GPIBVXIPXILXI仪器自动测试系统的应用与发展

GPIB、VXI、PXI、LXI仪器自动测试系统的应用与发展编写人:刘佳璐（13040510065）吴心仪（13040510063）一、自动测试系统和测试总线的基本概念自动测试系统(AutomaticTestSystem，ATS)指的是以计算机为核心，在程序控制下，自动完成特定测试任务的仪器系统。与传统测试仪器不同，自动测试系统强调在计算机的控制下，由若干可程控的通用设备共同完成测试任务。AST首先要解决的关键问题是程控设互相协议的问题，也就是接口总线问题。测试总线是指可以应用在测试、测量和控制系统中的总线。在专用测试设备中的总线包括GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）、VXI（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）、PXI（PCIeXtensionsforInstrumentation）、LXI(LANeXtensionsforInstrumentation）等总线。二、基于GPIB总线技术的自动测试系统1、GPIB发展历程最初的GPIB是在1960年代后半期由惠普（当时称为HP-IB）开发的，用于连接和控制惠普制造的可编程仪器。在引进了数字控制器和可编程测试设备之后，对来自多个厂商的仪器和控制器之间进行标准高速通信接口的需求也应运而生。在1975年，美国电气与电子工程师学会（IEEE）发布了ANSI/IEEE标准488-1975，即用于可编程仪器控制的IEEE标准数字接口，它包含了接口系统的电气、机械和功能规范。最初的IEEE488-1975在1978年经过修改，主要是出版声明和附录方面。现在这个总线已经在全世界范围内被使用，它有三个名字：通用接口总线（GPIB）惠普接口总线（HP-IB）IEEE488总线由于最初的IEEE488文档并没有包含关于使用的语法和格式规范的叙述。这部分工作最终形成了一个附加标准IEEE488.2，用于IEEE488（被更名为IEEE488.1）的代码、格式、协议和通用指令。IEEE488.2并没有替换IEEE488.1。许多设备还只是符合IEEE488.1。IEEE488.2是建立在IEEE488.1的基础上的，它定义了设备接口功能的最小集合、一套通用的数据代码和格式、一个设备消息协议、一个常用通用设备指令集合以及一个全新的状态报告模型。在1990年发表的在488.2的基础上的可编程仪器标准命令SCPI保证了在这些仪器之间系统功能的完整性和可配置性。对于SCPI兼容的系统而言，不必再为每一个仪器学习一套新的指令集，从来自一家厂商的仪器更换到来自另一家厂商的仪器也变得更加容易。2、GPIB测试系统的总线结构及硬件组成GPIB是一个数字化24管脚并行总线，它使用8位并行、字节串行、异步通迅方式，数据以字节为单位通过GPIB总线顺序传送，遵循IEEE488标准．使用高级语言如VB、VC、C++均可实现计算机对可编程仪器的控制．GPIB总线的16条信号线包括8条双向数据线、5条控制线、3条握手线、8条地线和屏蔽线．其中8条双向数据线由DI01~DI08组成，这8条数据线并行传输8位数据，DIO1为数据的最低位，DIO8为数据的最高位；5条控制线分别为EOI、REN、SRQ、ATN、IFC，它们用来控制总线的进程；三条握手线NDAC、NRFD、DAV用来保证异步传输的可靠性．挂在GPIB总线上的仪器按作用不同可分为控者、听者和讲者．控者负责协调每个仪器并管理系统通信，一般由计算机充当；讲者是系统中发送数据的仪器；听者是系统中接收讲者发来数据的仪器．每次在系统中只能有一个执行控者、一个执行讲者和最多14个执行听者．GPIB系统就是由一个控者控制总线，在总线上传送仪器命令和数据，控者寻址一个讲者，一个或多个听者，数据在总线上从讲者向听者传送。GPIB自动测试系统通过标准GPIB电缆将计算机、GPIB接口卡和最多15台程控仪器连接而成．系统中任何两台设备之间的距离不应超过2米；系统中电缆线总长度不应超过20米．如需远距离控制，则使用接口延伸器来扩展通信距离，但数据的传输速率会下降．每个设备都配备一个GPIB地址，GPIB接口卡的地址为0，各程控仪器的GPIB地址在1~30范围内设置。4、GPIB测试系统的优势及劣势4.1、采用GPIB总线可控最多15台程控仪器，可实现点到多点的传输。4.2、有相对确定的传输速率，确保信息的完整性和保密性。4.3、许多仪器供应商提供大量包含GPIB的仪器，有极好的安装基础，在相同的性能水平上通常比VXI便宜。4.4、数据传输速率较低，最大传输速率为1Mb／s，投入费用高，可靠性不是太好。4.5、以GPIB总线为基础，很难组建体积小、质量轻的自动测试系统，对某些场合，特使是对体积、质量要求高的军事领域不适用。4.6、无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时带宽不足。5、GPIB总线自动测试系统的应用及发展GPIB系统当前在市场上占有量是所有总线系统中最大的，主要应用于台式仪器，对精度要求高的场合。目前各大仪器公司生产的台式仪器中几乎都装备有GPIB接口，很多集成电路制造商业生产了各种GPIB的接口芯片。采用GPIB的自动测试系统，在完成要求测量时间极短、数据处理量大、测试现场对操作人员有害或操作人员参与容易产生人为误差的任务中极为合适。作为测量总线领域的第一个开放的、统一独立于仪器厂商的国际标准，GPIB总线所产生响是非常深远的。在其诞生后的30多年中，利用GPIB总线所构建的“机架堆叠式”(rack．and—stack)成为ATS首选的体系结构。对于一般的计算机总线而言，其生命周期约为10～15年，而GPIB总线从其诞生以来，虽然已经度过了近40个春秋，但其依然有着旺盛的生命力。目前全球带有GPIB接口的仪器，超过了5000种；在2007年的第三季度，由测试与测量领导厂商发布的新型仪器中，超过80％含有GPIB接口。三、基于VXI的自动测试系统1、VXI发展历程VXI总线是国际5家著名的测试和仪器公司Colorado、DataSystems、HP、RacalData、Tektronix和Wavetek在1987年联合推出的用于测量和测试的一种新型标准仪器结构。