1、自動測試系統硬件設計email： ATE實驗室：新主樓E303電話：823380411第四課 測試總線技術基礎總線技術基礎現有測試總線技術綜述GPIB總線VXI總線PXI總線LXI總線常用計算機總線：RS232、USB、IEEE1394、MXI-22第一節 總線的概念、規范與分類總線的概念總線是一組信號線的集合，是系統中各功能部件間進行信息傳輸的公共通道。總線標準正式的標準 Official standards 由企業定義被公眾接受的標準De facto standards 3總線接口必須滿足的條件（1）電氣相容包括在電平、極性、負載能力、驅動能力等一系列電參量之間必須相容或匹配，否則既使勉強

2、將各臺儀器聯接在一起，也不能順利運行，嚴重不匹配時，還會導致器件的損壞。（2）功能相容在功能方面，各臺儀器之間必須相互配合，比如一臺儀器具有發送數據的功能，另一臺或另一些儀器必須具有接收數據的功能；否則互聯在一起的儀器之間是無法進行正常的數據通信。（3）機械相容機械相容是指儀器連接時使用的接插頭的型式、尺寸、接線位置等各個方面必須互相配合，否則兩臺儀器根本無法接通，更談不上實現順利地通信了。為在互聯設備間實行數字式信息交換所必須的一整套與設備有關的接口的機械、電氣和功能要素，稱為數字接口系統。41.1.1 總線標準規范的內容機械結構規范規定模塊尺寸、總線插頭、連接器等的規格電氣規范規定高低電平

3、、信號動態轉換時間、負載能力及最大額定值功能結構規范數據線、地址線、讀寫控制邏輯線、時鐘線以及電源線、地線等 中斷機制 總線主控仲裁 應用邏輯，如握手聯絡線、復位、自啟動、休眠維護等51.1.2 總線的分類按其規模、用途及應用場合 片內總線片間總線MotorolaSPIPhilipsI2C內總線ISA、 PCI、EISA、 STD 、VME 、VXI、PXI外總線RS232、USB，GPIB、IEEE1394、MXI-2、LXI 61.1.3 采用標準總線的優點1）簡化系統設計 ；2）簡化系統結構，提高系統可靠性； 3）便于系統的擴充和更新； 4）能得到多家廠商的支持，便于組織生產，便于維修，

4、經濟性好。71.1.4 總線的數據傳輸一次數據傳輸經歷的4個階段 申請仲裁（arbitration）占用總線階段尋址（addressing）階段 數傳（data transfering）階段 錯誤檢測/結束（ending）階段 81.1.5 總線傳輸的控制方式同步傳輸 信息傳送由公共時鐘控制，公共時鐘連接到所有的模塊，所有操作都在固定時間發生，不依賴于源或目的。異步傳輸 采用握手信號線協調源和目的間的信息傳輸。半同步傳輸：異步和同步的結合。91.1.6 總線性能參數帶寬 帶寬度量的是總線傳送數據的速率，常用單位為MB/s（每秒鐘106字節）。總線帶寬越高，在給定時間內傳送的數據就越多。時延 時

5、延度量的是數據通過總線傳輸導致的延遲。打個比方，如果把一個儀器總線比作一條高速公路，帶寬就相當于車道數和車輛行駛速度，而時延就相當于由上下岔口引起的延遲。具有低（即較好）時延的總線，會在傳送數據的一端和處理數據的另一端間引入較少的時間延遲。101.1.6 總線性能參數基于消息與基于寄存器的通信 采用基于消息通信的總線一般較慢，因為這種通信模式增加了命令解釋和在數據前后填充命令的開銷。采用基于寄存器的通信，數據傳送則是通過對設備上的硬件寄存器直接讀出或寫入二進制數據完成，因此傳輸速度較快。地域分布環境下的性能 對于遠程監測應用和涉及大的地理范圍的測量系統，范圍變得非常重要。在這類應用中，性能可以

6、視為與時延的折中，因為檢錯和消息填充能夠克服通過較長距離線纜傳送數據的物理限制，但也會增加發送和接收數據的時延。 111.2 測試總線技術綜述測試總線的發展趨勢內部總線外部總線121.2.1 測試系統的發展趨勢 混合總線測試系統131.2.2 外部測試總線GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXIUSB（ Universal Serial Bus ）USB 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。現在計算機上的USB口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基

