摘 要：自動測試系統(tǒng)滿足現(xiàn)代科研生產(chǎn)中對測試高速度和高精度的要求，其發(fā)展方向是標準化、模塊化和系列化，而標準的總線技術(shù)是滿足這三化的關(guān)鍵技術(shù)，總線技術(shù)作為自動測試系統(tǒng)的核心，其發(fā)展推動了自動測試系統(tǒng)的更新?lián)Q代。按照自動測試系統(tǒng)中出現(xiàn)的總線技術(shù)的順序，依次對GPIB，VXI，PXI，LXI的基本特性、優(yōu)缺點及應(yīng)用進行概括，重點是結(jié)合在實際中組建自動測試系統(tǒng)對總線的選型，從宏觀上比較了選取傳統(tǒng)的卡式儀器總線或基于以太網(wǎng)的新型總線的因素，從而使用戶在選取總線時更有針對性和目的性。

關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)；總線技術(shù)；GPIB；VXI；PXI；LXI

Bus echnology in the A

CAO Chengjun，ZANG ongwei

(Ordanace Engineering College，hijiazhuang，00003，China)

Abstract：he Automatic est ystem(A)meets the needs of high testing speed and precision in modern scientific research and production，the develop direction of which is standardization，modularization and serializationtandard bus technology is the critical parts in the process of achieving this directionAs the core of A，the development of bustechnology promotes the evolution in the AAccording to sequences of the bus technology appeared in the A，the basic characteristics，advantages，disadvantages and application of GPIB，VXI，PXI，LXI are summarized in sequencehe emphasis is in combining how to choose the type of the bus to build the A in practice，the factors of selecting module instrument bus or the new kind of bus based on Ethernet are compared from macroscopic view，so that the customers can choose the kind of the bus more pertinently and purposely

Keywords：A;bus technology;GPIB;VXI;PXI;LXI

1 引 言

自動測試系統(tǒng)(Automatic est ystem，A)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(wù)的儀器系統(tǒng)，其發(fā)展大致可分為3個階段，即專用型、積木型和集成型的模塊化儀器。第一代自動測試系統(tǒng)多為針對具體測試任務(wù)而研制的專用系統(tǒng)，至今仍在應(yīng)用，但其突出的缺點是設(shè)備接口不具備通用性。

在第二代自動測試系統(tǒng)中，出現(xiàn)了特殊的連接總線、GPIB、CAMAC和R 232C等多種類型的總線。在第三代測試系統(tǒng)中，出現(xiàn)了VXI，PXI等總線，隨著科技的進步發(fā)展，出現(xiàn)了更新的總線LXI。這些總線技術(shù)推動了自動測試系統(tǒng)的進一步發(fā)展，使得AE測試平臺技術(shù)具有很強的互換性和互操作性。

下面就A中的GPIB，VXI，PXI，LXI做一介紹。

2 GPIB總線

GPIB 是通用接口總線的簡稱，是美國P公司擬制，為可程控儀表設(shè)計的，因此又稱P-IB總線。

21 GPIB總線的基本特性：

GPIB總線［1］是一種并行方式的外總線，包括8條數(shù)據(jù)線、條控制線、3條掛鉤線和8條底線，采用比特并行、字節(jié)串行的雙向異步通信方式?？偩€上傳遞消息的邏輯電平為負邏輯的L電平，數(shù)據(jù)傳輸速率一般為20～00 kb/s，最高可達1 Mb/s。 受發(fā)送器負載能力的限制，接口系統(tǒng)內(nèi)儀器數(shù)目最多不能超過1臺。一個GPIB總線系統(tǒng)所使用的電纜總長度不能大于20 m，或者系統(tǒng)中的器件數(shù)乘以2 m的值不能大于20。系統(tǒng)采取單字節(jié)地址時，可以有31個講地址和31個聽地址；采用雙字節(jié)地址時(前一字節(jié)為主地址，后一字節(jié)為副地址)，可以有961個講地址和961個聽地址。GPIB系統(tǒng)支持10種基本的接口功能，其包括：控者、講者、擴大講者、聽者、擴大聽者、源者掛鉤、受者掛鉤、服務(wù)請求、遠地/本地、并行查詢、器件觸發(fā)和器件清除功能。圖1為GPIB總線的自動測試系統(tǒng)。

