1、GPIBVXI、PXI、LXI儀器白動測試系統的應用與發展一、自動測試系統和測試總線的基本概念自動測試系統(AutomaticTestSystem,ATS)指的是以計算機為核心，在程序控制下，自動完成特定測試任務的儀器系統。與傳統測試儀器不同，自動測試系統強調在計算機的控制下，由若干可程控的通用設備共同完成測試任務。AST首先要解決的關鍵問題是程控設互相協議的問題，也就是接口總線問題。測試總線是指可以應用在測試、測量和控制系統中的總線。在專用測試設備中的總線包括GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)、VXI(VMEbuseXtensionsforInstrumenta

2、tion)、PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)、LXI(LANeXtensionsforInstrumentation)等總線。二、基于GPIB總線技術的自動測試系統1、GPIB發展歷程最初的GPIB是在1960年代后半期由惠普(當時稱為HP-IB)開發的，用于連接和控制惠普制造的可編程儀器。在引進了數字控制器和可編程測試設備之后，對來自多個廠商的儀器和控制器之間進行標準高速通信接口的需求也應運而生。在1975年，美國電氣與電子工程師學會(IEEE)發布了ANSI/IEEE標準488-1975,即用于可編程儀器控制的IEEE標準數字接口，它包含了接口系統的

3、電氣、機械和功能規范。最初的IEEE488-1975在1978年經過修改，主要是出版聲明和附錄方面。現在這個總線已經在全世界范圍內被使用，它有三個名字：通用接口總線(GPIB),惠普接口總線(HP-IB)IEEE488總線由于最初的IEEE488文檔并沒有包含關于使用的語法和格式規范的敘述。這部分工作最終形成了一個附加標準IEEE488.2，用于IEEE488(被更名為IEEE488.1)的代碼、格式、協議和通用指令。IEEE488.2并沒有替換IEEE488.1。許多設備還只是符合IEEE488.1。IEEE488.2是建立在IEEE488.1的基礎上的，它定義了設備接口功能的最小集合、一套

4、通用的數據代碼和格式、一個設備消息協議、一個常用通用設備指令集合以及一個全新的狀態報告模型。在1990年發表的在488.2的基礎上的可編程儀器標準命令SCPI保證了在這些儀器之間系統功能的完整性和可配置性。對于SCPI兼容的系統而言，不必再為每一個儀器學習一套新的指令集，從來自一家廠商的儀器更換到來自另一家廠商的儀器也變得更加容易。2、GPIB測試系統的總線結構及硬件組成GPIB是一個數字化24管腳并行總線，它使用8位并行、字節串行、異步通迅方式，數據以字節為單位通過GPIB總線順序傳送，遵循IEEE488標準.使用高級語言如VBVGC+與可實現計算機對可編程儀器的控制.GPIB總線的16條信

5、號線包括8條雙向數據線、5條控制線、3條握手線、8條地線和屏蔽線.其中8條雙向數據線由DI01DI08組成，這8條數據線并行傳輸8位數據，DIO1為數據的最低位，DIO8為數據的最高位；5條控制線分別為EOI、RENSRQATNIFC,它們用來控制總線的進程；三條握手線NDACNRFDDAV用來保證異步傳輸的可靠性.掛在GPIB總線上的儀器按作用不同可分為控者、聽者和講者.控者負責協調每個儀器并管理系統通信，一般由計算機充當；講者是系統中發送數據的儀器；聽者是系統中接收講者發來數據的儀器.每次在系統中只能有一個執行控者、一個執行講者和最多14個執行聽者.GPIB系統就是由一個控者控制總線，在總

6、線上傳送儀器命令和數據，控者尋址一個講者，一個或多個聽者，數據在總線上從講者向聽者傳送。GPIB自動測試系統通過標準GPIB電纜將計算機、GPIB接口卡和最多15臺程控儀器連接而成.系統DIOU*<DAVNRFD*NDAC*ATN*tfJSREN*fitsIFC*SRQEO1*"及地域推口功蛇洛君功隴控蠢m,訴者控制和HS信號榮id錄儀弟出圖1GP】B總成的自動測試系統中任何兩臺設備之間的距離不應超過2米；系統中電纜線總長度不應超過20米.如需遠距離控制，則使用接口延伸器來擴展通信距離，但數據的傳輸速率會下降.每個設備都配備一個GPIB地址，GPIB接口卡的地址為0,各程控儀器