7、于USB的測量儀器連接到整個系統中。USB在儀器控制方面的缺點 USB的排線沒有工業標準的規格，在惡劣的環境下，可能造成數據的丟失；USB對排線的距離也有一定的限制。141.2.2 外部測試總線GPIB特點 （1）最大帶寬為1.8 MB/s （2）適宜獨立儀器的控制與通信 （3）高速版帶寬8MB/s （4）基于消息的通信模式 （5）多個儀器掛在總線上共享帶寬，時延小 （6）線纜堅固抗干擾能力強151.2.2 外部總線LAN和LXI特點適合實現分布測試，完成遠距離測控任務，數據傳輸吞吐量大，軟件傳輸協議TCP/IP技術成熟，與計算機總線兼容，伴隨著計算機總線技術的提升性能不斷提高。LXI 增加了

8、IEEE1588時鐘同步協議，基于web的儀器操作軟面板，采用IVI-COM儀器驅動器。缺點 數據傳輸延時大，儀器功能模塊還不夠豐富，以太網本身技術還有一定缺陷。16外部總線和內部總線性能的比較17內部總線VXI、PXI、PXI-EXPRESS 特點 VXI最早的模塊化儀器總線，減少測試系統體積，提高電磁兼容性，目前主要是軍用等高端用戶采用，但總線傳輸速率慢（40MB/S）支持廠家減少； PXI以PCI總線為基礎，總線速度快，模塊體積小，定時精度高。當電磁兼容性較差，高端儀器功能受限，支持廠家較少； PXI-EXPRESS以PCI-EXPRESS 總線為基礎，總線傳輸速度快，適合大吞吐量圖像傳

9、輸，高速信號測試等應用；18PCI-EXPRESS的特點191.3 GPIB（General Purpose Interface Bus）總線基礎 GPIB總線的發展GPIB總線系統的構成GPIB總線的基本特性GPIB總線的接口功能GPIB總線三線掛鉤聯絡過程GPIB總線標準201.3 GPIB總線的發展HP 設計 HP-IBHP-IB成為IEEE488IEEE488.1-1987IEEE488.2SCPI被引入IEEE488修訂IEEE488.2NI提出HS488Standard Commands for Programmable Instruments1965197519871990199

10、2199321 GPIB總線的目標實現在有限距離內（例如在一個實驗室內）的通用接口系統；實現測試系統內各設備之間無歧義的可靠通信；被聯接的各設備之間可以互相直接通信，而不一定要通過中介單元（測試控制器）的媒介；對被聯接設備應盡可能少的限制條件；通信應是異步的（無需同步）；價格低廉，以便亦能適用于廉價的簡單測試系統；使用靈活、簡單、方便，容易理解、掌握和使用。221.4 GPIB總線系統構成231.4.1 GPIB總線設備的基本工作方式 GPIB總線上的設備按基本工作方式分三種：聽者、講者和控者；聽者: 該設備從總線接收數據；講者：該設備向總線發送數據；控者：用尋址別的設備的方法來實現對總線的管

11、理或批準某一講者暫時占用總線；在任何時刻，只能有一個總線控者或講者起作用；總線上每一個設備應有自己確定的地址。241.5 GPIB的基本特性1互聯方式(總線型) 系統實物連接如圖3.1，其概念模型如圖3.2 測試系統所使用的全部儀器和計算機均通過 一組標準總線相互連接。 圖3.1 系統實物連接(a)菊花鏈形(b)混合形25互聯方式的優點首先,系統的組成比較方便、靈活；組建和拆解測試系統十分簡單。其次,采用這種連接方式使儀器與儀器之間可以直接“通話”而無須通過中介單元（一般是計算機）。接口系統標準接口總線 GPIB計算機器件器件器件儀器系統261.5 GPIB的基本特性（續）2總線構成(16條信

12、號線) 8條數據線、3條掛鉤線、5條管理線。 3設備容量(15臺) 可采用增加母線的方式擴大容量，每增加一條總線可增加14個器件，最大可增加到14x14=196個器件。4地址容量(31個聽地址,31個講地址) 25-1=31 31x31=961（兩個字節表示）5數傳方式(bit并行、Byte串行、雙向異步傳遞) 271.5 GPIB總線的基本特性（續）6. 數傳輸率： max: 1MB/s type: 500KB/s7數據傳遞距離（不超過20m）每臺設備的電纜長度不超過 2m 2m*n20m n為器件個數8接口功能（共10種）9GPIB系統的控制（總線控者/測試系統控制器） 10消息邏輯（TT

