USB总线及其在自动测试系统中的应用

12电子科技大学通信与信息工程学院，成都610054；2.电子科技大学自动化学院，成都610054E-mail：[e-mail]摘要：USB总线是一种支持热插拔、即插即用、传输速率最高可以达到480Mbps的串行总线；第三代自动测试系统强调以计算机为中心设备，基于标准总线技术联接外部仪器/设备来构建系统。本文从USB总线和自动测试系统的自身特点出发，讨论了基于USB总线来构建自动测试系统的优势，并提出了系统构建过程中需要注意的问题及其解决方法。关键词：自动测试系统；USB总线；虚拟仪器技术中国分类号：TP274.51、自动测试系统自动测试系统是指那些利用计算机控制并实现自动化测试的系统[1]，它的出现满足了科学技术发展过程中，对电子测量所提出的测试参数繁多、测试对象复杂、测试速度快、测试精度高等要求。自动测试系统将计算机技术、软件技术、智能仪器、总线与接口技术等有机的结合在一起，它的发展经历了从专用型向通用型发展的过程。[1][2]1)早期的自动测试系统多为专用系统，是针对某项具体测试任务而设计的，通常称为第一代自动测试系统。它主要侧重于自动测试设备本体的研制，系统适应性不强，缺乏通用性。2)第二代自动测试系统是在标准的接口总线（如GPIB）基础上，各设备按积木的形式连接从而组建的系统。系统中的各个设备（包括计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为传统的台式测试设备，每台设备均配有符合接口标准的接口电路。组建系统时，将所有的设备堆叠在标准19英寸机柜内，并用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统，通过标准接口实现系统内仪器与计算机之间的通信。第二代自动测试系统具有组建灵活、方便、可靠性好等优点，但是传输速率较低、测试系统规模较小、设备资源冗余量较大。3)第三代自动测试系统是以计算机为中心设备，基于标准总线技术，主要由卡式/模块化的仪器/设备所组成的自动测试系统，仪器、设备或嵌入式计算机以插卡的形式出现，并通过标准总线实现互连。第三代自动测试系统具有数据传输速度快、数据吞吐量大、体积小、重量轻、系统组建灵活、扩展容易、资源复用性好、标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统，特别是1军用自动测试系统的主要组建方案。在构建测试系统的过程中，测试系统本身所采用的接口总线的能力直接影响系统的总体水平。从自动测试系统的发展看，自动测试水平的提高，在很大程度上是由于总线技术的不断升级换代的结果，可以说，接口总线技术发展的水平标志着自动测试发展的水平。从早期的RS232、GPIB到近期的VXI、MXI、PCI、PXI、CompactPCI、IEEE1394（Firewire）、USB等总线，尽管技术特性不尽相同（如表1所示），但都被广泛应用，并在此基础上逐渐形成和发展了多总线融合的自动测试系统。表1当今几种流行现代测试总线的比较[1][2][3][4]总线类型结构速率传输距离容量价格性能应用VXI模块化、体积小40Mb/s256个高信息吞吐量高，可靠性强，灵活组建系统较广泛GPIB通用并行接口总线1Mb/s20m15个低采用三线挂钩，性能可靠，技术成熟较广泛MXI多点并行单电缆通讯链20Mb/s20m8个较高性能高，开放性的工业标准VXIbus多机箱系统外部计算机和VXI系统间的高速通讯PCI并行I/O总线132MB/s或528MB/s256个低提供即插即用缺乏统一的测试总线规范PC平台总线CompactPCI模块化并行总线132MB/s或528MB/s每组8个插槽，可扩展适中提供即插即用与热插拔，有较好的兼容性和扩展性越来越广泛PXI模块化并行总线132MB/s或264MB/s每组8个插槽，可扩展较高有较好的兼容性和扩展性，具有测试总线的基本特性推广应用中USB通用串行总线480Mb/s3-5m127低通用PC外设接口总线在测试系统中有待推广应用Firewire串行通讯总线400Mb/s4.5m64个较高性能优越，使用简单计算机系统高速通讯以上几种流行的现代测试总线构建的自动测试系统可以归并为两大类：基于标准PC总线结构：计算机采用普通PC或笔记本电脑，仪器设备通常为卡式或台式，直接插入计算机内部插槽或放置在计算机附近，以ISA、PCI、USB、IEEE1394等PC总线方式实现计算机单元与仪器设备之间的联系。