7、的GPIB地址在130范圍內設置。4、GPIB測試系統的優勢及劣勢4.1 、采用GPIB總線可控最多15臺程控儀器，可實現點到多點的傳輸。4.2 、有相對確定的傳輸速率，確保信息的完整性和保密性。、許多儀器供應商提供大量包含GPIB的儀器，有極好的安裝基礎，在相同的性能水平上通常比VXI便宜。4.3 、數據傳輸速率較低，最大傳輸速率為1Mb/s,投入費用高，可靠性不是太好。4.4 、以GPIB總線為基礎，很難組建體積小、質量輕的自動測試系統，對某些場合，特使是對體積、質量要求高的軍事領域不適用。4.5 、無法提供多臺儀器同步和觸發的功能，在傳輸大量數據時帶寬不足。5、GPIB總線自動測試系統的

8、應用及發展GPIB系統當前在市場上占有量是所有總線系統中最大的，主要應用于臺式儀器，對精度要求高的場合。目前各大儀器公司生產的臺式儀器中幾乎都裝備有GPIB接口，很多集成電路制造商業生產了各種GPIB的接口芯片。采用GPIB的自動測試系統，在完成要求測量時間極短、數據處理量大、測試現場對操作人員有害或操作人員參與容易產生人為誤差的任務中極為合適。作為測量總線領域的第一個開放的、統一獨立于儀器廠商的國際標準，GPIB總線所產生響是非常深遠的。在其誕生后的30多年中，利用GPIB總線所構建的"機架堆疊式”（rack.andstack）成為ATS首選的體系結構。對于一般的計算機總線而言，其

9、生命周期約為1015年，而GPIB總線從其誕生以來，雖然已經度過了近40個春秋，但其依然有著旺盛的生命力。目前全球帶有GPIB接口的儀器，超過了5000種；在2007年的第三季度，由測試與測量領導廠商發布的新型儀器中，超過80%含有GPIB接口。三、基于VXI的自動測試系統1、VXI發展歷程VXI總線是國際5家著名的測試和儀器公司Colorado、DataSystems、HRRacalData、Tektronix和Wavetek在1987年聯合推出的用于測量和測試的一種新型標準儀器結構。其開發是為了滿足便攜式應用的要求，而且它提供了一個標準的模塊結構，這種結構即可集成于GPIB的測試系統中，也

10、可單獨構成測試系統。VXI總線幾經修改和完善，與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。VXI總線完全支持32位VMI總線，除此之外，VXI總線還增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線、應用于測試同步和觸發的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間相加的本地總線。VXI總線一經發布，由于軍方對測控系統的大量需求，許多儀器生產廠商都加入到VXIPlug&Play（VXI即插即用）聯盟。以統一文件的編制方式增加應兼容性。2、VXI系統結構及規范簡介VXI總線系統或者其子系統由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成，零槽模

11、塊完成系統背板管理，包括提供時鐘源和背板總線仲裁等，當然它也可以同時具有其它的儀器功能。資源管理器在系統上電或者復位時對系統進行配置，以使系統用戶能夠從一個確定的狀態開始系統操作。在系統正常工作后，資源管理器就不再起作用。主機箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻。VXIbus不是設計來替代現存標準的，其目的只是提高測試和數據采集系統的總體性能提供一個更先進的平臺。因此，VXIbus規范定義了幾種通信方法，以方便VXIbus系統與現存的VMEbus產品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。VXI總線系統機械結構VXIbus規范定義了四種尺寸的VXI模塊。較小的尺寸A和B是VME

12、bus模塊定義的尺寸，并且從任何意義上來說，它們都是標準的VEMbus模塊。較大的C和D尺寸模塊是為高性能儀器所定義的，它們增大了模塊間距，以便對包含用于高性能測量場合的敏感電路的模塊進行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1、P2和P3連接器。目前市場上最常見的是C尺寸的VXIbus系統，這主要是因為C尺寸的VXIbus系統體積較小，成本相對較低，又能夠發揮VXIbus作為高性能測試平臺的優勢。VXI總線系統電氣結構VXIbus完全支持32位VME計算機總線。除此之外，VXIbus還增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線、用于測量同步和觸發的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線。V

