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gpibvipili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（）
吴心仪（）
1、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。
2、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IEEE，用于IEEE488（被更名为IEEE）的代码、格式、协议和通用指令。
IEEE并没有替换IEEE。
许多设备还只是符合IEEE。
IEEE是建立在IEEE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
、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。
、有相对确定的传输速率，确保信息的完整性和保密性。
、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。
、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。
、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。
、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。
3、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
、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。
、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。
、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。
、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。
、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。
、高可靠性和可维护性。
、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。
VXI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。
4、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公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。
PXI结合了PCI（PeripheralComponentInterconnection-外围组件互连）的电气总线特性与CompactPCI（紧凑PCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。
制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。
这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。
2.PXI的总线结构及特征
PXI继承了PCI总线适合高速数据传输的优点，支持32位或64位数据传输，最高数据传输速率可达132M/s或528M/s，也继承了compactPCI规范的一些优点。
为满足仪器应用需要，PXI提供了8条TTL触发总线、13条局部总线、10MHz系统时钟和高精度星状触发线等资源。
体系结构简介
系统控制插槽位置
系统控制插槽在PCI总线段的最左边，为系统控制插槽定义一个固定位置可以增加PXI控制器和机箱的的兼容性，扩展到左边插槽的PXI使得系统插槽不会占用宝贵的外设模块插槽。
PXI机械规范还定义了星状触发器控制插槽的位置，星状触发信号从这一插槽连接到PXI底板外设模块插槽时，可插入其他外设模块。
附加的机械特性
在定义的compactPCI机械特性可以直接在PXI系统中使用。
PXI增加的一些简化系统集成的特性，为了确保PXI机箱的制冷，对机箱中气流流动方向做了规定。
与compactPCI的互操作性
PXI兼容系统和标准compactPCI产品的互操作性十分重要。
许多PXI兼容系统的组成不需要PXI特殊的特性。
CompactPCI和PXI都利用其具有的PCI局部总线来确保它们在电气和软件上的兼容性。
电气结构简介
PXI在标准的PCI总线的基础上增加了仪器所需要的特殊信号，包括触发线，星状触发线，专门的参考时钟局部总线等。
软件结构
PXI定义了允许多个厂商的产品同时使用的硬件接口层标准，但不同于其他规范，PXI为了易于集成，支持标准操作系统结构并支持VXI即插即用联盟开发的仪器软件标准，同时支持所有外设模块的驱动。
机械结构
PXI系统除支持compactPCI机械特性外，为了更易于系统集成，另外增加了一些其他机械特性。
包括系统槽的位置、控制器的互操作性、PXI标志、环境测试、制冷、接地和电磁兼容的指导方针等。
3.PXI总线优点
优点：
继承了PCI总线适合高速数据传输的优点，支持32位、64位数据传输。
最高数据传输速率可达132M/s也继承了compactPCI规范的坚固、模块化等优点，并且增加了适合仪器使用的触发总线、局部总线等硬件特性和关键的软件特性，是用于测量和自动化系统的高性能、低成本开发平台。
低成本，只需对模块上的敏感元件进行金属屏蔽，适用于现场测试领域。
缺点：
PXI不适用于大系统，不能在高端场合代替VXI。
4.PXI总线的应用及发展
应用：
PXI技术的应用日益广泛，与传统方案相比，基于PXI的自动化测试系统具有成本更低、体积更小、灵活度更高、易于升级等诸多优势，更能满足OEM对成本的限制、产品复杂度、上市时间和质量控制等方面的要求，这是生产测试领域的福音。
在科技创新领域，PXI系统让科研人员能快速完成原型设计。
硬件方面，用户可以选购所需要的PXI模块，也可自行研发硬件。
在软件方面，系统的软件层向用户开放，用户可以利用自己已有的IP定义算法。
在大型强子对撞机的托克马克装置定时控制，天文望远镜镜片控制，三网合一的关键技术研究与测试、风机硬件在环测试、癌症早期探测、鸟巢体育唱结构健康监测等关键科研项目。
展望：
在摩尔定律依然有效的未来数年内，PXI设备的性能注定将被大幅提高。
PXI系统的高度灵活性使得它能够适应将来可能出现的新的热点应用，姜维更多的工程师和科学家研发创新的有效工具。
5、基于LXI的自动测试系统
发展历程：
LXI（LANeXtensionforinstrumentation）是一种基于局域网的模块化测试平台标准，它融合了GPIB仪器的高性能、VXI、PXI仪器的小体积以及LAN的高吞吐率，并考虑定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器要求。
