自動測試系統中的總線技術

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

關鍵詞：自動測試系統；總線技術；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(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的儀器系統，其發展大致可分為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多為針對具體測試任務而研制的專用系統，至今仍在應用，但其突出的缺點是設備接口不具備通用性。

在第二代自動測試系統中，出現了特殊的連接總線、GPIB、CAMAC和R 232C等多種類型的總線。在第三代測試系統中，出現了VXI，PXI等總線，隨著科技的進步發展，出現了更新的總線LXI。這些總線技術推動了自動測試系統的進一步發展，使得AE測試平臺技術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條數據線、條控制線、3條掛鉤線和8條底線，采用比特并行、字節串行的雙向異步通信方式。總線上傳遞消息的邏輯電平為負邏輯的L電平，數據傳輸速率一般為20～00 kb/s，最高可達1 Mb/s。 受發送器負載能力的限制，接口系統內儀器數目最多不能超過1臺。一個GPIB總線系統所使用的電纜總長度不能大于20 m，或者系統中的器件數乘以2 m的值不能大于20。系統采取單字節地址時，可以有31個講地址和31個聽地址；采用雙字節地址時(前一字節為主地址，后一字節為副地址)，可以有961個講地址和961個聽地址。GPIB系統支持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、服務請求、遠地/本地、并行查詢、器件觸發和器件清除功能。圖1為GPIB總線的自動測試系統。

22 GPIB總線的優劣

221 優勢

GPIB測量系統的結構和命令簡單，有專為儀器控制所設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) 數據傳輸速率較低，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，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。

(3) 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。

23 GPIB總線的應用

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。

3 VXI總線

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

[B3+2]31 VXI總線的基本特性

VXI總線系統是在VME總線系統基礎上，增加了為適應儀器系統所需的總線而構成的。圖2示出VXI總線系統的結構。

(1) 機械結構標準［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) 電氣結構［4］功能強

按照功能的不同，VXI總線系統可分為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總線的優劣

321 VXI總線的優勢［1，］

(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VXI總線聯盟，推出儀器近萬種，同時，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。

(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40 Mb/s，一般不會成為數據傳輸的瓶頸。

(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26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。

(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。

() 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。

(6) 高可靠性和可維護性。

(7) 模塊可重復利用。

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總線的應用

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［6］已經在家用冰箱測試、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。

4 PXI總線

1997年9月1日，NI發布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范-PXI。PXI是PCI在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)。它將CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范［1，3］，從而形成新的虛擬儀器體系結構。

41 PXI總線的基本特性

PXI總線體系結構涵蓋了3大方面的內容：機械、電氣和軟件規范，如圖所示。

411 PXI總線的機械規范:

PXI總線的機械規范表現在：

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

(2) 新增加的電氣封裝規范PXI機箱中的系統槽必須位于最左端，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果；規定了所有模塊的工作和存儲溫度范圍。

(3) 保持了與CompactPCI產品的互操作性。

412 PXI總線的電氣規范

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公共觸發總線、星型觸發、1個專用的10 Mz的系統參考時鐘和具有13線的數據寬度的本地總線，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總線的軟件規范

PXI總線的軟件規范主要體現在：

(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)和支持標準的工業開發環境(如NI的LabVIEW，LabWindows/CVI，Microsoft的VC/C++，VB，Borland的C++等)，而且符合VIA規范的設備驅動程序，從而使PXI系統更容易集成和使用。

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

(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總線的優劣

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

(2) 劣勢：PXI發展時間還比較短，儀器功能的覆蓋面有限，儀器品種較少。在高端領域，完成較復雜、尖端的測試任務時，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總線的應用

PXI已經被應用于數據采集、工業自動化與控制、軍用測試、科學實驗等領域，而且對于各種便攜式、臺式和標準架裝測試系統都是適宜的。特別在工業自動化與控制領域，PXI以其良好的特性得到了業界的青睞，應用范圍包括：機器工況檢測與控制、機器視覺與產品檢測、過程檢測與控制、運動控制、離散控制、產品批量檢驗與測試等。其典型應用［1］有：BB echnologies公司研制的M1A1坦克發射過程自動測試系統；美國得克薩斯大學機器人研究小組的電磁執行器自動測試系統等。基于PXI總線的虛擬儀器產品，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范。它基于著名的工業標準以太網(Ethernet)技術，擴展了儀器需要的語言、命令、協議等內容，構成了一種適用于自動測試系統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同工作，其靈活的大小增加了產品的適用性，其Web接口用于設置、控制和數據獲取，并且采用IVI驅動應用編程接口。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精密時間協議通過LAN實現同步。A類儀器可獨立使用或用于任何系統，它兼有B類儀器的功能，并具有快速的硬件觸發能力。

12 同步和觸發精確

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

13 LXI采用的協議和規范具體

LXI采用的協議和規范具體[7]：

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

(2) 數據協議層面：以IPV4，IPV6，CP/IP協議為數據交換協議，定義了LXI總線的數據遵循的網絡協議，使LXI設備具有通過通用瀏覽器實現設備的訪問、配置以及控制的能力。

(3) 設備驅動層面：VXI-11，IVI，VIA，定義了LXI設備的通用軟件和驅動體系結構，為設備的即插即用、控制提供統一的規范。

2 LXI總線的優劣

21 LXI總線的優勢

(1) 采用以太網構成分布式網絡測試系統：分布廣、距離遠、數據傳輸速度快；

(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，系統集成更靈活、方便。采用標準API，減少了程序開發和軟件維護成本；

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

(4) 具有開放的模塊化系統結構；

() 系統中的硬件和軟件可重復利用。

22 LXI總線的劣勢

LXI作為一種新興的標準，還處于起步階段，其產品還處于試驗階段，在實際中的應用效果還有待檢驗。同時，網絡技術中的任務調度，負載均衡和協同合作等問題也制約著LXI的進步發展。

3 LXI總線的應用

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

6 在自動測試系統中總線性能比較及選型

在設計一個符合測試要求而且性能好、水平高的自動測試系統時，為選擇一種適宜的標準總線，使系統達到各項技術要求，同時又能兼顧開發、使用和擴展等方面的考慮，需要評價各種測控系統的性能做比較。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。

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

(1) 集成更為方便，不需要專用的機箱和0槽計算機；

(2) 可以利用網絡界面精心操作，無需編程和其他虛擬面板；

(3) 連結和使用更為方便，可以利用通用的軟件進行系統編程；

(4) 非常容易實現校準計量和故障診斷；

() 靈活性強，可以作為系統儀器，也可以單獨使用。

(6) 由于LXI模塊本身配備有處理器、LAN連接、電源供應器和觸發輸入，因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應器、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、高性價比的構建測試系統

其不足在于：

① 在實現模塊儀器的同步、定時、測試網絡結構和軟件互用性方面難度較大；

② 網絡和數據安全方面還有缺陷。

通過上述對比，用戶可以結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。

7 結 語

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

參 考 文 獻

［1］趙會兵虛擬儀器技術規范與系統集成［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及應用［M］北京:國防工業出版社，200

［3］楊樂平，李海濤虛擬儀器技術概論［M］北京:電子工業出版社，2003

［4］魏震生，范梅生測控總線技術應用指南［M］北京:總參兵種部軍械技術局，1998

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

［6］奚全生，李鴻飛VXI 和PXI總線技術的應用及其發展前景［J］工業控制計算機，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，2006(3):32-37

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

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

［10］林玉池測量控制與儀器儀表前沿技術及發展趨勢［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航制導與控制專業碩士研究生。主要研究方向為雷達裝備的檢測、維修及狀態檢測與故障預測。