13、XIbus規范定義了3個96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是必備的，P2和P3兩個連接器可選。VXIbus系統EMC、供電和冷卻VXIbus總線規范規定了系統傳導及輻射EMC（電磁兼容）產生和敏感度的上限值。EMC的限定保證了包含敏感電路的模塊能夠完成所期望的操作，而不受到系統中其他模塊的干擾。為了方便系統集成VXIbus規范要求機箱制造商和模塊制造商在其產品規范中給機箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標。系統集成者可以根據這些指標選擇合適的機箱和模塊。VXlbus系統通信通信是VXibus標準的又一個重要組成部分。VXIbus總線規范定義了幾種器件類型和通信協議。然而，

14、規范為了保證開放性，并沒有規定VXIbus主機箱和器件的控制方式，以便廠商可以靈活定義并與高速發展的PC技術同步。下一節將要詳細討論當前流行的幾種方式。每個VXIbus器件都有一個唯一邏輯地址(uniquelogicaladdress,ULA)，編號從0到255，即一個VXIbus系統最多有256個器件。VXIbus規范允許許多器件駐留在一個插槽中以提高系統的集成度和便攜性，降低系統成本，也允許一個復雜器件占用多個插槽，VXIbus通過ULA進行器件尋址，而不是通過器件的物理位置。3、VXI總線的優點3.1、開放的標準目前，已經有眾多不同的儀器制造廠商加入了VXl總線聯盟，推出儀器近萬種，同時

15、，各廠商所生產的VXI總線產品都符合相同的機械與電氣規范，不同廠商的同類產品能夠相互替換。3.2、高速數據傳輸VXI總線是一種32位并行方式的內總線，總線背板的數據傳輸速率理論上可以達到40Mb/s,一般不會成為數據傳輸的瓶頸。3.3、對儀器功能的有力支持VXI總線在VME總線的基礎上增加適合儀器應用的總線，且一個VXI儀器系統最多可連接256個器件。這些都為高精度、高速度儀器系統的實現提供了強大的支持。3.4、靈活性VXI總線規范支持A,B,C,D四種模塊尺寸，支持8位、16位、24位和32位數據傳輸，使用靈活。3.5、測試系統小型化，結構緊湊VXI總線采用了模塊化設計，對模塊及主機箱的尺寸

16、都做了嚴格規定，使系統尺寸較傳統儀器明顯縮小，易于攜帶。3.6、高可靠性和可維護性。3.7、模塊可重復利用。4、VXI總線的劣勢由于組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，因此造價比較高，一般的用戶難以接受。3.6 VXI總線的應用及發展VXI總線最突出的特征在于它具有緊湊的尺度、較高的數據吞吐量既靈活方便的性能。生產VXI產品的廠家超過了100家，VXI一起種類超過了3000種，可搭建各種不同的自動測試系統，包括野外使用的便攜式測試儀器、遠程數據采集應用及高性能數據采集和功能測試系統。目前，VXI總線已成為最好的虛擬儀器開發平臺。以VXI總線技術為核心組建的自動測試系統已經在家用

17、冰箱測試、鐵路電機測試、環保測試、電力測試、集成電路封裝測試、托卡馬克等離子體物理試驗、汽車燃油泵測試、電梯功能和安全測試等方面得到了較好的應用。在軍用方面，以航天測控公司等為代表的VXI總線產品開發和系統集成廠商，已經有幾十套VXI總線自動測試系統應用于導彈、飛船、運載火箭、發動機、飛機、雷達、魚雷、輕武器、火炮、裝甲車和制導炸彈等多個領域的測試中。四、基于PXI的自動測試系統PXI發展歷程PXI（PCIextensionsforInstrumentation，面向儀器系統的PCI擴展）是一種由NI公司發布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI結合了PCI（PeripheralCompo