其开发是为了满足便携式应用的要求，而且它提供了一个标准的模块结构，这种结构即可集成于GPIB的测试系统中，也可单独构成测试系统。VXI总线几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。VXI总线完全支持32位VMI总线，除此之外，VXI总线还增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、应用于测试同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间相加的本地总线。VXI总线一经发布，由于军方对测控系统的大量需求，许多仪器生产厂商都加入到VXIPlug&Play（VXI即插即用）联盟。以统一文件的编制方式增加应兼容性。2、VXI系统结构及规范简介VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成，零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当然它也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。主机箱容纳VXIbus仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。VXIbus不是设计来替代现存标准的，其目的只是提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此，VXIbus规范定义了几种通信方法，以方便VXIbus系统与现存的VMEbus产品、GPIB仪器以及串口仪器的混合集成。VXI总线系统机械结构VXIbus规范定义了四种尺寸的VXI模块。较小的尺寸A和B是VMEbus模块定义的尺寸，并且从任何意义上来说，它们都是标准的VEMbus模块。较大的C和D尺寸模块是为高性能仪器所定义的，它们增大了模块间距，以便对包含用于高性能测量场合的敏感电路的模块进行完全屏蔽。A尺寸模块只有P1、P2和P3连接器。目前市场上最常见的是C尺寸的VXIbus系统，这主要是因为C尺寸的VXIbus系统体积较小，成本相对较低，又能够发挥VXIbus作为高性能测试平台的优势。VXI总线系统电气结构VXIbus完全支持32位VME计算机总线。除此之外，VXIbus还增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、用于测量同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间通信的本地总线。VXIbus规范定义了3个96针的DIN连接器P1、P2和P3。P1连接器是必备的，P2和P3两个连接器可选。VXIbus系统EMC、供电和冷却VXIbus总线规范规定了系统传导及辐射EMC（电磁兼容）产生和敏感度的上限值。EMC的限定保证了包含敏感电路的模块能够完成所期望的操作，而不受到系统中其他模块的干扰。为了方便系统集成VXIbus规范要求机箱制造商和模块制造商在其产品规范中给机箱供电和冷却能力以及模块的电源需求和冷却指标。系统集成者可以根据这些指标选择合适的机箱和模块。VXlbus系统通信通信是VXibus标准的又一个重要组成部分。VXIbus总线规范定义了几种器件类型和通信协议。然而，规范为了保证开放性，并没有规定VXIbus主机箱和器件的控制方式，以便厂商可以灵活定义并与高速发展的PC技术同步。下一节将要详细讨论当前流行的几种方式。每个VXIbus器件都有一个唯一逻辑地址（uniquelogicaladdress,ULA），编号从0到255，即一个VXIbus系统最多有256个器件。VXIbus规范允许许多器件驻留在一个插槽中以提高系统的集成度和便携性，降低系统成本，也允许一个复杂器件占用多个插槽，VXIbus通过ULA进行器件寻址，而不是通过器件的物理位置。3、VXI总线的优点3.1、开放的标准目前，已经有众多不同的仪器制造厂商加入了VXl总线联盟，推出仪器近万种，同时，各厂商所生产的VXI总线产品都符合相同的机械与电气规范，不同厂商的同类产品能够相互替换。3.2、高速数据传输VXI总线是一种32位并行方式的内总线，总线背板的数据传输速率理论上可以达到40Mb／s，一般不会成为数据传输的瓶颈。3.3、对仪器功能的有力支持VXI总线在VME总线的基础上增加适合仪器应用的总线，且一个VXI仪器系统最多可连接256个器件。这些都为高精度、高速度仪器系统的实现提供了强大的支持。3.4、灵活性VXI总线规范支持A，B，C，D四种模块尺寸，支持8位、16位、24位和32位数据传输，使用灵活。3.5、测试系统小型化，结构紧凑VXI总线采用了模块化设计，对模块及主机箱的尺寸都做了严格规定，使系统尺寸较传统仪器明显缩小，易于携带。3.6、高可靠性和可维护性。3.7、模块可重复利用。4、VXI总线的劣势由于组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，因此造价比较高，一般的用户难以接受。3.6VXI总线的应用及发展VXI总线最突出的特征在于它具有紧凑的尺度、较高的数据吞吐量既灵活方便的性能。生产VXI产品的厂家超过了100家，VXI一起种类超过了3000种，可搭建各种不同的自动测试系统，包括野外使用的便携式测试仪器、远程数据采集应用及高性能数据采集和功能测试系统。目前，VXI总线已成为最好的虚拟仪器开发平台。以VXI总线技术为核心组建的自动测试系统已经在家用冰箱测试、铁路电机测试、环保测试、电力测试、集成电路封装测试、托卡马克等离子体物理试验、汽车燃油泵测试、电梯功能和安全测试等方面得到了较好的应用。在军用方面，以航天测控公司等为代表的VXI总线产品开发和系统集成厂商，已经有几十套VXI总线自动测试系统应用于导弹、飞船、运载火箭、发动机、飞机、雷达、鱼雷、轻武器、火炮、装甲车和制导炸弹等多个领域的测试中。四、基于PXI的自动测试系统1.PXI发展历程PXI(PCIextensionsforInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)是一种由NI公司发布的坚