自動測量總線與計算機技術同步發展(圖)

　　從控制傳統的測試測量儀器到基于PC的簡單測量，一直發展到今天完整的測量系統平臺，測量總線技術也相應經歷了從GPIB到VXI直至目前主流的PXI的演變過程。近幾年，PXI總線技術在國內受到大力宣傳和推廣，最具代表性的PXI技術倡導者是美國國家儀器公司（National Instruments - NI）以及PXI聯盟旗下的眾多參與企業。2006年4月25日，以PXI為主題的第三屆中國“PXI技術和應用論壇”在上海舉辦，吸引了眾多測試測量及相關行業的廠家及專業人士參與，筆者也應邀參加了此次活動。站在PXI這一點來回顧總線標準的發展，對讀者和業界是具有借鑒意義的。

　　那么，PXI究竟處于什么樣的技術和歷史位置呢？因為自動測量技術的核心是計算機技術，所以測量總線技術的發展是與計算機總線的發展密切相關的。要了解測量總線的歷史，把握其目前的技術態勢，我們需要通過知曉計算機總線技術的發展歷程和走向，來分析測量總線技術。

　　可用于測量的總線標準很多。衡量一種總線技術的優劣主要看兩個參數：帶寬和延遲。在實際應用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各種總線都有其適合的應用領域。流行的高性能測量總線主要有GPIB、VXI和PXI。如圖1所示，從帶寬和延遲的角度，PXI明顯優于傳統的GPIB和VXI總線。
　　下面聯系計算機技術分別回顧這三種總線的歷史。

　　HP（惠普公司）是計算機技術的先行者之一。其第一款計算機HP 2116A于1966年面世，用于控制該公司眾多的測量儀器。GPIB（General Purpose Interface Bus即通用接口總線）源于HP-IB，這是HP 1965年設計的接口總線，用于連接HP的計算機和可編程儀器。由于其轉換速率高（通?？蛇_1MB/s），這種接口總線逐漸得到普遍認可，1975年成為IEEE 488-1975標準。

　　可以說，HP開創了基于計算機的數字化測量測試儀器，進入20世紀80年代后，虛擬儀器技術的創始人NI逐漸成為全球最大的GPIB供應商。通過使用LabVIEW和儀器驅動軟件，工程師們可以自動化地控制測試儀器，由此，自動化測試測量的時代正式開始。GPIB的出現使電子測量從獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展，并且使得自動測量中儀器的互聯有了統一的標準。此后，各種帶標準接口的測量儀器不斷出現，使檢測計量人員能夠很方便組成各種功能強大的自動測量儀器系統。

　　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接插件，具有突出的堅固性和可靠性。經過30余年普及，幾乎所有獨立儀器都已配有GPIB接口，網絡上也有各種GPIB驅動，因而具有最好的兼容性。GPIB適合自動化現有的設備、混合系統和特別要求專用儀器的系統。

　　VXI是VME eXtensions for Instrumentation的縮寫。它是VME（Versa Module Eurocard）總線在儀器領域的擴展。顯然，要了解VXI，首先要了解VME。

　　VME總線源于VERSAbus，這是摩托羅拉公司1980年設計推出用以支持其MC68000微處理器產品線的技術。摩托羅拉在計算　機領域有著輝煌的歷史，是早期CPU的研發、生產廠商之一。摩托羅拉于1974年推出MC6800處理器。MC68000于1979年面世，與Intel 8086以及Intel 80286競爭并取得一些成功。

　　最早的VERSAbus設計有一個特點：插拔卡的尺寸很大。因為這一點，歐洲的設計人員非常不喜歡。后來設計出一種較小的、具有相似功能的總線供歐洲人使用，稱作Versa Module European，或VME，意歐式變種模塊。摩托羅拉、飛利浦、湯姆森等公司是倡導者。該總線從1982年開始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受為萬用背板總線標準（ANSI/IEEE 1014-1987）。同年，Colorado Data System、 HP、 Racal Dana、 Tektronix和Wavetek等5家儀器公司的技術代表成立了一個技術委員會（即后來的VXI總線聯盟），發布了VXI規范的第1個版本。幾經修改和完善，VME總線標準于1993年9月20日出版發行。

　　VXI作為一種內部總線，比GPIB具有更高的帶寬，且具有更好的延遲率，所以它一推出就得到了軍工/航空航天的大量采用。但由于成本較高，所以很難向其他領域應用進行擴展。

