儀器總線技術(shù)概覽

在測試測量領(lǐng)域，儀器總線技術(shù)的發(fā)展歷來是工程師和科學(xué)家們最為關(guān)心的部分。從上世紀(jì)60年代推出的專用于儀器控制的GPIB總線，到現(xiàn)在被廣泛使用的 USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXI Express，不斷涌現(xiàn)的新型總線技術(shù)在幫助我們的工程師更快捷高效的完成測量任務(wù)的同時(shí)，也引起了行業(yè)內(nèi)專家們的廣泛爭論，究竟哪一種總線將會主宰未 來的測試測量領(lǐng)域呢？

未來的趨勢 —— 混合總線的測試系統(tǒng)

先讓我們回顧一下歷史，無論是GPIB還是串口，都已經(jīng)在測試行業(yè)應(yīng)用超過了數(shù)十年，但至今仍有很多的工程師在繼續(xù)使用 或購買相應(yīng)的儀器。再來看看幾乎已經(jīng)退出PC歷史舞臺的ISA總線，在現(xiàn)在的一些工控機(jī)里我們?nèi)耘f可以看到ISA插槽的身影，甚至有不少廠商還在生產(chǎn)基于 ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡和GPIB控制卡，滿足一部分客戶的需求?？梢哉f，任何一種總線都有其在行業(yè)內(nèi)獨(dú)特的優(yōu)勢，沒有一種總線會完美到可以取代其它任何 的總線。

所謂混合總線的測試系統(tǒng)，就是在一個(gè)系統(tǒng)中集成多個(gè)自動化測試平臺的不同部件，包括PXI, PCI, GPIB, VXI, USB, LAN和LXI等不同的總線。從工程師的角度來看，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)測試系統(tǒng)時(shí)，往往需要平衡多方面的因素?，F(xiàn)在的產(chǎn)品變的越來越復(fù)雜，對混合信號測試的要求也 就越來越高，這樣就需要利用不同總線測試平臺的優(yōu)勢，搭建一個(gè)混合的測試系統(tǒng)來滿足測試的需求。例如您的系統(tǒng)可能需要像PXI和PCI Express等模塊化儀器總線所提供的高吞吐量和優(yōu)良的集成性，同時(shí)也可能需要基于USB或者LAN(包括LXI)的分立式儀器，完成一些特定的測試功 能。此外，使用混合的系統(tǒng)，工程師們可以很容易的在現(xiàn)有的系統(tǒng)上進(jìn)行升級或是添加新的部件，而無需重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)，這樣的混合系統(tǒng)對軟件的架構(gòu)提 出了更高的要求，希望無論是在驅(qū)動服務(wù)層還是在應(yīng)用軟件層都能對不同的總線平臺進(jìn)行無縫的支持，也就是說，一個(gè)統(tǒng)一的軟件架構(gòu)將成為整個(gè)混合測試系統(tǒng)的核心。(如圖)

圖1：典型的混合總線測試系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)

因此我們看到的是這些總線將會長期的共存，未來測試系統(tǒng)的趨勢也將是基于混合總線的測試系統(tǒng)。而同時(shí)，軟件會在這樣多廠商、多總線的混合系統(tǒng)中體現(xiàn)其核心的地位。

外部總線 —— GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI

在測試測量行業(yè)，外部總線主要提供傳統(tǒng)分立式儀器與PC之間的互連性，因此我們又通常將這一類總線稱之為分立儀器總線。 每一種總線針對不同的應(yīng)用都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，譬如說GPIB作為最成熟的總線技術(shù)，擁有最廣泛的可供選擇的儀器種類；使用USB，用戶可以充分利用其即插 即用的特性；而使用LAN/LXI，可以滿足用戶分布式應(yīng)用和遠(yuǎn)距離儀器通訊的需求。根據(jù)對測量功能、帶寬、傳輸延遲、性能和易連接性等的不同需求，用戶 可以自由的選擇適合自己應(yīng)用的總線連接技術(shù)。

GPIB，Serial和Firewire都已經(jīng)是廣大工程師所熟知的總線技術(shù)，我們就不一一贅述了。這里要和大家一起討論的是幾種較新的分立儀器總線技術(shù)。

USB

Universal Serial Bus (USB) 因?yàn)槠湓赑C機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高達(dá)480Mbits/s的傳輸速率，也逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的USB口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于 USB的測量儀器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。

