儀器總線技術(shù)的回顧與展望

在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，儀器總線技術(shù)的發(fā)展歷來(lái)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(cè)量任務(wù)的同時(shí)，也引起了行業(yè)內(nèi)專家們的廣泛爭(zhēng)論，究竟哪一種總線將會(huì)主宰未 來(lái)的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域呢？?

未來(lái)的趨勢(shì) —— 混合總線的測(cè)試系統(tǒng)

先讓我們回顧一下歷史，無(wú)論是GPIB還是串口，都已經(jīng)在測(cè)試行業(yè)應(yīng)用超過(guò)了數(shù)十年，但至今仍有很多的工程師在繼續(xù)使用 或購(gòu)買相應(yīng)的儀器。再來(lái)看看幾乎已經(jīng)退出PC歷史舞臺(tái)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(shuō)，任何一種總線都有其在行業(yè)內(nèi)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，沒(méi)有一種總線會(huì)完美到可以取代其它任何 的總線。

所謂混合總線的測(cè)試系統(tǒng)，就是在一個(gè)系統(tǒng)中集成多個(gè)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)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(lái)看，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)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(lái)越復(fù)雜，對(duì)混合信號(hào)測(cè)試的要求也 就越來(lái)越高，這樣就需要利用不同總線測(cè)試平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，搭建一個(gè)混合的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)滿足測(cè)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(cè)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(jí)或是添加新的部件，而無(wú)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(duì)軟件的架構(gòu)提 出了更高的要求，希望無(wú)論是在驅(qū)動(dòng)服務(wù)層還是在應(yīng)用軟件層都能對(duì)不同的總線平臺(tái)進(jìn)行無(wú)縫的支持，也就是說(shuō)，一個(gè)統(tǒng)一的軟件架構(gòu)將成為整個(gè)混合測(cè)試系統(tǒng)的核 心。(如圖1)?

圖1：典型的混合總線測(cè)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(huì)長(zhǎng)期的共存，未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的趨勢(shì)也將是基于混合總線的測(cè)試系統(tǒng)。而同時(shí)，軟件會(huì)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(cè)試測(cè)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(duì)不同的應(yīng)用都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，譬如說(shuō)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(duì)測(cè)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(lái)越多，也使得工程師可以很方便的將基于 USB的測(cè)量?jī)x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(shuō)USB的排線沒(méi)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(duì)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(cè)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(lái)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(guò)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(guó)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(méi)有太多技術(shù)上的革新。此外，LXI目前主要還是針對(duì)美國(guó)軍方的一些高端測(cè)量應(yīng)用，還沒(méi)有在工業(yè)界得到普及，市場(chǎng) 上真正可供選擇的LXI儀器也很有限。

無(wú)論是LAN還是LXI，因?yàn)槎际腔?a target="_blank">以太網(wǎng)的通訊方式，以太網(wǎng)本身的一些缺陷還是會(huì)存在，如需要人工配置IP地址，如何解決IP地址的沖突問(wèn)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(wèn)題。

在這里我們還要簡(jiǎn)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(jí)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(cè)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(huì)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(huì)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(tái)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(lái)就讓我們來(lái)討論一下一些常見的內(nèi)部總線。

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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(lái)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(duì)于高速流盤和激勵(lì)/響 應(yīng)測(cè)試的應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(cè)試時(shí)間，如對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較高的數(shù)字萬(wàn)用表+開關(guān)的掃描測(cè)試。常見的內(nèi)部總線包括 VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express等。

VXI和PCI/PXI

VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation) 是最早引入模塊化儀器概念的總線，它成功地減小了傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的尺寸并提高了系統(tǒng)集成化的水平，主要用于滿足高端自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的需要，并已成功應(yīng)用于軍 用航空的測(cè)試和制造業(yè)的測(cè)試等。然而，由于VXI價(jià)格昂貴且基于過(guò)時(shí)的VME總線，而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)又不支持這種總線結(jié)構(gòu)；伴隨著PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線的推出，VXI的市場(chǎng)份額逐漸的在減小，而PXI的增長(zhǎng)卻勢(shì)不可擋，早已在數(shù)年前超過(guò)VXI成為模塊化測(cè)試測(cè)量的主 流技術(shù)。PXI因?yàn)榛诔墒斓腜CI總線技術(shù)，和VXI相比，具有更快的總線傳輸速率(132MB/s vs 40MB/s)，更小的體積以及更好的性能價(jià)格比。此外，PXI能夠提供納秒級(jí)的定時(shí)和同步功能以及堅(jiān)固的工業(yè)特性。最后，得益于軟件的靈活性和不斷更新 的模塊化硬件，用戶可以最少的投資隨時(shí)升級(jí)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。如此優(yōu)良的擴(kuò)展性，靈活的軟件架構(gòu)使得基于PXI模塊化儀器平臺(tái)的系統(tǒng)集成變得更加的普遍。