18、nentInterconnection-外圍組件互連）的電氣總線特性與CompactPCI（緊湊PCI）的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范。制訂PXI規范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。這使它成為測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。PXI的總線結構及特征PXI繼承了PCI總線適合高速數據傳輸的優點，支持32位或64位數據傳輸，最高數據傳輸速率可達132M/s或528M/s，也繼承了compactPCI規范的一些優點。為滿足儀器

19、應用需要，PXI提供了8條TTL觸發總線、13條局部總線、10MHz系統時鐘和高精度星狀觸發線等資源。2.1PXI體系結構簡介系統控制插槽在PCI總線段的最左邊，為系統控制插槽定義一個固定位置可以增加PXI控制器和機箱的的兼容性，擴展到左邊插槽的PXI使得系統插槽不會占用寶貴的外設模塊插槽。PXI機械規范還定義了星狀觸發器控制插槽的位置，星狀觸發信號從這一插槽連接到PXI底板外設模塊插槽時，可插入其他外設模塊。PXI兼容系統和標準compactPCI產品的互操作性十分重要。許多PXI兼容系統的組成不需要PXI特殊的特性。CompactPCI和PXI都利用其具有的PCI局部總線來確保它們在電氣和

20、軟件上的兼容性。2.2電氣結構簡介PXI在標準的PCI總線的基礎上增加了儀器所需要的特殊信號，包括觸發線，星狀觸發線，專門的參考時鐘局部總線等。2.3軟件結構PXI定義了允許多個廠商的產品同時使用的硬件接口層標準，但不同于其他規范，PXI為了易于集成，支持標準操作系統結構并支持VXI即插即用聯盟開發的儀器軟件標準，同時支持所有外設模塊的驅動。2.4機械結構PXI系統除支持compactPCI機械特性外，為了更易于系統集成，另外增加了一些其他機械特性。包括系統槽的位置、控制器的互操作性、PXI標志、環境測試、制冷、接地和電磁兼容的指導方針等。PXI總線優點優點：繼承了PCI總線適合高速數據傳輸的

21、優點，支持32位、64位數據傳輸。最高數據傳輸速率可達132M/s也繼承了compactPCI規范的堅固、模塊化等優點，并且增加了適合儀器使用的觸發總線、局部總線等硬件特性和關鍵的軟件特性，是用于測量和自動化系統的高性能、低成本開發平臺。低成本，只需對模塊上的敏感元件進行金屬屏蔽，適用于現場測試領域。缺點：PXI不適用于大系統，不能在高端場合代替VXLPXI總線的應用及發展應用：PXI技術的應用日益廣泛，與傳統方案相比，基于PXI的自動化測試系統具有成本更低、體積更小、靈活度更高、易于升級等諸多優勢，更能滿足OEM寸成本的限制、產品復雜度、上市時間和質量控制等方面的要求，這是生產測試領域的福音

22、。在科技創新領域，PXI系統讓科研人員能快速完成原型設計。硬件方面，用戶可以選購所需要的PXI模塊，也可自行研發硬件。在軟件方面，系統的軟件層向用戶開放，用戶可以利用自己已有的IP定義算法。在大型強子對撞機的托克馬克裝置定時控制，天文望遠鏡鏡片控制，三網合一的關鍵技術研究與測試、風機硬件在環測試、癌癥早期探測、鳥巢體育唱結構健康監測等關鍵科研項目。展望：在摩爾定律依然有效的未來數年內，PXI設備的性能注定將被大幅提高。PXI系統的高度靈活性使得它能夠適應將來可能出現的新的熱點應用，姜維更多的工程師和科學家研發創新的有效工具。五、基于LXI的自動測試系統LXI發展歷程：LXI(LANextens

23、ionforinstrumentation)是一種基于局域網的模塊化測試平臺標準，它融合了GPIB儀器的高性能、VXI、PXI儀器的小體積以及LAN的高吞吐率，并考慮定時、觸發、冷卻、電磁兼容等儀器要求。其目的是充分利用當今測試技術的最新成果和PC機標準I/O能力，組建靈活、高效、可靠、模塊化的測試平臺。1. LXI總線結構及特征(1) 集成更為方便，不需要專門的機箱和零槽控制器。(2) LXI模塊既可以單獨使用，又具備模塊化的特點，可組成功能強大的復雜測試系統。(3) LXI模塊可與老的平臺集成在一起，安裝在標準機架上。(4) LXI規模可大可小，小到一個模塊，大到分布在世界各地，十分靈活。