此类测试系统造价低廉，不具备标准仪器的部分功能，适合于工业测控、现场排故等场合。基于专用测试总线结构：系统需要符合总线要求的机箱和背板，计算机通常采用符合总线要求的专用计算机或笔记本电脑＋总线转换模块，仪器设备为卡式模块或台式，插入专用机箱中或放置在计算机附近，以GPIB、VXI、PXI/CompactPCI等专用测试总线方式实现计算机单元与仪器设备之间的联系。此类测试系统造价较高，仪器设备与标准仪器完全相同，适合于产品验收、质量2检验等场合。2、USB总线简介通用串行总线USB是由COMPAQ、DEC、IBM等七家公司共同提出的一种新的外设连接技术，目前的最新版本是USB2.0规范，支持低速率的1.5Mbps、全速的12Mbps和高速的480Mbps三种速度。USB设备传输速率快、支持热插拔、易于连接、提供+5V/500mA电源，可为低功耗外部设备提供电源电压。数据传输过程中，USB驱动器、接收器和电缆等硬件消除了可能引起数据错误的噪声，同时在协议中使用了数据错误的检测并能通知发送者实现数据的重新发送，有效的保证了数据传输的可靠性。一个USB系统是由USB主机、USB设备、USB互联三个方面组成的。USB主机与USB设备之间通过USB总线进行连接，其物理连接是一个星型结构，集线器位于每个星型结构的中心，每一段都是主机和某个集线器，或某一功能设备之间的一个点到点的连接，也可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点到点的连接。[1][5]图1总线的拓扑结构3、USB总线在自动测试系统中的应用3.1USB总线在自动测试系统中的应用USB以其易插拔，无需配置，真正的即插即用等特性在PC中获得了广泛的应用，随着虚拟仪器技术的发展，USB总线在自动测试系统领域也逐渐焕发出强大的生命力，已经出现了基于USB总线的逻辑分析仪、I/O、数据采集设备等仪器设备，也出现了一系列的自动测试系统。例如NI公司推出的CompactDAQ便携式测试仪器就采用了USB总线，它为各种传感器提供了简单方便的即插即用USB连接，以及工作台、现场和生产线上的电子测量方案。基于USB总线来构建自动测试系统时，计算机作为整个系统中的HOST设备，负责监测总线上的USB设备并分配相应的系统资源，并可按照测试程序要求调用仪器设备完成相关操作；而仪器设备则是USB总线上的一个个Device设备，仪器自身通常不再自带键盘面板和显示器等人机交互界面，而是通过USB总线接收操作命令返回测试结果。由于一台计算机自身所带的USB接口有限，同时USB总线的电缆长度3，因此仪器设备和计算机之间的互联一般是通过集线器来实现。在利用计算机、集线器和USB仪器搭建起测试硬件平台后，就可以在计算机上运行测试程序完成相应的测试操作。3.2USB总线应用到自动测试系统中的优势采用USB总线来构建自动测试系统，具有以下几方面优点：系统组建灵活、快捷USB总线支持热插拔、无需配置，是真正的即插即用。组建系统时可根据系统测试需要，选择适当的设备连接到计算机即可，操作系统能自动检测到插入系统的USB设备，载入合适的驱动软件，而不需要用户指定端口地址、中断分配等配置内容，系统组建灵活、方便、快捷；当系统中有仪器设备出现故障时，既不需要关闭计算机，也不需要打开机箱，直接更换设备即可，此时操作系统会自动检测并为设备使用做好准备，有效缩短了测试系统的平均维护时间。