22 GPIB總線的優(yōu)劣

221 優(yōu)勢

GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，有專為儀器控制所設(shè)計的接口信號和牢固的接插件，同時由于幾乎所有獨立儀器都有GPIB接口，因而體現(xiàn)了其便利性和簡單性。同時具有良好的抗干擾能力和通用性。

222 劣勢

(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率較低，最大傳輸速率為1 Mb/s，投入費用高，可靠性不是太好。

(2) 文獻[2]以GPIB總線為基礎(chǔ)，很難組建體積小、質(zhì)量輕的自動測試系統(tǒng)，對某些場合，特使是對體積、質(zhì)量要求高的軍事領(lǐng)域不適用。

(3) 無法提供多臺儀器同步和觸發(fā)的功能，在傳輸大量數(shù)據(jù)時帶寬不足。

23 GPIB總線的應(yīng)用

GPIB系統(tǒng)當前在市場上占有量是所有總線系統(tǒng)中最大的，主要應(yīng)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(chǎn)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(yè)生產(chǎn)了各種GPIB的接口芯片。采用GPIB的自動測試系統(tǒng)，在完成要求測量時間極短、數(shù)據(jù)處理量大、測試現(xiàn)場對操作人員有害或操作人員參與容易產(chǎn)生人為誤差的任務(wù)中極為合適。

3 VXI總線

VXI總線規(guī)范是國際家著名的測試和儀器公司組成的聯(lián)合體共同制定的。這家公司是Colorado Data ystems，ewlett-Packard，Racal-Dana Instruments，ektronix和Wavetek。 該聯(lián)合體與1987年7月提出了VXI總線的第一個版本，幾經(jīng)修改和完善，于1992年9月17日經(jīng)IEEE標準局批準為IEEE-11-1992標準。

[B3+2]31 VXI總線的基本特性

VXI總線系統(tǒng)是在VME總線系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了為適應(yīng)儀器系統(tǒng)所需的總線而構(gòu)成的。圖2示出VXI總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

(1) 機械結(jié)構(gòu)標準［3］完善

VXI總線模塊共有4種標準尺寸和3個連接器，如圖3所示。

(2) 電氣結(jié)構(gòu)［4］功能強

按照功能的不同，VXI總線系統(tǒng)可分為8種總線：VME計算機總線、時鐘和同步總線、模塊識別總線、觸發(fā)總線、相加總線、本地總線、星型總線、電源線。如圖4所示。

(3) 電磁兼容性好

為滿足電磁兼容性［3］的要求，VXI模塊的寬度從原來VME模塊的08 in增加到12 in(1 in=24 cm)，以便有足夠的空間將整個模塊完全屏蔽在一個金屬罩子里，并通過被板將金屬外殼接地。

32 VXI總線的優(yōu)劣

321 VXI總線的優(yōu)勢［1，］

(1) 開放的標準

目前，已經(jīng)有眾多不同的儀器制造廠商加入了VXI總線聯(lián)盟，推出儀器近萬種，同時，各廠商所生產(chǎn)的VXI總線產(chǎn)品都符合相同的機械與電氣規(guī)范，不同廠商的同類產(chǎn)品能夠相互替換。

(2) 高速數(shù)據(jù)傳輸

VXI總線是一種32位并行方式的內(nèi)總線，總線背板的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以達到40 Mb/s，一般不會成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

(3) 對儀器功能的有力支持

VXI總線在VME總線的基礎(chǔ)上增加適合儀器應(yīng)用的總線，且一個VXI儀器系統(tǒng)最多可連接26個器件。這些都為高精度、高速度儀器系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強大的支持。

(4) 靈活性

VXI總線規(guī)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(shù)據(jù)傳輸，使用靈活。