24、(5) 可以利用網絡界面精心操作，無需編程和其它虛擬面板。(6) LXI平臺提供對等連接。(7) 測試項目改變時，LXI在LAN上的連接不必改變，從而縮短了測試系統的組建時間。(8) 連在LAN上的LXI模塊可采取分時方式工作，同時服務于不同的測試項目。(9) LXI塊塊的通風散熱、電磁兼容等方面的設計比較簡單。2. 基于LXI總線系統的優點基于以太網是LXI的最大特色。LXI基于著名的工業標準以太網技術，增加儀器系統需要的規范、語言、命令、協議等內容，從而構成新一代的模塊儀器接口規范。由于以太網技術非常成熟、其錯誤檢測、故障定位、長激勵互聯、搞通信數據率、樹狀拓撲結構等比現有計算機并行和串行

25、總線優越的多，(1) 提高了系統的靈活性并降低了成本(2) LXI可用標準的windows操作系統，可以利用通用軟件C/C+、visualbasic、labview和VEE等進行系統編程，可以利用網絡界面進行操作。(3) 提供分布式測試方式，LXI設備可以分布在世界任何地方，從任何地方進行訪問。3. LXI總線的應用及發展(1) 日益增長的系統復雜性和更多的系統協調需求(2) 越來越多的采用分布式系統結構(3) 網絡通信技術的應用(4) 成本限制隨著信息技術的發展，近十年來被測對象發生了很大的改變，總的來說，現在的測試對象有如下幾個共同點：測試對象具有不同等級的分布式特性，大到分布在幾百上千公

26、里的范圍內，小到分布在幾十米的范圍內；測試對象越來越復雜，測試數據量大，為了完成測試任務，需要大量的測試設備，如對3G通信網絡的測試需要成百上千個測試設備；對于某些測試任務，要求某些測試設備具有協同操作的特性，如某些工業自動化的動作控制部分要求100ns的時鐘同步性能；某些測試對象需要遠程測試和控制。自動測試總線包括傳統的GP舊、VXI、PXI總線，用這些總線構建自動化測試系統時測試節點數受限，且成本較高，這些總線自身不能構建分布式測試系統。因此傳統的測試總線由于自身的缺陷不能滿足分布式和復雜系統的測試需求，向分布式體系結構的轉變被看作是解決問題的必然選擇。五、自動測試系統的發展過程自動測試系

27、統的發展過程大體上可分為三個階段：第一代自動測試系統一一專用型專用型系統是針對具體測試要求而研制的，主要用于測試工作量很大的重復測試，高可靠性的復雜測試，用來提高測試速度或者用于人員難以進入的惡劣環境。第一代自動測試系統至今仍在應用。這類系統是從人工測試向自動測試邁出的重要的一步，是本質上的進步。它在測試功能、性能、測試速度和效率，以及使用方便等方面明顯優于人工測試。第一代自動測試系統的缺點突出表現在接口及標準化方面，帶來的突出問題是： 復雜的被測對象的所有功能、性能測試若全部采用專用型自動測試系統，則所需要的自動測試系統數目巨大，費用高昂，使保障設備的機動能力降低。 一旦被測對象退役，為其服

28、務的一大批專用自動測試系統也隨之報廢。第二代自動測試系統一一臺式儀器積木型它是在標準的接口總線的基礎上，以積木方式組建的系統。系統中的各個設備（計算機、可程控儀器、可程控開關等）均為臺式設備，每臺設備都配有符合接口標準的接口電路。組裝系統時，用標準的接口總線電纜將系統所含的各臺設備連在一起構成系統。這種系統組建方便，組建者一般不需要自己設計接口電路。積木式特點使得這類系統更改、增減測試內容很靈活，而且設備資源的復用性好。系統中的通用儀器既可作為自動測試系統中的設備來用，亦可作為獨立的儀器使用。應用一些基本的通用智能儀器可以在不同時期，針對不同的要求，靈活地組建不同的自動測試系統。組建這類自動測試系統普遍采用的接口總線為可程控儀器的通用接口總線GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）,在美國亦稱此