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作者:NI中國 技術(shù)市場(chǎng)工程師 徐 赟
在測試測量領(lǐng)域,儀器總線(xiàn)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60年代推出的專(zhuān)用于儀器控制的GPIB總線(xiàn),到現在被廣泛使用的 USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXI Express,不斷涌現的新型總線(xiàn)技術(shù)在幫助我們的工程師更快捷高效的完成測量任務(wù)的同時(shí),也引起了行業(yè)內專(zhuān)家們的廣泛爭論,究竟哪一種總線(xiàn)將會(huì )主宰未 來(lái)的測試測量領(lǐng)域呢?
未來(lái)的趨勢 —— 混合總線(xiàn)的測試系統
先讓我們回顧一下歷史,無(wú)論是GPIB還是串口,都已經(jīng)在測試行業(yè)應用超過(guò)了數十年,但至今仍有很多的工程師在繼續使用 或購買(mǎi)相應的儀器。再來(lái)看看幾乎已經(jīng)退出PC歷史舞臺的ISA總線(xiàn),在現在的一些工控機里我們仍舊可以看到ISA插槽的身影,甚至有不少廠(chǎng)商還在生產(chǎn)基于 ISA總線(xiàn)的數據采集卡和GPIB控制卡,滿(mǎn)足一部分客戶(hù)的需求??梢哉f(shuō),任何一種總線(xiàn)都有其在行業(yè)內獨特的優(yōu)勢,沒(méi)有一種總線(xiàn)會(huì )完美到可以取代其它任何 的總線(xiàn)。
所謂混合總線(xiàn)的測試系統,就是在一個(gè)系統中集成多個(gè)自動(dòng)化測試平臺的不同部件,包括PXI, PCI, GPIB, VXI, USB, LAN和LXI等不同的總線(xiàn)。從工程師的角度來(lái)看,當設計一個(gè)測試系統時(shí),往往需要平衡多方面的因素?,F在的產(chǎn)品變的越來(lái)越復雜,對混合信號測試的要求也 就越來(lái)越高,這樣就需要利用不同總線(xiàn)測試平臺的優(yōu)勢,搭建一個(gè)混合的測試系統來(lái)滿(mǎn)足測試的需求。例如您的系統可能需要像PXI和PCI Express等模塊化儀器總線(xiàn)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,完成一些特定的測試功 能。此外,使用混合的系統,工程師們可以很容易的在現有的系統上進(jìn)行升級或是添加新的部件,而無(wú)需重新設計整個(gè)系統。同時(shí),這樣的混合系統對軟件的架構提 出了更高的要求,希望無(wú)論是在驅動(dòng)服務(wù)層還是在應用軟件層都能對不同的總線(xiàn)平臺進(jìn)行無(wú)縫的支持,也就是說(shuō),一個(gè)統一的軟件架構將成為整個(gè)混合測試系統的核 心。(如圖1)
圖1:典型的混合總線(xiàn)測試系統的軟硬件架構
因此我們看到的是這些總線(xiàn)將會(huì )長(cháng)期的共存,未來(lái)測試系統的趨勢也將是基于混合總線(xiàn)的測試系統。而同時(shí),軟件會(huì )在這樣多廠(chǎng)商、多總線(xiàn)的混合系統中體現其核心的地位。
外部總線(xiàn) —— GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI
在測試測量行業(yè),外部總線(xiàn)主要提供傳統分立式儀器與PC之間的互連性,因此我們又通常將這一類(lèi)總線(xiàn)稱(chēng)之為分立儀器總線(xiàn)。 每一種總線(xiàn)針對不同的應用都有其獨特的優(yōu)勢,譬如說(shuō)GPIB作為最成熟的總線(xiàn)技術(shù),擁有最廣泛的可供選擇的儀器種類(lèi);使用USB,用戶(hù)可以充分利用其即插 即用的特性;而使用LAN/LXI,可以滿(mǎn)足用戶(hù)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(hù) 可以自由的選擇適合自己應用的總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)技術(shù)。
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(xiàn)技術(shù)?,F在計算機上的USB口越來(lái)越多,也使得工程師可以很方便的將基于 USB的測量?jì)x器連接到整個(gè)系統中。
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(xiàn)沒(méi)有工業(yè)標準的規格,在惡劣的環(huán)境下,可能造成數據的丟失;此外,USB對排線(xiàn)的距離也有一定的限制。
LAN和LXI
LAN作為一種成熟的技術(shù),在數年前就已經(jīng)被廣泛的應用于各種測試系統,如遠程的網(wǎng)絡(luò )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(lái)在這方面的空白。作為VXIbus規范的一部分,當時(shí)的VXI-11規范就定義了網(wǎng)絡(luò )儀器通過(guò)TCP/IP 進(jìn)行控制器和設備之間通訊的一系列標準。
LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)總線(xiàn)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(lèi),其中包含基于現成的IEEE 1588技術(shù)的定時(shí)指標和可選的LXI觸發(fā)總線(xiàn)。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(shù)(如LAN,IEEE 1588等)重新整合成一種新的標準,并沒(méi)有太多技術(shù)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(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,因為都是基于以太網(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,數據傳遞的實(shí)時(shí)性、數據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,它提供了標準的方法用于在網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現亞微秒級的設備同步。協(xié)議將從設備的時(shí)鐘和主設備的時(shí)鐘進(jìn)行同步,保證了所有設備中的任何事件和時(shí)間標記都 使用同一個(gè)時(shí)間基準。使用IEEE 1588進(jìn)行設備同步需要分兩步:(1)根據最佳主時(shí)鐘算法確定哪個(gè)設備將提供主時(shí)鐘;(2)測量和修正由于時(shí)鐘的偏移量(offset)和網(wǎng)絡(luò )延遲 (network delay)造成的時(shí)間誤差。
在現實(shí)的應用中,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)鐘的穩定性、網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構等。此外,網(wǎng)絡(luò )通訊中許多的變數都會(huì )或多或少的影響到同步的精度。
當我們打開(kāi)現代PC的機箱,我們會(huì )發(fā)現顯卡往往是基于高帶寬的PCI、AGP或是最新的PCI Express x16總線(xiàn),很少能見(jiàn)到基于USB,Ethernet等外部總線(xiàn)的顯卡;同樣,一臺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,但儀器內部還是使用了PCI總線(xiàn)用于內部數據的傳輸。上面的兩個(gè)例子都使用了內部總線(xiàn)用于海量數據的傳輸,因為像 PCI這樣的內部總線(xiàn),相比于外部總線(xiàn),能夠提供更高的總線(xiàn)帶寬和更低的傳輸延遲(見(jiàn)圖2)。接下來(lái)就讓我們來(lái)討論一下一些常見(jiàn)的內部總線(xiàn)。
圖2:相比于外部總線(xiàn),內部總線(xiàn)具有較高的總線(xiàn)帶寬和較低的傳輸延遲
內部總線(xiàn) —— VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express
內部總線(xiàn),我們也稱(chēng)之為模塊化儀器總線(xiàn),它提供了開(kāi)發(fā)者開(kāi)放的多廠(chǎng)商聯(lián)合的標準和靈活的軟件來(lái)創(chuàng )建用戶(hù)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(shí)提供更佳的軟件靈活性。如上圖所示,內部總線(xiàn)具有的高帶寬特性對于高速流盤(pán)和激勵/響 應測試的應用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,而低延遲則決定了少量數據傳輸時(shí)的測試時(shí)間,如對數據傳輸延遲要求較高的數字萬(wàn)用表+開(kāi)關(guān)的掃描測試。常見(jiàn)的內部總線(xiàn)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(xiàn),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(mǎn)足高端自動(dòng)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(yè)的測試等。然而,由于VXI價(jià)格昂貴且基于過(guò)時(shí)的VME總線(xiàn),而現代計算機又不支持這種總線(xiàn)結構;伴隨著(zhù)PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線(xiàn)的推出,VXI的市場(chǎng)份額逐漸的在減小,而PXI的增長(cháng)卻勢不可擋,早已在數年前超過(guò)VXI成為模塊化測試測量的主 流技術(shù)。PXI因為基于成熟的PCI總線(xiàn)技術(shù),和VXI相比,具有更快的總線(xiàn)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能夠提供納秒級的定時(shí)和同步功能以及堅固的工業(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(hù)可以最少的投資隨時(shí)升級整個(gè)測試系統。如此優(yōu)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(xiàn)帶寬的要求越來(lái)越高,即使132MB/s的PCI總線(xiàn)帶寬也難以滿(mǎn)足許多新興應用的需求。因此PCI-SIG(PCI總線(xiàn) 標準的制訂實(shí)體)推出了新一代的高速內部總線(xiàn):PCI Express。作為對PCI總線(xiàn)的一個(gè)革新,PCI Express保持了與PCI總線(xiàn)的軟件兼容性,并用高速串行總線(xiàn)代替了傳統的并行總線(xiàn)。PCI Express通過(guò)多通道差分信號來(lái)實(shí)現雙向數字的傳輸,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4GB /s的傳輸速率。與PCI總線(xiàn)上所有設備共享帶寬的方式不同的是,每個(gè)PCI Express設備都享有一個(gè)專(zhuān)用的帶寬來(lái)保證數據通路的暢通無(wú)阻(見(jiàn)圖3)。此外,PCI Express因為采用了先進(jìn)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 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(xiàn)在現今市場(chǎng)的巨大成功,因此很多專(zhuān)家都預測PCI Express將在未來(lái)成為高速總線(xiàn)的主流趨勢。