() 測試系統(tǒng)小型化，結(jié)構(gòu)緊湊

VXI總線采用了模塊化設(shè)計，對模塊及主機箱的尺寸都做了嚴格規(guī)定，使系統(tǒng)尺寸較傳統(tǒng)儀器明顯縮小，易于攜帶。

(6) 高可靠性和可維護性。

(7) 模塊可重復(fù)利用。

322 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。

33 VXI總線的應(yīng)用

目前，VXI總線已成為最好的虛擬儀器開發(fā)平臺。以VXI總線技術(shù)為核心組建的自動測試系統(tǒng)［6］已經(jīng)在家用冰箱測試、鐵路電機測試、環(huán)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(yīng)用。在軍用方面，以航天測控公司等為代表的VXI總線產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)集成廠商，已經(jīng)有幾十套VXI總線自動測試系統(tǒng)應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛船、運載火箭、發(fā)動機、飛機、雷達、魚雷、輕武器、火炮、裝甲車和制導(dǎo)炸彈等多個領(lǐng)域的測試中。

4 PXI總線

1997年9月1日，NI發(fā)布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范-PXI。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范［1，3］，從而形成新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。

41 PXI總線的基本特性

PXI總線體系結(jié)構(gòu)涵蓋了3大方面的內(nèi)容：機械、電氣和軟件規(guī)范，如圖所示。

411 PXI總線的機械規(guī)范:

PXI總線的機械規(guī)范表現(xiàn)在：

(1) 與CompactPCI共享的機械特性，具體體現(xiàn)在PXI采用了CompactPCI規(guī)范所引入的高性能IEC連接器和Eurocard堅固封裝形式。

(2) 新增加的電氣封裝規(guī)范PXI機箱中的系統(tǒng)槽必須位于最左端，而且主控機只能向左擴展以避免占用儀器模塊插槽；規(guī)定模塊所要求的強制冷卻氣流流向必須由模塊底部向頂部流動；建議的環(huán)境測試包括對所有模塊進行溫度、濕度、振動和沖擊試驗，并以書面形式提供試驗結(jié)果；規(guī)定了所有模塊的工作和存儲溫度范圍。

(3) 保持了與CompactPCI產(chǎn)品的互操作性。

412 PXI總線的電氣規(guī)范

PXI使用了標準的PCI總線，并增加了用于儀器的特殊總線，包括8條L公共觸發(fā)總線、星型觸發(fā)、1個專用的10 Mz的系統(tǒng)參考時鐘和具有13線的數(shù)據(jù)寬度的本地總線，從而滿足了許多儀器的精確定時、同步和邊帶通訊的需要。

413 PXI總線的軟件規(guī)范

PXI總線的軟件規(guī)范主要體現(xiàn)在：

(1) PXI的軟件要求包括支持Microdoft Windows N/9(WIN 32)這樣的標準操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息(Configuration information)和支持標準的工業(yè)開發(fā)環(huán)境(如NI的LabVIEW，LabWindows/CVI，Microsoft的VC/C++，VB，Borland的C++等)，而且符合VIA規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動程序，從而使PXI系統(tǒng)更容易集成和使用。

(2) 對已有儀器標準的支持。提供與現(xiàn)有儀器標準如GPIB，VXI以及串口等設(shè)備的互操作方法。

(3) 定義儀器模塊和機箱制造商必須提供用于定義系統(tǒng)能力和配置情況的初始化文件等其他一些軟件要求。初始化文件所提供的這些信息對操作軟件正確配置系統(tǒng)必不可少。例如，通過這種機制，可以確定相鄰儀器模塊是否具有兼容的局部總線能力。如果信息不對或者丟失，將無法操作和利用PXI的局部總線能力。

42 PXI總線的優(yōu)劣

(1) 優(yōu)勢：PXI總線的傳輸速率高，最高可達28 Mb/s，技術(shù)性能好，可靠性高，具有CompactPCI的優(yōu)點，并且做到了PXI產(chǎn)品與CompactPCI產(chǎn)品的雙向交換，形成了一種性價比極高的虛擬儀器系統(tǒng)。

(2) 劣勢：PXI發(fā)展時間還比較短，儀器功能的覆蓋面有限，儀器品種較少。在高端領(lǐng)域，完成較復(fù)雜、尖端的測試任務(wù)時，以及對速度和精度要求特別高的場合，不一定能達到要求的指標。 

