1、儀器總線技術的回顧與展望         1、未來的趨勢 混合總線的測試系統圖1 典型的混合總線測試系統的軟硬件架構    因此我們看到的是這些總線將會長期的共存，未來測試系統的趨勢也將是基于混合總線的測試系統。而同時，軟件會在這樣多廠商、多總線的混合系統中體現其核心的地位。     2、外部總線 GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI    在測試測量行業，外部總線主要提供傳統

2、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用都有其獨特的優勢，譬如說GPIB作為最成熟的總線技術，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用和遠距離儀器通訊的需求。根據對測量功能、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用的總線連接技術。        GPIB，Serial和Firewire都已經是廣大工程師所熟知的總線技術，我們就不一一贅述了。這里要和大家一起討論的

3、是幾種較新的分立儀器總線技術。        USB    Universal Serial Bus (USB) 因為其在PC機上的廣泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高達480Mbits/s的傳輸速率，也逐漸的成為儀器控制的主流總線技術?，F在計算機上的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系統中。        但是USB在儀器控制方面亦有一些缺點。比如說USB的排線沒有工業標準的規格，在惡劣的環境下，

4、可能造成數據的丟失；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，在數年前就已經被廣泛的應用于各種測試系統，如遠程的網絡分析儀和數據記錄儀等，并特別適用于分布式的系統和遠程監控，填補了傳統儀器原來在這方面的空白。作為VXIbus規范的一部分，當時的VXI-11規范就定義了網絡儀器通過TCP/IP進行控制器和設備之間通訊的一系列標準。        LXI（LAN eXtensions fo

5、r Instrumentation）總線規范源于美國軍方應用的需求，它重新定義了一系列基于LAN的儀器類，其中包含基于現成的IEEE 1588技術的定時指標和可選的LXI觸發總線。但歸根結底，LXI的儀器還是一種基于LAN的分立式儀器，只是將多種現有的技術（如LAN，IEEE 1588等）重新整合成一種新的標準，并沒有太多技術上的革新。此外，LXI目前主要還是針對美國軍方的一些高端測量應用，還沒有在工業界得到普及，市場上真正可供選擇的LXI儀器也很有限。        無論是LAN還是LXI，因為都是基于以太網的通訊方式，以太網本身的

6、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，數據傳遞的實時性、數據的完整性和安全性等都是需要進一步探討的問題。        在這里我們還要簡單介紹一下被LXI所采用的新型時間同步協議：IEEE 1588，它提供了標準的方法用于在網絡上實現亞微秒級的設備同步。協議將從設備的時鐘和主設備的時鐘進行同步，保證了所有設備中的任何事件和時間標記都使用同一個時間基準。使用IEEE 1588進行設備同步需要分兩步：（1）根據最佳主時鐘算法確定哪個設備將提供主時鐘；（2）測量和修正由于時鐘的偏移量（offset）

7、和網絡延遲（network delay）造成的時間誤差。         在現實的應用中，IEEE 1588時鐘同步的精度還取決于許多的因素。如主從時鐘的時鐘頻率、時鐘的穩定性、網絡的拓撲結構等。此外，網絡通訊中許多的變數都會或多或少的影響到同步的精度。        當我們打開現代PC的機箱，我們會發現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

8、USB，Ethernet/LAN以及RS-232等接口用于和PC的通訊，但儀器內部還是使用了PCI總線用于內部數據的傳輸。上面的兩個例子都使用了內部總線用于海量數據的傳輸，因為像PCI這樣的內部總線，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部總線。 圖2 相比于外部總線，內部總線具有較高的總線帶寬和較低的傳輸延遲    3、內部總線 VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express    內部總線，我們也稱之為模塊化儀器總線，它提供了開發者開放的多