13、L電平，負邏輯） 281.6接口功能接口功能的含義： 器件與接口系統之間的每一種交互作用便稱為一種接口功能。（邏輯劃分） 綜合分析系統中控者、講者、聽者的運行情況，找出共性的邏輯關系，歸納出10種接口功能。29GPIB 10種接口功能名稱代號英文原文源方掛鉤SHSource Handshake受方掛鉤AHAcceptor Handshake講者(擴展)T(TE)Talker聽者(擴展)L(LE)Listener控者CController服務請求SRService Request遠地/本地RLRemote/Local并行查詢PPParallel Poll器件觸發DTDevice Trigger器

14、件清除DCDevice Clear五種基本接口功能五種輔助接口功能30（1）SH功能(Source Handshake源方掛鉤)驅動：DAV數據有效線監測：NRFD沒有準備好線 NDAC數據未接收線 1) 要發送命令或數據的控者器件或講者器件必須具備。 2)SH功能保證發送消息一方能有效地與接收消息一方掛鉤，控制消息傳輸的開始與結束。 3)同一時刻只能有一個SH功能起作用。31（2）AH功能(Acceptor Handshake受方掛鉤)驅動：NRFD沒有準備好線 NDAC數據未接收線監測：DAV數據有效線所有可程控器件必須具備。要接受尋址、命令或數據的器件必須具備。32（3） T功能(Tal

15、ker講者) 此功能使一個器件具有傳送與器件有關的數據給其它器件的能力。在串行查詢SP（Serial Poll）時能傳送狀態信息給其它器件。這種能力只有器件被定址為講者才存在。若器件只有一個字節的地址，稱為T，若器件需要兩個字節才可定址，稱為TE。 同一時刻最多有一個講者起作用。33（4） L功能(Listener聽者)包括LE功能 (Extended Listener擴大聽者) 。需要從母線上接收數據的器件設立L功能。（例如打印機）同一時刻可以有多個聽者。34（5） C功能 (Controller控者)主要是為計算機或其它控制器而設立的。 一般來說，自動測試系統都由計算機來控制和管理，在系統

16、運行中，根據測試任務的要求，計算機經常格要向有關器件發布各種命令，比如復位系統，啟動系統，尋址某臺器件為講者或聽者，處理服務請求等，這些活動都可以通過控者功能來實現。35（6） SR功能 (Service Request服務請求)類似于計算機的外部中斷功能。 SR功能不僅可供器件出現臨時故障時向控者發出SRQ消息，而且也為正常運行的器件與控者聯系而提供了一種渠道。36（7） RL功能 (Remote/Local遠地/本地)（8） PP功能 (Parallel Poll并行查詢) 允許不具有講者功能的器件可以通過PP功能來接受控者的查詢。為器件選擇接受本控或遠控方式而設立的。37（9） DT功能

17、(Device Trigger器件觸發)（10） DC功能(Device Clear器件清除) 為了讓控者能夠單獨地啟動一臺或成群地啟動幾臺器件而設立的。 能使器件功能回到某種指定的初始狀態。382 GPIB器件模型一、 邏輯組成模型 器件功能區：完成器件所擔負的測控功能。產生器件消息（Device Dependent Message）通過接口編碼送上Bus；同時也接受由接口譯碼的別的器件發出的器件消息。器件消息遠地接口消息器件功能器件功能接口功能接口功能總線本地消息本地消息圖2.1 GPIB器件/儀器模型 39接口功能區與消息接口功能區：實現器件間的匹配連接（機械、電氣、功能，運行）用以管理

18、和控制器件消息的傳遞。接口消息：由接口功能接受，并據之改變狀態的消息（Interface Massages）遠地接口消息：經由GPIB總線傳遞本地接口消息：在器件功能與接口功能之間傳遞40消息編碼及傳遞 標準接口中通訊的內容稱為消息。一、消息分類規定用三個大寫或小寫的英文字母表示。IFC(Interface Clear)：接口清除消息rdy(ready)：器件內部準備好消息1、按內容分為：接口消息和器件消息。（1）接口消息：由控者發出，用于管理接口系統并由各個器件的接口功能利用和處理的消息。包括通令、指令、副令、地址等，判斷標準: ATN=1。41(1)接口消息如：DCL器件清除如：GET群觸

19、發、PPC并行查詢組態如：PPE并行查詢可能 通令：系統中所有器件都必須接受的命令。 指令：系統被指定的一臺或多臺器件接受的命令 （址令、專令）。 副令：在指令后緊接著發出的補充命令，由指令指定的器件接收。 地址：控者發出的聽地址或講地址。聽地址：X01L5L4L3L2L1講地址：X10T5T4T3T2T142（2） 器件消息 器件消息：由講者發出的消息，與器件的特性有關、由器件功能利用其處理的消息。 包括數據字節(DAB)、程控數據(PDB) 、狀態字節(STB)，判斷標準是ATN=0。 這類消息是由一臺器件的器件功能產生并由T功能參與傳遞；再由其他器件的L功能參與接收并傳到其器件功能去利用

