测试总线是指计算机与测试仪器构成的测试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路,是现代检测系统的重要组成部分。测试总线的选择是ATS硬件设计的重要环节,它决定着整个系统的测试性能,它的发展推动着自动测试系统的更新换代。采用先进的测试总线技术,易于实现硬件平台的标准化、通用化,从而大大简化系统硬件平台的结构,增加系统的开放性、兼容性、可靠性和可维护性,提高测试速度和测试精度。
测试总线技术随着工业生产的需要以及高新科技的发展在国外发展很快,20世纪70年代出现GPIB(通用接口总线),到80年代就出现了VXI(VME bus eXtension for instrumentation,用于仪器的VME总线扩展)总线,在90年代,PCI(外设组件互连)总线成为主流产品。随后美国NI公司又在1997年9月推出模块化仪器的主流平台PXI(PCI eXtensions for instrumentation,PCI在仪器领域的扩展),这是与compact PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/compact PCI的传输速度已经达到100 Mb/s。
伴随着检测系统的发展和基于自动测试的需求,测试总线在近几十年来发展极为迅速,从专用接口到通用接口的演变,从早期的GPIB、CAMAC(计算机自动测量和控制)到近期的VXI、MXI(多系统扩展接口)、PCI/PXI、CAN(控制器域网)、PCIe(高速串行计算机扩展总线)/PXIe、MMS、LXI(基于局域网的模块化测试平台标准)、IEEE1394(Firewire)、USB(通用串行总线)等测试总线。这些测试总线虽然出现先后次序不同,但它们各有各的特点和优势,每种测试总线都占有一定的市场。以下是在组建各种测试系统时常用到的总线系统。
1.PC-DAQ系统
PC-DAQ是以数据采集卡、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI或ISA(工业标准体系)计算机本身的总线,将数据采集卡/板(DAQ)插入计算机的空槽中即可。PCI总线插卡式测试仪器系统是20世纪90年代个人计算机(PC)广泛应用的结果。基于PCI总线的测试系统拥有成熟的硬件基础、广泛的软件支持、大批熟练的用户以及低廉的价格,其灵活性使得基于PCI总线的测试仪器成为基于计算机仪器的重要发展方向。但是,受PC体系结构的限制,PCI总线插卡式测试仪器在可扩展性和精确测试控制方面存在不足。
2.GPIB系统
GPIB是20世纪70年代初由美国HP公司提出的一种通用数据并行总线,即IEEE488标准。其采用母线连接方式,可支持15台器件同时工作,数据传输距离不超过20 m。其独有的三线挂钩机制提高了数据传输的可靠性,但其数传速度较低,最高只有1 Mb/s。由于目前的台式仪器一般都备有GPIB接口,技术成熟,且价格相当便宜,因此GPIB仍然拥有相当可观的市场和用户,特别是在微波频段对测试准确度要求高,而对测试要求相对不高的场所。
3.VXI总线
VXI总线是VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。该总线是“用于仪器的VME总线扩展”的简称,VXI吸取了VME总线和GPIB的一些优点,是一种即插即用式的、完全开放的、适合多厂商环境的模块化仪器总线标准。VXI总线模块有A、B、C、D四种尺寸,其中D尺寸模块除装有P1、P2连接器外,还装有P3连接器。在P3上定义了一个由两条星形线组成的星形触发系统。同时为了满足测控模块的需要,VXI总线通过P1连接器提供了16 MHz的系统时钟,通过P2连接器提供了10 MHz的时钟信号、TTL(逻辑门电路)及ECL(发射极耦合逻辑)电路触发总线、模拟相加总线和12引脚的局部总线。它具有良好的交互操作性、可靠性及可移动性,其传输速率高、功耗低、体积小、重量轻,便于维修。(www.daowen.com)
VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准,成为开放式工业标准。VXI标准和VPP规范的建立使模块仪器走上了标准化的道路,为自动测试技术的发展提供了新的技术支持。已经有1 000多家生产厂家生产各种VXI产品,VXI的应用范围越来越大。但这类总线价格比较昂贵,适用于中大型的测试设备。在美国,VXI测试系统已经被应用到车载、机载机动测试中,如F-22战斗机的生产测试过程。
4.PXI总线
PXI是PCI在仪器领域的扩展,是一种全新的开放式、模块化仪器总线规范。PXI分别采用了compact PCI的外形及机械特征、标准PCI的电气特征,将标准PCI规范电气特征与compact PCI采用的欧式卡和IEC(International Electrotechnical Committee,国际电工委员会)高性能连接器相结合,定义了触发机制、局部总线、系统时钟等功能,满足了仪器应用中高性能和特殊要求。同时,还定义了一种虚拟仪器软件结构(virtual instruments software architecture,VISA),VISA主要用于模块定位及与串口、VXI、GPIB等外围模块相互通信。它比VXI有着更高的传输速率,填补了低价位PC系统与高价位GPIB系统和VXI系统之间的空白,是搭建现代自动检测系统首选的硬件平台。
5.LXI总线
LXI总线是基于工业标准以太网(Ethernet)技术,扩展仪器需要的语言、命令、协议等内容,构成适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准总线。它集Ethernet标准、Internet工具、LAN(局域网)协议、IEC物理尺寸和IVI(interchangeable virtual instruments,可互换虚拟仪器)驱动程序等各方优点于一身,使测试系统的互连平台转向更高速的PC标准I/O(输入/输出),而不需要机箱和昂贵的电缆,并可使用标准的软件。与VXI和PXI机箱背板总线结构不同,LXI实际上以以太网为总线,因此LXI模块能储存在世界任何地方,或从世界任何地方访问,这就极大提高了它的使用范围,其具体设想是将非常成熟的以太网技术应用到自动测试系统中,以替代传统的测试总线技术。LXI总线技术是下一代总线技术的发展方向,但是现在支持该总线的硬件还少,与其他总线的兼容性还有待进一步验证。
6.其他测试总线
IEEE1394、USB、RS232等总线,它们的电气特性决定了不能作为大型系统的总线,但是在组建小型测试系统上应用得非常广泛;同时一些总线(如GPIB)由于技术成熟、价格低廉,在对总线的要求不高的检测系统中仍在使用。
LXI总线无疑是下一代测试总线的发展方向,不久的将来,会成为测控领域的主流总线。但是因为LXI总线是基于以太网的通信方式,以太网本身还存在一些缺陷,如需要人工配置IP(互联网协议)地址,如何解决IP地址的冲突问题等;再者,数据传递的实时性、数据的完整性和安全性等都是需要进一步探讨的问题,所以LXI总线目前主要是针对美国军方的一些高端装备测试系统,还没有在工业界及其他国家装备测试系统中得到普及。PXI总线和VXI总线可以说各有其优缺点,VXI总线从整体的性能上来说要优于PXI总线,这就使得VXI总线系统价格昂贵,在传输速度和价格方面,PXI总线比VXI总线传输速度快、硬件成本低。VXI总线在早期的测试系统中被广泛地使用,随着PXI总线标准的公布和产品的推广,几乎所有的测试系统开始使用这种机械性能、电气性能良好,软件规范兼容性强的总线,PXI总线同虚拟仪器技术结合起来已经成为当今组建大型综合测试系统的首选。
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