43 PXI總線的應(yīng)用

PXI已經(jīng)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化與控制、軍用測試、科學實驗等領(lǐng)域，而且對于各種便攜式、臺式和標準架裝測試系統(tǒng)都是適宜的。特別在工業(yè)自動化與控制領(lǐng)域，PXI以其良好的特性得到了業(yè)界的青睞，應(yīng)用范圍包括：機器工況檢測與控制、機器視覺與產(chǎn)品檢測、過程檢測與控制、運動控制、離散控制、產(chǎn)品批量檢驗與測試等。其典型應(yīng)用［1］有：BB echnologies公司研制的M1A1坦克發(fā)射過程自動測試系統(tǒng)；美國得克薩斯大學機器人研究小組的電磁執(zhí)行器自動測試系統(tǒng)等?；赑XI總線的虛擬儀器產(chǎn)品，具有多功能、高性能、高精度、高可靠、標準化、兼容性好等特點，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船、電力、石油，特別適用于武器裝備的測量與控制、故障診斷、雷達測試等領(lǐng)域。

5. LXI總線

LXI(LAN-based eXtensions for Instrumentation)是Agilent公司和VXI科技公司共同合作，于2004年9月14日在美國加州提出的一種新型儀器接口規(guī)范。它基于著名的工業(yè)標準以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)，擴展了儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容，構(gòu)成了一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺標準。

1 基本特性

11 LXI儀器分類較全

LXI標準定義了C，B，A三類儀器，其中C類是獨立型儀器或臺式儀器(傳統(tǒng)型改造)，具有通過LAN的編程控制能力，可以與其他廠商的儀器很好地協(xié)同工作，其靈活的大小增加了產(chǎn)品的適用性，其Web接口用于設(shè)置、控制和數(shù)據(jù)獲取，并且采用IVI驅(qū)動應(yīng)用編程接口。B類是獨立或分布式使用的儀器，它兼有C類儀器的功能，使用IEEE188精密時間協(xié)議通過LAN實現(xiàn)同步。A類儀器可獨立使用或用于任何系統(tǒng)，它兼有B類儀器的功能，并具有快速的硬件觸發(fā)能力。

12 同步和觸發(fā)精確

LXI采用IEEE188作為定時同步協(xié)議和M-LVD(半雙工、多點低壓差分信號)觸發(fā)總線，從而可以提供精確的同步。

13 LXI采用的協(xié)議和規(guī)范具體

LXI采用的協(xié)議和規(guī)范具體[7]：

(1) 物理鏈路層面：IEEE8023、Ethernet over WLAN定義了LXI總線的電氣特性。

(2) 數(shù)據(jù)協(xié)議層面：以IPV4，IPV6，CP/IP協(xié)議為數(shù)據(jù)交換協(xié)議，定義了LXI總線的數(shù)據(jù)遵循的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使LXI設(shè)備具有通過通用瀏覽器實現(xiàn)設(shè)備的訪問、配置以及控制的能力。

(3) 設(shè)備驅(qū)動層面：VXI-11，IVI，VIA，定義了LXI設(shè)備的通用軟件和驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)，為設(shè)備的即插即用、控制提供統(tǒng)一的規(guī)范。

2 LXI總線的優(yōu)劣

21 LXI總線的優(yōu)勢

(1) 采用以太網(wǎng)構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)：分布廣、距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速度快；

(2) 減少了昂貴的機架、專用機箱和測試控制器，緊湊靈活的模塊外形，降低了成本，系統(tǒng)集成更靈活、方便。采用標準API，減少了程序開發(fā)和軟件維護成本；

(3) 儀器可分等級測量，具有嚴格的儀器同步和觸發(fā)機制，可以方便的組建I(合成儀器)系統(tǒng)；

(4) 具有開放的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

() 系統(tǒng)中的硬件和軟件可重復(fù)利用。

22 LXI總線的劣勢

LXI作為一種新興的標準，還處于起步階段，其產(chǎn)品還處于試驗階段，在實際中的應(yīng)用效果還有待檢驗。同時，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的任務(wù)調(diào)度，負載均衡和協(xié)同合作等問題也制約著LXI的進步發(fā)展。