但是USB在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)。比如說USB的排線沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失；此外，USB對排線的距離也有一定的限制。

LAN和LXI

LAN作為一種成熟的技術(shù)，在數(shù)年前就已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種測試系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)分析儀和數(shù)據(jù)記錄儀等，并特別適用 于分布式的系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，填補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器原來在這方面的空白。作為VXIbus規(guī)范的一部分，當(dāng)時(shí)的VXI-11規(guī)范就定義了網(wǎng)絡(luò)儀器通過TCP/IP 進(jìn)行控制器和設(shè)備之間通訊的一系列標(biāo)準(zhǔn)。

LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)總線規(guī)范源于美國軍方應(yīng)用的需求，它重新定義了一系列基于LAN的儀器類，其中包含基于現(xiàn)成的IEEE 1588技術(shù)的定時(shí)指標(biāo)和可選的LXI觸發(fā)總線。但歸根結(jié)底，LXI的儀器還是一種基于LAN的分立式儀器，只是將多種現(xiàn)有的技術(shù)(如LAN，IEEE 1588等)重新整合成一種新的標(biāo)準(zhǔn)，并沒有太多技術(shù)上的革新。此外，LXI目前主要還是針對美國軍方的一些高端測量應(yīng)用，還沒有在工業(yè)界得到普及，市場 上真正可供選擇的LXI儀器也很有限。

無論是LAN還是LXI，因?yàn)槎际腔谝蕴W(wǎng)的通訊方式，以太網(wǎng)本身的一些缺陷還是會存在，如需要人工配置IP地址，如何解決IP地址的沖突問題等；此外，數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)的完整性和安全性等都是需要進(jìn)一步探討的問題。

在這里我們還要簡單介紹一下被LXI所采用的新型時(shí)間同步協(xié)議：IEEE 1588，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的方法用于在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)亞微秒級的設(shè)備同步。協(xié)議將從設(shè)備的時(shí)鐘和主設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行同步，保證了所有設(shè)備中的任何事件和時(shí)間標(biāo)記都 使用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。使用IEEE 1588進(jìn)行設(shè)備同步需要分兩步：(1)根據(jù)最佳主時(shí)鐘算法確定哪個(gè)設(shè)備將提供主時(shí)鐘；(2)測量和修正由于時(shí)鐘的偏移量(offset)和網(wǎng)絡(luò)延遲 (network delay)造成的時(shí)間誤差。

在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，IEEE 1588時(shí)鐘同步的精度還取決于許多的因素。如主從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。此外，網(wǎng)絡(luò)通訊中許多的變數(shù)都會或多或少的影響到同步的精度。

當(dāng)我們打開現(xiàn)代PC的機(jī)箱，我們會發(fā)現(xiàn)顯卡往往是基于高帶寬的PCI、AGP或是最新的PCI Express x16總線，很少能見到基于USB，Ethernet等外部總線的顯卡；同樣，一臺分立式儀器雖然在外部提供了USB，Ethernet/LAN以及 RS-232等接口用于和PC的通訊，但儀器內(nèi)部還是使用了PCI總線用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸。上面的兩個(gè)例子都使用了內(nèi)部總線用于海量數(shù)據(jù)的傳輸，因?yàn)橄?PCI這樣的內(nèi)部總線，相比于外部總線，能夠提供更高的總線帶寬和更低的傳輸延遲(見圖2)。接下來就讓我們來討論一下一些常見的內(nèi)部總線。

圖2：相比于外部總線，內(nèi)部總線具有較高的總線帶寬和較低的傳輸延遲

內(nèi)部總線 —— VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express

內(nèi)部總線，我們也稱之為模塊化儀器總線，它提供了開發(fā)者開放的多廠商聯(lián)合的標(biāo)準(zhǔn)和靈活的軟件來創(chuàng)建用戶自定義的儀器，解 決不同的應(yīng)用需求。這樣的儀器不僅具有更好的集成性和可擴(kuò)展性，同時(shí)提供更佳的軟件靈活性。如上圖所示，內(nèi)部總線具有的高帶寬特性對于高速流盤和激勵/響 應(yīng)測試的應(yīng)用來說至關(guān)重要，而低延遲則決定了少量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的測試時(shí)間，如對數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較高的數(shù)字萬用表+開關(guān)的掃描測試。常見的內(nèi)部總線包括 VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express等。