20、和處理。 雖然在數據母線上傳遞數據消息時，T、SH、L、AH功能參與活動，但T功能或L功能以及其他任何接口功能都不能對器件消息起任何反應，器件消息也不能改變接口功能的狀態。 432 按傳遞途徑分按傳遞途徑分為：遠地消息和本地消息。（1）遠地消息：由器件接口外部通過標準電纜傳遞的消息。它可以是接口消息，也可以是器件消息，可以是在DIO線上傳遞的消息，也可以是在管理線或掛構線上傳遞的消息。 在通用接口系統中，遠地接口消息統一用三個大寫英文字母表示、如ATN(注意)、SRQ(服務請求)、MLA(我的聽地址)、SPE(串行查詢可能)等。44（2）本地消息本地消息：產生于器件內部從器件的器件功能傳到接口

21、功能，而且不通過標準電纜向外傳遞的消息。本地消息用三個英文小寫字母表示，如pon(電源接通)、rdy(準備好)、nba(新字節可用)等。 本地消息只能在器件內部傳遞，不容許將本地消息傳到母線上，更不容許一臺器件的本地消息傳到另一臺器件去。45按消息占信號線數來分 按消息占信號線數來分，可分為單線消息和多線消息 。（1）單線消息：由一條線傳遞的消息。如REN、ATN、DAV等， 在同一時間內可以同時傳遞多個有用的單線消息。46（2）多線消息 多線消息：使用2根或多根線傳遞的消息。 在命令工作方式諸DIO線上傳播的是多線接口消息，包括通令、專令、地址、副令及地址等。 在數據工作方式，DIO線上傳遞

22、的是多線器件消息，包括測量數據、狀態數據、程控數據以及顯示數據等。 在任何指定時刻或一段時間內，諸DIO線上只能傳遞一種多線消息，而不能同時傳遞兩種多線消息。 4716線制：8條數據線：DIO8DIO1 8條管理線：3條掛鉤線：DAV, NRFD, NDAC5條管理線：ATN, REN, IFC, SRQ, EOI 控制和數據處理 控者聽者講者測量儀器聽者 講者信號源 聽者記錄儀 聽者用戶編程DUT硬復制輸出被測設備激勵接口功能器件功能 DIO (18) DAV NRFD NDACATNREN IFCSRQ EOI16條信號線和地址線程控器件數據線數據字節（Byte)傳送控制線接口管理線2.1

23、 GPIB 總線的結構48（1）數據線DIO (共8條) （2）掛鉤線(共3條) 用于保證發送方發送的數據能被接收速度不同的器件可靠地異步接收到。DAV(Data Valid)數據有效線NRFD(Not Ready For Data)沒有準備好線NDAC (Not Data ACcepted)數據未接收線 Data Input and Output(數據輸入輸出線)，縮寫為DIO線，有8條，分別記為DI08DIO1。 注意腳標是18，不像計算機 是07。49DAV(Data Valid)數據有效線源方：消息傳遞中發送消息的一方。受方：消息傳遞中接收消息的一方。DAV由源方控制。當DAV=1時，

24、表示數據線上的消息是有效的，接收方(受方)可以從數據線上接收消息。當DAV=0時，表示數據線上的消息是無效的，接收方(受方)不能從數據線上接收消息。50NRFD(Not Ready For Data)沒有準備好線或未準備好接收數據線 由受方共同控制，受方用此線向源方傳遞RFD(準備好)消息。 NRFD=1時，表示受方至少有一個器件尚未準備好接收效據，源方不能在數據線上傳遞消息。NRFD=0時，表示受方所有器件已經準備好接收效據，源方可以在數據線上傳遞消息。51NDAC (Not Data ACcepted) 數據未接收線 由受方共同控制，在源方發出DAV消息宣布數據有效之后，受方利用NDAC線

25、傳送DAC( 數據已接收)消息。 NDAC =1時，表示受方至少有一個器件還沒有從數據線上接收消息。 NDAC =0時，表示受方所有器件已經從數據線上接消息。52（3）管理線(共5條) 用來管理通過接口的有序消息流，大部分管理線都由控者使用。ATN(ATteNtion)注意線IFC(InterFace Clear)接口清除線REN(Remote ENable)遠控使能線EOI(End Or Identify)結束或識別線SRQ(Service ReQuest)服務請求線53ATN(ATteNtion)注意線 由當前控者控制。 ATN=1時，表示現行控者正在起作用，此時數據線上的消息是控者發出的