對于測試測量領(lǐng)域而言,PCI Express總線(xiàn)的推出使得許多高速的測試應用變?yōu)榭赡?,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(fā)生器,數字通訊協(xié)議的測試與 驗證等等,因此我們有理由預見(jiàn)PCI Express總線(xiàn)將在未來(lái)成為新一代的模塊化儀器總線(xiàn),為工程師們帶來(lái)更高的性能和更快的速度。
圖3:所有PCI Express插槽具有專(zhuān)用的帶寬來(lái)連接PC內存,無(wú)需像傳統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(xiàn)的發(fā)展,使得PXI在測試測量領(lǐng)域被廣泛的應用。如今將最新的PCI Express技術(shù)融入到PXI的標準中,使得新型的PXI Express總線(xiàn)可以幫助工程師滿(mǎn)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(guò)在背板使用PCI Express的技術(shù),PXI Express能夠將帶寬整整提高45倍,從原來(lái)PXI的132MB/s提高到現在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(zhuān)用儀器所統制的一些應用領(lǐng)域,如中頻乃至射頻的數字化儀、通訊協(xié)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(lái)同時(shí)支持基于PCI或PCI Express架構的模塊。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(xiàn)PXI Express為用戶(hù)帶來(lái)的先進(jìn)技術(shù)和高速性能。
軟件是核心 —— 使用統一的軟件平臺
混合系統作為測試測量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,使用戶(hù)能夠不僅享受模塊化儀器的高速和靈活性,同時(shí)能使用現有的分立式儀器進(jìn)行一 些特殊的測量。而軟件對于這樣多廠(chǎng)商,多總線(xiàn)的混合系統顯得尤為的重要。擁有一個(gè)統一的軟件架構能夠大大簡(jiǎn)化系統編程的復雜性,并避免不同儀器之間帶來(lái)的 兼容性問(wèn)題。
在圖1的混合系統中,底層的硬件使用了包含PXI、GPIB、LXI等多種測試總線(xiàn),而在上層卻是一個(gè)由測量和控制服務(wù) 層和應用開(kāi)發(fā)層組成的統一的軟件架構。測量和控制服務(wù)層包含靈活的設備驅動(dòng),用于連接軟件和硬件并簡(jiǎn)化硬件配置部分的測試代碼。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、易于編程且持續可升級的API來(lái)幫助開(kāi)發(fā)。VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)標準就是提供了這樣一種通用的API,負責和驅動(dòng)軟件進(jìn)行通訊,并且獨立于您所使用的儀器總線(xiàn)。無(wú)論是使用PXI, VXI, GPIB, LAN還是LXI總線(xiàn),VISA都提供了標準的函數庫和儀器進(jìn)行通訊,同時(shí)從軟件上保證了總線(xiàn)之間的互換性。此外,網(wǎng)上超過(guò)4000種可供下載的儀器驅動(dòng) 可以幫助您簡(jiǎn)化儀器功能的復雜性,快速的開(kāi)發(fā)儀器驅動(dòng)應用。作為儀器驅動(dòng)的另一種標準,IVI(Interchangeable Virtual Instrument)標準定義了通用儀器的互換性,對于一些指定的儀器類(lèi),如示波器,信號源等,您可以隨意的將現在使用的儀器換成一臺其他生產(chǎn)廠(chǎng)家、甚 至是其他總線(xiàn)的另一臺同類(lèi)的儀器,而不需要修改任何的軟件測試代碼。
在應用開(kāi)發(fā)層,開(kāi)發(fā)者總是希望使用符合行業(yè)標準的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統軟件的開(kāi)發(fā)。LabVIEW作為一個(gè)專(zhuān)為測 試測量設計的編程語(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(hù)高效和快速的開(kāi)發(fā)測試應用。伴隨著(zhù)LabVIEW 8的推出,使用LabVIEW進(jìn)行數據采集和儀器控制的功能被進(jìn)一步的加強,最新的項目管理和分布式智能更是適合混合測試系統的軟件開(kāi)發(fā)。目 前,LabVIEW已逐漸地成為測試測量行業(yè)標準的軟件開(kāi)發(fā)平臺。當然,除了LabVIEW,用戶(hù)也可以根據自己的喜好,選擇其他的編程語(yǔ)言,如 LabWindows/CVI,VB,C++等進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
軟件就是核心,LabVIEW加上標準的測量和控制服務(wù)(如VISA, IVI等)就構成了這樣一個(gè)統一的軟件平臺,幫助工程師簡(jiǎn)化軟件的復雜性,更好的發(fā)揮混合測試系統的強大功能。
總結
在當今的測試測量領(lǐng)域,無(wú)論是經(jīng)久不衰的傳統儀器總線(xiàn),還是新型高速的模塊化儀器總線(xiàn)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(xiàn)的混合測試系統,工程師們最終在乎的不再是使用何種總線(xiàn),而是無(wú)論使用任何總線(xiàn),軟件上都能予以支持并且能更高 效和快速的開(kāi)發(fā)相關(guān)的應用。因此,擁有一個(gè)標準的軟件平臺就顯得至關(guān)重要,它能夠幫助簡(jiǎn)化總線(xiàn)變化帶來(lái)的復雜性,并充分發(fā)揮不同總線(xiàn)的優(yōu)勢,讓用戶(hù)感覺(jué)就 像在一個(gè)平臺下進(jìn)行開(kāi)發(fā)那樣的簡(jiǎn)單和快捷。