　　追根溯源，PCI技術的開創者實為計算機行業的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已遠遠不能適應要求而成為整個系統的主要瓶頸，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團。PCI是Peripheral Component Interconnect(外設部件互連)的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產品上都帶有這種插槽。而且作為內部總線，PCI能夠達到很高的帶寬。

　　1994年提出的CompactPCI簡稱cPCI，中文又稱緊湊型PCI，是在PCI技術基礎之上經過改造而成。它采用經過20年實踐檢驗后的高可靠歐洲卡結構，改善了散熱條件，提高了抗振動沖擊能力，符合電磁兼容性要求，更適合構建高可用性系統，滿足電信、數字通信、軍事裝備以及其他高可靠領域的要求。

　　1997年，NI公司為測試和測量應用提出PXI（PCI eXtensions for Instrumentation），這是專為測試任務而優化的CompactPCI，PXI基于cPCI總線的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線，用于模塊至模塊之間的同步和觸發。PXI控制器運行Windows操作系統，采用最快速的處理器、內存等PC技術，并能連接各種外部總線接口（例如USB、串口等），此外NI等一些廠商還提供與PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系統中理想的核心部分。1998年，NI與其他測試設備廠商合作的PXI系統聯盟將PXI作為一個開放的工業標準推向市場，迄今為止PXI聯盟已經擁有70余家公司和超過1200種產品供選擇，所以這樣的模塊化平臺可以讓用戶自由選擇測試功能、用戶界面、分析軟件等其他要素。此外，商業技術的運用和在模塊間共享電源等優勢為用戶極大地降低了成本。以上這些都使其成為測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。

　　目前，PXI技術得到大力推廣，市場發展迅速。根據Frost & Sullivan 2005年度的調查顯示（見圖2），PXI市場的增長速度遠高于VME/VXI，以及測試測量行業的平均值。NI和PXI聯盟成員也在繼續為PXI加大投資，隨著Intel PCI Express總線的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXI Express的軟硬件標準，通過在背板使用PCI Express的技術，PXI Express能夠將帶寬整整提高45倍，從原來PXI的132MB/s提高到現在6GB/s；同時保持了和原來PXI模塊在軟硬件上的向后兼容性。

　　然而，由于VXI大量用于軍工和航天等對成本及對新技術不敏感、但對可靠性和性能要求苛刻的領域，所以還會在相當長的時間內存在。另外，供應商們也在嘗試為VME加入新技術，比如提升帶寬的新技術，試圖使這種總線技術的服役期限再延長10年甚至20年。

　　即便是更老的GPIB技術也不會馬上消失，被新的總線(例如以太網、USB 或FireWire)所取代。GPIB安裝基數非常大，精通的使用者和供應商眾多。一些大型測試和測量公司如安捷倫、吉時利、羅德與施瓦茨和Tektronix仍以GPIB為主要的儀器總線并配之以所需的USB或以太網。GPIB還可以用來將VXI和PXI連接到外圍控制器。此外，一些特殊儀器，例如吉時利儀器公司的2800 RF模型動力分析儀，就只能采用GPIB連接平臺。基于此，一些廠商如吉時利仍然看好GPIB的發展前景。

　　在遺產（英文legacy，西方人不稱舊的或過時的）技術繼續存在的同時，更新的總線技術還在不斷涌現，例如，安捷倫于2004年提出LXI平臺概念。LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）據稱以獨特的方式將GPIB的優勢和VXI的優勢結合在一起。基于LAN 的測試總線適合于遠程測量和控制，其廣泛性和低成本的特點使之成為現有儀器控制總線（如GPIB等）的一個極具競爭力的替代項。然而對于設備與設備之間的同步，就必須要結合IEEE 1588，那么這樣的話用戶就要為開關盒增加額外的成本。LXI協會于2004年9月成立，一年后發布了第一版LXI規范，迄今大部分的產品都是基于LAN控制，而不是結合1588標準。

　　一種總線技術能否流行，除了先進、可行的技術，能否得到業內的認可尤為重要，因此宣傳推廣必不可少。NI等公司在PXI總線上做的工作比較成功。最后值得一提的是，由于中國是一個新興的市場，不像歐美市場那樣有太多固有的東西妨礙新技術的推廣，所有新的總線技術在這里都有著良好的發展機會。