從GBIP到PXI - 量測(cè)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史

因?yàn)?strong>量測(cè)技術(shù)的重要所在，其成熟與發(fā)展過程中的每一步無不吸引著業(yè)界關(guān)注的目光。從上世紀(jì)70年代以來，量測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從GPIB到PXI的變革，而近年來國(guó)內(nèi)廠商在PXI技術(shù)上的迅速發(fā)展壯大，更是值得國(guó)內(nèi)量測(cè)用戶欣喜的事情。

GPIB——VI量測(cè)的先行者
早在70年代，為了讓計(jì)算機(jī)控制許多獨(dú)立的量測(cè)儀器，IEEE定義了一套高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議——488.1/488.2。對(duì)于基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器，人們將其稱為虛擬儀器（VI）。GPIB技術(shù)就是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段，它的出現(xiàn)使電子測(cè)量從獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成，使用共同的字串語(yǔ)法控制儀器 (488.2或SCPI)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺(tái)儀器組合起來，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，有專為儀器控制所設(shè)計(jì)的接口信號(hào)和牢固的接插件，加之幾乎所有獨(dú)立儀器都有GPIB接口，因而體現(xiàn)出其簡(jiǎn)單性和便利性的優(yōu)勢(shì)所在。但是GPIB的缺點(diǎn)也是顯而易見的——無法提供多臺(tái)儀器同步和觸發(fā)的功能，在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)帶寬不足。因此，GPIB主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。因此，對(duì)于更高要求的量測(cè)應(yīng)用，便需要技術(shù)方面的進(jìn)一步革新，VXI總線技術(shù)就是在這樣的背景下出現(xiàn)的。

VXI——量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的開放品
在GPIB之后出現(xiàn)的VXI總線技術(shù)是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（VXI即VMEbus eXtensions for Instrumentation的縮寫）。1981年10月，Motorola 、Mostek和Signetics宣布它們共同支持基于VERSAbus和Eurocard模塊尺寸的系列板卡，這就是著名的VMEbus。1987年，VMEbus被IEEE正式接受為萬用背板總線（Versatile Backplane Bus）標(biāo)準(zhǔn)——VMEbus（ANSI/IEEE 1014-1987）。

由于VME畢竟不是面向儀器的總線標(biāo)準(zhǔn)，來自Colorado Data System、 Hewlett Packard、 Racal Dana、 Tektronix和Wavetek等5家儀器公司的技術(shù)代表于1987年6月宣布成立了一個(gè)技術(shù)委員會(huì)。同年7月，該委員會(huì)（即后來的VXI總線聯(lián)合體）發(fā)布了VXIbus規(guī)范的第1個(gè)版本，幾經(jīng)修改和完善，于1993年9月20日出版發(fā)行。VXI總線標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷史如下表所示。

VXIbus標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展史

VXI總線具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。它具有標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)（高達(dá)40MB/s的帶寬是GPIB的40倍）、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用，以及受到眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，很快就得到廣泛的應(yīng)用。由于是前插拔、模塊化的儀器，VXI系統(tǒng)的組建和使用變得很方便，尤其是組建大、中規(guī)模的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)；VXI也適合于對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，因此主要用于軍事、航空航天和ATE等領(lǐng)域的量測(cè)平臺(tái)。

雖然時(shí)至今日VXI總線的儀器和系統(tǒng)已被普遍接受，但是因?yàn)榻M建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)高昂；加之40MB/s的帶寬對(duì)于現(xiàn)今的高速量測(cè)裝置仍嫌不足，人們又對(duì)量測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。在PCI總線成為主流的今天，PXI技術(shù)順應(yīng)而生。

PXI——量測(cè)技術(shù)的生力軍
PXI 是PCI eXtensions for Instrumentation 的縮寫。直觀地說，CompactPCI+ Extensions for Instrumentation = PXI。對(duì)于PXI的發(fā)展，首先要提到制訂并推廣PXI規(guī)格的組織——PXISA (PXI System Alliance)。PXISA于1997年成立，同年推出了1.0版的PXI規(guī)格。隨著PXISA的接受度提高，以及PXI標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，PXI的規(guī)格和相關(guān)產(chǎn)品也逐漸走向了標(biāo)準(zhǔn)化的道路。1998年，PXI被定為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PXI開始快速而穩(wěn)健地發(fā)展。2000年時(shí)，PXISA又推出了PXI 2.0版，并于2003年2月將規(guī)格更新至2.1版。