9、廠商聯合的標準和靈活的軟件來創建用戶自定義的儀器，解決不同的應用需求。這樣的儀器不僅具有更好的集成性和可擴展性，同時提供更佳的軟件靈活性。如上圖所示，內部總線具有的高帶寬特性對于高速流盤和激勵/響應測試的應用來說至關重要，而低延遲則決定了少量數據傳輸時的測試時間，如對數據傳輸延遲要求較高的數字萬用表+開關的掃描測試。常見的內部總線包括VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express等。        VXI和PCI/PXI    VXI(VMEbus eXtensions for

10、 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儀器系統的尺寸并提高了系統集成化的水平，主要用于滿足高端自動化測試應用的需要，并已成功應用于軍用航空的測試和制造業的測試等。然而，由于VXI價格昂貴且基于過時的VME總線，而現代計算機又不支持這種總線結構；伴隨著PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線的推出，VXI的市場份額逐漸的在減小，而PXI的增長卻勢不可擋，早已在數年前超過VXI成為模塊化測試測量的主流技術。PXI因為基于成熟的PCI總線技術，和VXI相比，具有更快的總線傳輸速率(132MB/s vs 40MB/

11、s)，更小的體積以及更好的性能價格比。此外，PXI能夠提供納秒級的定時和同步功能以及堅固的工業特性。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升級整個測試系統。如此優良的擴展性，靈活的軟件架構使得基于PXI模塊化儀器平臺的系統集成變得更加的普遍。        PCI Express    現在基于PC的測試應用對于總線帶寬的要求越來越高，即使132MB/s的PCI總線帶寬也難以滿足許多新興應用的需求。因此PCI-SIG(PCI總線標準的制訂實體)推出了新一代的高速內部總線：P

12、CI Express。作為對PCI總線的一個革新，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的并行總線。PCI Express通過多通道差分信號來實現雙向數字的傳輸，每一個傳輸方向的一個通道就可提供250MB/s的帶寬，組合多個通道(x16)最高可達4GB/s的傳輸速率。與PCI總線上所有設備共享帶寬的方式不同的是，每個PCI Express設備都享有一個專用的帶寬來保證數據通路的暢通無阻(見圖3)。此外，PCI Express因為采用了先進的軟件架構完全確保了和現有PCI的軟件兼容性。據權威機構預測，PCI Express的核心芯片(PCI Expres

13、s x4 Switch)的成本將在2008年降到大約每片2.4美金，同時借鑒PCI總線在現今市場的巨大成功，因此很多專家都預測PCI Express將在未來成為高速總線的主流趨勢。        對于測試測量領域而言，PCI Express總線的推出使得許多高速的測試應用變為可能，例如每秒高達幾百幀的圖像采集與存儲、上GHz的數字化儀和信號發生器，數字通訊協議的測試與驗證等等，因此我們有理由預見PCI Express總線將在未來成為新一代的模塊化儀器總線，為工程師們帶來更高的性能和更快的速度。圖3 所有PCI Express插槽具有專

14、用的帶寬來連接PC內存，無需像傳統PCI那樣共享帶寬    PXI Express    使用成熟的PCI技術大幅推動了PXI總線的發展，使得PXI在測試測量領域被廣泛的應用。如今將最新的PCI Express技術融入到PXI的標準中，使得新型的PXI Express總線可以幫助工程師滿足更多的應用需求。PXISA官方組織已在2005年第三季度正式推出了PXI Express的軟硬件標準，通過在背板使用PCI Express的技術，PXI Express能夠將帶寬整整提高45倍，從原來PXI的132MB/s提高到現在6GB/s，同時保

15、持了和原來PXI模塊在軟硬件上的兼容性。如此性能的提升，使得PXI Express能夠進入到更多以往被專用儀器所統制的一些應用領域，如中頻乃至射頻的數字化儀、通訊協議的驗證等。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提供的標準軟件架構。為了提供硬件的兼容性，最新的CompactPCI Express的標準定義了混合的插槽用來同時支持基于PCI或PCI Express架構的模塊。通過融合最先進的商業技術：PCI Express，我們將在不久的未來看到全新模塊化儀器總線PXI Express為用戶帶來的先進技術和高速性能。    4、軟件是核心 使用統一的軟件平臺    5、總結