PCI Express

現(xiàn)在基于PC的測(cè)試應(yīng)用對(duì)于總線帶寬的要求越來(lái)越高，即使132MB/s的PCI總線帶寬也難以滿足許多新興應(yīng)用的需求。因此PCI-SIG(PCI總線 標(biāo)準(zhǔn)的制訂實(shí)體)推出了新一代的高速內(nèi)部總線：PCI Express。作為對(duì)PCI總線的一個(gè)革新，PCI Express保持了與PCI總線的軟件兼容性，并用高速串行總線代替了傳統(tǒng)的并行總線。PCI Express通過(guò)多通道差分信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字的傳輸，每一個(gè)傳輸方向的一個(gè)通道就可提供250MB/s的帶寬，組合多個(gè)通道(x16)最高可達(dá)4GB /s的傳輸速率。與PCI總線上所有設(shè)備共享帶寬的方式不同的是，每個(gè)PCI Express設(shè)備都享有一個(gè)專用的帶寬來(lái)保證數(shù)據(jù)通路的暢通無(wú)阻(見圖3)。此外，PCI Express因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的軟件架構(gòu)完全確保了和現(xiàn)有PCI的軟件兼容性。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，PCI Express的核心芯片(PCI Express x4 Switch)的成本將在2008年降到大約每片2.4美金，同時(shí)借鑒PCI總線在現(xiàn)今市場(chǎng)的巨大成功，因此很多專家都預(yù)測(cè)PCI Express將在未來(lái)成為高速總線的主流趨勢(shì)。

對(duì)于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域而言，PCI Express總線的推出使得許多高速的測(cè)試應(yīng)用變?yōu)榭赡?，例如每秒高達(dá)幾百幀的圖像采集與存儲(chǔ)、上GHz的數(shù)字化儀和信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字通訊協(xié)議的測(cè)試與 驗(yàn)證等等，因此我們有理由預(yù)見PCI Express總線將在未來(lái)成為新一代的模塊化儀器總線，為工程師們帶來(lái)更高的性能和更快的速度。

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圖3：所有PCI Express插槽具有專用的帶寬來(lái)連接PC內(nèi)存，無(wú)需像傳統(tǒng)PCI那樣共享帶寬

PXI Express

使用成熟的PCI技術(shù)大幅推動(dòng)了PXI總線的發(fā)展，使得PXI在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。如今將最新的PCI Express技術(shù)融入到PXI的標(biāo)準(zhǔn)中，使得新型的PXI Express總線可以幫助工程師滿足更多的應(yīng)用需求。PXISA官方組織已在2005年第三季度正式推出了PXI Express的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)在背板使用PCI Express的技術(shù)，PXI Express能夠?qū)捳岣?5倍，從原來(lái)PXI的132MB/s提高到現(xiàn)在6GB/s，同時(shí)保持了和原來(lái)PXI模塊在軟硬件上的兼容性。如此性能 的提升，使得PXI Express能夠進(jìn)入到更多以往被專用儀器所統(tǒng)制的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如中頻乃至射頻的數(shù)字化儀、通訊協(xié)議的驗(yàn)證等。由于PCI Express和PCI之間的軟件兼容性，PXI Express同樣可以沿用以往PXI提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)。為了提供硬件的兼容性，最新的CompactPCI Express的標(biāo)準(zhǔn)定義了混合的插槽用來(lái)同時(shí)支持基于PCI或PCI Express架構(gòu)的模塊。通過(guò)融合最先進(jìn)的商業(yè)技術(shù)：PCI Express，我們將在不久的未來(lái)看到全新模塊化儀器總線PXI Express為用戶帶來(lái)的先進(jìn)技術(shù)和高速性能。