為更適于工業(yè)應(yīng)用，PXI總線方式為PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范，以便使用于相鄰模塊的高速通訊局總線。PXI還具有高度的可擴(kuò)展性：PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3~4個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，便形成了出色的虛擬儀器平臺(tái)。

PXI 的規(guī)格區(qū)分為硬件與軟件兩個(gè)部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的規(guī)格，也就是PICMG 2.0，建構(gòu)于CompactPCI的機(jī)構(gòu)規(guī)格與PCI的電氣規(guī)格之上，加上儀器上所需要的電氣信號(hào)延伸，即是所謂PXI的規(guī)格。所以，PXI的數(shù)據(jù)傳輸速率的峰值在33 MHz、32 bit的總線上，可達(dá)132MB/s；在66 MHz、64 bit的總線上更可高達(dá)528MB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPIB與VXI接口的傳輸速率。PXI 背板上的每一個(gè)擴(kuò)充槽，都有專用的10 MHz參考時(shí)脈，而時(shí)脈偏斜的精確度必須小于1ns。這樣高的精確度使其可作為各擴(kuò)充槽的基礎(chǔ)時(shí)脈，來達(dá)到同步的效果。

與其他的總線規(guī)格相比，PXI于軟件上對(duì)系統(tǒng)控制模塊與周邊模塊作了規(guī)范。例如：PXI周邊模塊的廠商，必須提供可使用于Microsoft Windows上的驅(qū)動(dòng)程序，而PXI控制模塊則必須基于80x86架構(gòu)，并可支持Microsoft Windows。隨著各式操作系統(tǒng)的接受度提高，未來將可能加入PXI軟件的規(guī)格制訂。除了對(duì)軟件架構(gòu)上的規(guī)范外，PXI也制訂了硬件描述檔案的規(guī)格，系統(tǒng)操作人員可以利用這些檔案，透過軟件管理PXI系統(tǒng)上的模塊。

PXI的儀器延伸信號(hào)，提供了各PXI模塊之間的一個(gè)硬件的管道，不需經(jīng)過軟件的監(jiān)督，PXI的模塊可實(shí)時(shí)地在此管道上利用硬件的信號(hào)互相溝通。如此可以減低CPU的負(fù)擔(dān)，并加速軟件程序的執(zhí)行。并且基于x86架構(gòu)與廣泛采用的Windows，可以有效降低PXI產(chǎn)品的學(xué)習(xí)曲線與購(gòu)入成本。
多重的PXI模塊選擇，搭配不同機(jī)箱，使得PXI可以符合各種應(yīng)用需求，并且易于維護(hù)。如此豐富的產(chǎn)品使得PXI目前已在汽車測(cè)試、半導(dǎo)體測(cè)試、功能性測(cè)試、航空設(shè)備測(cè)試以及軍事等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著PXISA的接受度提高，以及全球眾多廠商的加入，PXI已不會(huì)讓客戶有被單一廠商綁住規(guī)格的憂慮，且市場(chǎng)上有超過600種不同的PXI模塊問世。根據(jù)Frost and Sullivan的估計(jì)，在國(guó)際上，PXI市場(chǎng)于2003~2005年的成長(zhǎng)率分別為37%、28%、23%，成長(zhǎng)率遠(yuǎn)超過PC或工業(yè)計(jì)算機(jī)量測(cè)應(yīng)用的數(shù)字。而在國(guó)內(nèi)，相關(guān)廠商也開始利用PXI這個(gè)契機(jī)迅速擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，其中較為突出的是凌華科技（ADLINK）。 對(duì)于PXI的發(fā)展，凌華科技量測(cè)產(chǎn)品事業(yè)部總監(jiān)高明和先生表示：“ 開放化和標(biāo)準(zhǔn)化將是今后量測(cè)科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向?，F(xiàn)在幾乎所有的廠商都強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的開放和兼容性，為客戶節(jié)省在測(cè)試成本上的投資?？蛻舨豁毟鼡Q儀器，只要更換不同卡板或軟件，就能執(zhí)行不同的測(cè)試項(xiàng)目；在產(chǎn)品規(guī)劃的同時(shí)，也為客戶預(yù)留可供升級(jí)使用的功能擴(kuò)充。PXI沿用PC接口來操作儀器功能，具備兼容性高、方便更新功能等特色，未來以此衍生出的量測(cè)方案將越來越多。”

可以看到，隨著量測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和更多廠商的參與，我們將迎來一個(gè)更加開放也更具效率的量測(cè)科技新時(shí)代。