3 LXI總線的應(yīng)用

LXI總線適用于各種規(guī)模的用戶，既可用于小用戶，又可用于規(guī)模龐大復(fù)雜的用戶，滿足各方面科研開發(fā)，生產(chǎn)的需要，尤其適用于分布在世界各地的研發(fā)機構(gòu)和多個單位合作研究開發(fā)生產(chǎn)的項目。

6 在自動測試系統(tǒng)中總線性能比較及選型

在設(shè)計一個符合測試要求而且性能好、水平高的自動測試系統(tǒng)時，為選擇一種適宜的標準總線，使系統(tǒng)達到各項技術(shù)要求，同時又能兼顧開發(fā)、使用和擴展等方面的考慮，需要評價各種測控系統(tǒng)的性能做比較。首先對卡式儀器總線GPIB，VXI，PXI的性能作比較，如表1所示［4］，而后是基于局域網(wǎng)的LXI與卡式儀器總線的比較。通過相互對比，為用戶選擇標準總線提供依據(jù)。

與傳統(tǒng)的卡式儀器相比，LXI模塊化儀器既有優(yōu)勢［8，9］，也有不足。其優(yōu)勢在于：

(1) 集成更為方便，不需要專用的機箱和0槽計算機；

(2) 可以利用網(wǎng)絡(luò)界面精心操作，無需編程和其他虛擬面板；

(3) 連結(jié)和使用更為方便，可以利用通用的軟件進行系統(tǒng)編程；

(4) 非常容易實現(xiàn)校準計量和故障診斷；

() 靈活性強，可以作為系統(tǒng)儀器，也可以單獨使用。

(6) 由于LXI模塊本身配備有處理器、LAN連接、電源供應(yīng)器和觸發(fā)輸入，因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應(yīng)器、背板、控制器及MXI插卡和接線。

(7) 融合GPIB儀器的高性能、VXI/PX I卡式儀器的小體積以及LAN的高速吞吐率，能夠快速、高效率、高性價比的構(gòu)建測試系統(tǒng)

其不足在于：

① 在實現(xiàn)模塊儀器的同步、定時、測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件互用性方面難度較大；

② 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全方面還有缺陷。

通過上述對比，用戶可以結(jié)合自身的實際條件和需要，選擇合適的總線，進而組成達到一定要求的自動測試系統(tǒng)。

7 結(jié) 語

本文介紹在自動測試系統(tǒng)中所應(yīng)用的主要的總線技術(shù)的優(yōu)勢，各自所存在的不足，并對其進行了綜合比較，使用戶在應(yīng)用總線技術(shù)時更有針對性和目的性。隨著科技的日新月異，總線技術(shù)會不斷趨于完善，使自動測試系得到長足的發(fā)展，滿足在測試領(lǐng)域中越來越高的要求。 

參 考 文 獻

［1］趙會兵虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成［M］北京:清華大學出版社，2004

［2］孔德仁，何云峰，狄長安儀表總線技術(shù)及應(yīng)用［M］北京:國防工業(yè)出版社，200

［3］楊樂平，李海濤虛擬儀器技術(shù)概論［M］北京:電子工業(yè)出版社，2003

［4］魏震生，范梅生測控總線技術(shù)應(yīng)用指南［M］北京:總參兵種部軍械技術(shù)局，1998

張志華某軍用電子模塊通用自動化測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］浙江:浙江大學，2007

［6］奚全生，李鴻飛VXI 和PXI總線技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展前景［J］工業(yè)控制計算機，2002，1(11):11-12

［7］王滿周，沈軍一種新的測控總線-LXI［J］通信與計算技術(shù)，2006(3):32-37

［8］王琦新一代儀器總線標準-LXI［J］計測技術(shù)，2007(2):4-6

［9］黃韜，彭剛鋒， 樊江峰LXI-新一代測試總線技術(shù)［J］航空計算技術(shù)，2007，37(1):106-110

［10］林玉池測量控制與儀器儀表前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢［M］天津:天津大學出版社，200

作者簡介

曹成俊 男，1983年出生，中國人民解放軍軍械工程學院光學與電子工程系導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)碩士研究生。主要研究方向為雷達裝備的檢測、維修及狀態(tài)檢測與故障預(yù)測。