軟件是核心 —— 使用統(tǒng)一的軟件平臺(tái)

混合系統(tǒng)作為測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，使用戶能夠不僅享受模塊化儀器的高速和靈活性，同時(shí)能使用現(xiàn)有的分立式儀器進(jìn)行一 些特殊的測(cè)量。而軟件對(duì)于這樣多廠商，多總線的混合系統(tǒng)顯得尤為的重要。擁有一個(gè)統(tǒng)一的軟件架構(gòu)能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)編程的復(fù)雜性，并避免不同儀器之間帶來(lái)的 兼容性問(wèn)題。

在圖1的混合系統(tǒng)中，底層的硬件使用了包含PXI、GPIB、LXI等多種測(cè)試總線，而在上層卻是一個(gè)由測(cè)量和控制服務(wù) 層和應(yīng)用開發(fā)層組成的統(tǒng)一的軟件架構(gòu)。測(cè)量和控制服務(wù)層包含靈活的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，用于連接軟件和硬件并簡(jiǎn)化硬件配置部分的測(cè)試代碼。為了將硬件無(wú)縫的集成到軟 件中去，工程師們希望能夠有高性能、易于編程且持續(xù)可升級(jí)的API來(lái)幫助開發(fā)。VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)標(biāo)準(zhǔn)就是提供了這樣一種通用的API，負(fù)責(zé)和驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行通訊，并且獨(dú)立于您所使用的儀器總線。無(wú)論是使用PXI, VXI, GPIB, LAN還是LXI總線，VISA都提供了標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)庫(kù)和儀器進(jìn)行通訊，同時(shí)從軟件上保證了總線之間的互換性。此外，網(wǎng)上超過(guò)4000種可供下載的儀器驅(qū)動(dòng) 可以幫助您簡(jiǎn)化儀器功能的復(fù)雜性，快速的開發(fā)儀器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。作為儀器驅(qū)動(dòng)的另一種標(biāo)準(zhǔn)，IVI(Interchangeable Virtual Instrument)標(biāo)準(zhǔn)定義了通用儀器的互換性，對(duì)于一些指定的儀器類，如示波器，信號(hào)源等，您可以隨意的將現(xiàn)在使用的儀器換成一臺(tái)其他生產(chǎn)廠家、甚 至是其他總線的另一臺(tái)同類的儀器，而不需要修改任何的軟件測(cè)試代碼。

在應(yīng)用開發(fā)層，開發(fā)者總是希望使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)環(huán)境來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。LabVIEW作為一個(gè)專為測(cè) 試測(cè)量設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式，能夠幫助用戶高效和快速的開發(fā)測(cè)試應(yīng)用。伴隨著LabVIEW 8的推出，使用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和儀器控制的功能被進(jìn)一步的加強(qiáng)，最新的項(xiàng)目管理和分布式智能更是適合混合測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)。目 前，LabVIEW已逐漸地成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)平臺(tái)。當(dāng)然，除了LabVIEW，用戶也可以根據(jù)自己的喜好，選擇其他的編程語(yǔ)言，如 LabWindows/CVI，VB，C++等進(jìn)行開發(fā)。

軟件就是核心，LabVIEW加上標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量和控制服務(wù)(如VISA, IVI等)就構(gòu)成了這樣一個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，幫助工程師簡(jiǎn)化軟件的復(fù)雜性，更好的發(fā)揮混合測(cè)試系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。

總結(jié)

在當(dāng)今的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，無(wú)論是經(jīng)久不衰的傳統(tǒng)儀器總線，還是新型高速的模塊化儀器總線技術(shù)，都會(huì)在未來(lái)共存，或許只是市場(chǎng)份額大小和應(yīng)用需求不同的 分別。我們也將看到越來(lái)越多的基于多種總線的混合測(cè)試系統(tǒng)，工程師們最終在乎的不再是使用何種總線，而是無(wú)論使用任何總線，軟件上都能予以支持并且能更高 效和快速的開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用。因此，擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺(tái)就顯得至關(guān)重要，它能夠幫助簡(jiǎn)化總線變化帶來(lái)的復(fù)雜性，并充分發(fā)揮不同總線的優(yōu)勢(shì)，讓用戶感覺(jué)就 像在一個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)那樣的簡(jiǎn)單和快捷。