其目的是充分利用当今测试技术的最新成果和PC机标准I/O能力，组建灵活、高效、可靠、模块化的测试平台。
总线结构及特征
（1）集成更为方便，不需要专门的机箱和零槽控制器。
（2）LXI模块既可以单独使用，又具备模块化的特点，可组成功能强大的复杂测试系统。
（3）LXI模块可与老的平台集成在一起，安装在标准机架上。
（4）LXI规模可大可小，小到一个模块，大到分布在世界各地，十分灵活。
（5）可以利用网络界面精心操作，无需编程和其它虚拟面板。
（6）LXI平台提供对等连接。
（7）测试项目改变时，LXI在LAN上的连接不必改变，从而缩短了测试系统的组建时间。
（8）连在LAN上的LXI模块可采取分时方式工作，同时服务于不同的测试项目。
（9）LXI模块的通风散热、电磁兼容等方面的设计比较简单。
3.基于LXI总线系统的优点
（1）基于以太网是LXI的最大特色。
LXI基于著名的工业标准以太网技术，增加仪器系统需要的规范、语言、命令、协议等内容，从而构成新一代的模块仪器接口规范。
由于以太网技术非常成熟、其错误检测、故障定位、长激励互联、搞通信数据率、树状拓扑结构等比现有计算机并行和串行总线优越的多，
（2）提高了系统的灵活性并降低了成本
（3）LXI可用标准的windows操作系统，可以利用通用软件C/C++、visualbasic、labview和VEE等进行系统编程，可以利用网络界面进行操作。
（4）提供分布式测试方式，LXI设备可以分布在世界任何地方，从任何地方进行访问。
总线的应用及发展
（1）日益增长的系统复杂性和更多的系统协调需求
（2）越来越多的采用分布式系统结构
（3）网络通信技术的应用
（4）成本限制
随着信息技术的发展，近十年来被测对象发生了很大的改变，总的来说，现在的测试对象有如下几个共同点：
测试对象具有不同等级的分布式特性，大到分布在几百上千公里的范围内，小到分布在几十米的范围内；测试对象越来越复杂，测试数据量大，为了完成测试任务，需要大量的测试设备，如对3G通信网络的测试需要成百上千个测试设备；对于某些测试任务，要求某些测试设备具有协同操作的特性，如某些工业自动化的动作控制部分要求100ns的时钟同步性能；某些测试对象需要远程测试和控制。
自动测试总线包括传统的GPIB、VXI、PXI总线，用这些总线构建自动化测试系统时测试节点数受限，且成本较高，这些总线自身不能构建分布式测试系统。
因此传统的测试总线由于自身的缺陷不能满足分布式和复杂系统的测试需求，向分布式体系结构的转变被看作是解决问题的必然选择。
五、自动测试系统的发展过程
自动测试系统的发展过程大体上可分为三个阶段：
1.第一代自动测试系统——专用型
专用型系统是针对具体测试要求而研制的，主要用于测试工作量很大的重复测试，高可靠性的复杂测试，用来提高测试速度或者用于人员难以进入的恶劣环境。
第一代自动测试系统至今仍在应用。
这类系统是从人工测试向自动测试迈出的重要的一步，是本质上的进步。
它在测试功能、性能、测试速度和效率，以及使用方便等方面明显优于人工测试。
第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口及标准化方面，带来的突出问题是：
①复杂的被测对象的所有功能、性能测试若全部采用专用型自动测试系统，则所需要
的自动测试系统数目巨大，费用高昂，使保障设备的机动能力降低。
②一旦被测对象退役，为其服务的一大批专用自动测试系统也随之报废。
2．第二代自动测试系统——台式仪器积木型
它是在标准的接口总线的基础上，以积木方式组建的系统。
系统中的各个设备（计算机、可程控仪器、可程控开关等）均为台式设备，每台设备都配有符合接口标准的接口电路。
组装系统时，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。
这种系统组建方便，组建者一般不需要自己设计接口电路。
积木式特点使得这类系统更改、增减测试内容很灵活，而且设备资源的复用性好。
系统中的通用仪器既可作为自动测试系统中的设备来用，亦可作为独立的仪器使用。
应用一些基本的通用智能仪器可以在不同时期，针对不同的要求，灵活地组建不同的自动测试系统。
组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus），在美国亦称此总线为IEEE488HP-IB。
在欧洲、日本常称之为IEC625。
在我国国内，人们常称之为GPIB或IEEE488，并已公布了相应的国家标准。
采用GPIB总线组建的自动测试系统特别适合于科学研究或武器装备研制过程中的各种试验、验证测试。
基于GPIB总线的自动测试系统的主要缺点表现为：
①总线的传输速率不够高（最大传输速率为1Mbytes/s），很难以此总线为基础组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。
②仪器的机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的，它阻碍了系统的体积、重量的进一步降低，难以组建体积小、重量轻的自动测试系统。
3.第三代自动测试系统——模块化仪器集成型
这类系统基于VXI、PXI等测试总线，主要由模块化的仪器设备所组成。
VXI总线（VMEbuseXtensionsforInstrumentation）是VME计算机总线向仪器测试领域的扩展，具有高达40Mbytes/s的数据传输速率。
PXI总线是PCI总线（其中的CompactPCI总线）向仪器测量领域的扩展，其中数据传输速率为132～264Mbytes/s。
以这两种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。
系统中，仪器、设备或嵌入计算机均以VXI（或PXI）总线的形式出现，众多模块化仪器设备均插入带有VXI（或PXI）总线插座、插槽、电源的VXI（或PXI）总线机箱中，仪器的显示面板及操作，用统一的计算机显示屏以软面板的形式来实现，避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置，大大降低了整个系统的体积、重量并能在一定程度上节约成本。
第三代自动测试系统具有数据传输速率高、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军用自动测试系统的主流组建方案。
在组建这类系统中，VXI总线规范是其硬件标准，VXI即插即用规范（VXIPlug&Play）为其软件标准，以货架产品（COTS）形式提供的虚拟仪器开发环境，为研制测试软件可采用的基本软件开发工具，目前尚有一部分元件不能以VXI总线模块的形式提供，因此在与VXI测试为主的总线测试系统中还可以用GPIB总线灵活连接GPIB所需的总线台式仪器。
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