我本人對用戶(hù)界面特別驕傲，因為我領(lǐng)導了用戶(hù)界面設計工作。這是一項耗時(shí)很長(cháng)的工作，我們重新搭建了儀器中的一切，最后才變成了現在的模樣。 Bridget Fisher: 我對用戶(hù)界面設計很滿(mǎn)意，因為我喜歡讓人快樂(lè )。在人們第一次看到5系列MSO時(shí)，他們可能會(huì )禁不住一愣，因為有些東西他們以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，過(guò)了一會(huì )兒，他們的臉上就會(huì )浮現出笑意。 關(guān)于作者： Dave Pereles在測試測量行業(yè)的工作超過(guò)了25年，先后擔任過(guò)各種職務(wù)，包括應用工程師和產(chǎn)品管理。他畢業(yè)于美國康涅狄格州哈特福德市卡地亞學(xué)院電氣工程專(zhuān)業(yè)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并在西雅圖大學(xué)獲得MBA學(xué)位。 |