26、接口消息，此消息只對接口功能起作用，并不傳到器件功能電路。 ATN=0時，表示現行控者已退出控制，此時數據線上的消息是講者發送的器件消息，此消息經器件譯碼后引起器件功能變化。 ATN由0變為1時表示控者要由空閑態進入作用態，此時現行講者與聽者間的掛鉤要立即中斷。54IFC(InterFace Clear)接口清除線 由系統控者使用，系統控者用這條線傳送IFC(接口清除)消息。 當IFC=1時，表示系統控者發出的IFC消息，系統中各器件的有關接口功能都必須回到指定的初始狀態。規范規定IFC=1至少保持100微秒以上，才能令IFC=0，使各個器件的接口功能能正常運行。55REN(Remote EN

27、able)遠控使能線 由系統控者使用，系統控者用這條線傳送REN (遠控使能)消息。 REN=0時，程控器件回到本地程控（本控）狀態，它的工作狀態通過面板或背板上的開關按鍵進行人工調整和控制。 REN=1時，并由控者對各程控器件任命為聽者后，進入遠地程控（遠控）狀態，它的工作狀態由計算機或其他器件經過母線傳送程控制令進行自動控制和調整。 此時可以由控者發指令或按面板的“返回本地”按鈕使器件返回本控狀態。56EOI(End Or Identify)結束或識別線SRQ(Service ReQuest)服務請求線 由有服務請求的各器件共同使用，是各器件的SRQi的邏輯或。 可由現行控者或現行講者使用

28、，并與ATN線配合發出END(結束(講者)或者IDY(識別(控者)消息。57（4）尋址 尋址：根據測試任務的需要，由控者指定哪臺器件擔任講者，哪一臺或哪幾臺器件擔任聽者的過程。 尋址是控者起作用時的主動行為，即系統中只有控者才能發講地址或聽地址。對非控者器件只能被尋址，即被動地接收地址消息。 器件收到控者發出的講地址或聽地址，若與自設定的地址相符，則被任命為講者或聽者。 在全掛鉤方式下，同一時刻，系統只能有一個講者，可以有一個或多個聽者。58與計算機總線尋址的不同沒有地址線，命令、地址、數據都通過數據線傳遞，消息傳遞無時鐘同步，也沒有讀寫信號控制，而靠三線掛鉤實現異步傳輸；尋址是一種授權方式，

29、并不立即從被尋址的器件讀取任何數據。系統運行時尋址是重要的方式,但不是必要的。(如發通令和無控者系統)59地址碼 ATN=1時，控者發送的地址碼格式：聽地址：X01L5L4L3L2L1講地址：X10T5T4T3T2T1 最高位X表示任意，末五位L5L1或T5T1不能選11111，因為X0111111表示不聽(UNL)， X1011111表示不講(UNT)，分別有取消聽者任命和講者任命的作用。60地址碼 2 聽、講地址各有 25-1=31個，分別稱為LAG(Listen Address Group聽地址群)和TAG(Talk Address Group講地址群)。 規范還規定了擴大的尋址方式：雙

30、字節尋址方式，先發主地址(編碼同上)，在發副地址， 副地址編碼： X11S5S4S3S2S1 同樣末五位不能選11111。61聽講者任命方式 在系統運行不同時刻的聽者和講者不同，需要時再重新任命或取消任命。 規范定義三種取消講者或聽者的任命方式： 系統控者令IFC=1，使所有器件的接口功能被清除到初始狀態，從而取消原來的任命。 控者發UNL(ATN=1且編碼為3FH)取消系統所有的聽者任命，UNT(ATN=1且編碼為5FH)取消系統所有的講者任命，不過UNT一般已經不用。62聽講者任命方式 2系統中同一時刻只有一個講者起作用。所以當講者在ATN=1時收到 MLA(My Listen Address我的聽地址)或OTA(Other Talk Address其它的講地址) 后取消講者任命；當聽者收到自己的講地址(MTA)后取消聽者任命，但收到其它的聽地址(OLA)后聽者任命依然有效，這樣保證允許一講多聽。632.2 GPIB總線三線掛鉤聯絡過程 三根信息傳送控制線定義：DAV（數據有效） 用來表示數據線上的數據是否有效，DAV=1表示 數據有效。NRFD（Not Ready For Data）未準備好接受數據，此線為受者掛鉤功能所專用。NDAC（Not D