由于USB接口本身可提供+5V/500mA的电源，已经可以满足某些低功耗的仪器设备需要。利用这样的设备构建的简单系统，只需要一台笔记本电脑加上相关设备即可完成工作，而不需要再单独配备外部电源，可满足某些特殊环境的测试需要。软、硬件技术成熟、资源丰富USB是由Compaq、DEC、IBM、Intel、NEC、Microsoft以及NorthernTelecom等七家公司于1994年11月共同提出并正在逐步完善，在以上几家大型的计算机软硬件厂商的支持下，软硬件资源丰富、技术成熟。目前，Cypress、Microchip、Motorola、Atmel、Philips等大型的芯片制造商都提供成熟的USB接口芯片以及配套的开发设备和驱动程序模板，开发者只需要稍做修改就可以完成设计。USB设备的使用还需要操作系统的支持，以实现检测USB设备连接到系统或从系统中撤出；与新连接设备通信，实现数据交换；提供上层软件驱动USB硬件以及访问USB硬件的机制。目前，Microsoft公司的Windows98/2000/XP、苹果公司的iMac、Linux、FreeBSD以及NetBSD等操作系统均支持USB。性价比高利用USB总线结构构建自动测试系统时，无须购买专用的计算机和机箱，只需要提供带有USB接口的普通PC或笔记本电脑加上扩展用的集线器即可，外部设备通过USB总线与计算机相联。测试系统软件通过调用USB总线设备的驱动程序，实现相应的测试操作，从而完成测试任务。3.3需要注意的问题利用USB总线结构来构建自动测试系统的过程中，还需要充分认识到USB自身的特性，考虑以下三个方面的问题。设备供电4总线自身只能提供给外设＋5v/500mA的电源，因此在设计时需要充分考虑设备的功耗要求，如果USB总线提供的电源不能完全满足设备功耗要求时，需要考虑专门为外设提供外部供电。静电防护USB设备支持即插即用，但是没有提供类似CompactPCI总线使用的静电放电槽，因此在插入设备的瞬间，可能出现由于USB设备积累大量电荷而瞬时放电，导致烧毁设备或主板的南桥芯片；外部供电的USB设备在使用时，如果存在外设与计算机不共地的情况，同样可能烧毁设备或主板的南桥芯片。针对以上两种情况，建议在使用时，强制将设备外壳与计算机外壳接地，以保证两者之间始终共地，不会有较大的压差或积累电荷存在，从而确保设备在热插拔过程中的安全。软件设计测试系统软件的开发通常是建立在虚拟仪器软件结构的基础上，上层应用软件的开发是基于VXIplug&play驱动器或VISA/SICL/SCPI命令的基础上实现对仪器设备的操作和控制的。而USB设备通常只提供硬件驱动程序，软件开发人员需要以文件操作的方式对其进行访问，这对测试系统的软件开发而言就显得不甚方便。因此在开发USB总线设备时，建议按照VPP-3.2仪器驱动程序开发规范要求对USB硬件驱动进行二次封装，生成符合规范要求的仪器驱动程序，提供初始化函数、配置函数、作用/状态函数、数据函数、关闭函数等控制仪器特定功能的软件模块，以及模块特定功能决定的完整的测试和测量操作函数，这将为上层应用软件的开发带来莫大的方便。参考文献[1]李行善，左毅，孙杰自动测试系统集成技术电子工业出版社，2004[2]孙续自动测试系统与可程控仪器电子工业出版社，1994[3]陈长龄，田书林，师奕兵，黄建国自动测试及接口技术机械工业出版社2005[4]张毅刚，彭喜元，姜守达，付平自动测试系统哈尔滨工业大学出版社2001[5]张念淮，江浩USB总线接口开发指南国防工业出版社2001USBBusandItsApplicationinanAuto-testSystemCuiLinli1,LiLi21.SchoolofCommunicationandInformationEngineering,UniversityofElectronicScien