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    儀器總線技術的回顧與展望

    2012-05-28 美國國家儀器公司NI中國 技術市場工程師 徐 赟
    概覽
    作者:NI中國 技術市場工程師 徐 赟

          在測試測量領域,儀器總線技術的發展歷來是工程師和科學家們最為關心的部分。從上世紀60年代推出的專用于儀器控制的GPIB總線,到現在被廣泛使用的 USB、VXI、PXI和最新推出的LXI、PXI Express,不斷涌現的新型總線技術在幫助我們的工程師更快捷高效的完成測量任務的同時,也引起了行業內專家們的廣泛爭論,究竟哪一種總線將會主宰未 來的測試測量領域呢? 
          未來的趨勢 —— 混合總線的測試系統
          先讓我們回顧一下歷史,無論是GPIB還是串口,都已經在測試行業應用超過了數十年,但至今仍有很多的工程師在繼續使用 或購買相應的儀器。再來看看幾乎已經退出PC歷史舞臺的ISA總線,在現在的一些工控機里我們仍舊可以看到ISA插槽的身影,甚至有不少廠商還在生產基于 ISA總線的數據采集卡和GPIB控制卡,滿足一部分客戶的需求。可以說,任何一種總線都有其在行業內獨特的優勢,沒有一種總線會完美到可以取代其它任何 的總線。
          所謂混合總線的測試系統,就是在一個系統中集成多個自動化測試平臺的不同部件,包括PXI, PCI, GPIB, VXI, USB, LAN和LXI等不同的總線。從工程師的角度來看,當設計一個測試系統時,往往需要平衡多方面的因素。現在的產品變的越來越復雜,對混合信號測試的要求也 就越來越高,這樣就需要利用不同總線測試平臺的優勢,搭建一個混合的測試系統來滿足測試的需求。例如您的系統可能需要像PXI和PCI Express等模塊化儀器總線所提供的高吞吐量和優良的集成性,同時也可能需要基于USB或者LAN(包括LXI)的分立式儀器,完成一些特定的測試功 能。此外,使用混合的系統,工程師們可以很容易的在現有的系統上進行升級或是添加新的部件,而無需重新設計整個系統。同時,這樣的混合系統對軟件的架構提 出了更高的要求,希望無論是在驅動服務層還是在應用軟件層都能對不同的總線平臺進行無縫的支持,也就是說,一個統一的軟件架構將成為整個混合測試系統的核 心。(如圖1)
    圖1:典型的混合總線測試系統的軟硬件架構
     
          因此我們看到的是這些總線將會長期的共存,未來測試系統的趨勢也將是基于混合總線的測試系統。而同時,軟件會在這樣多廠商、多總線的混合系統中體現其核心的地位。
          外部總線 —— GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI
          在測試測量行業,外部總線主要提供傳統分立式儀器與PC之間的互連性,因此我們又通常將這一類總線稱之為分立儀器總線。 每一種總線針對不同的應用都有其獨特的優勢,譬如說GPIB作為最成熟的總線技術,擁有最廣泛的可供選擇的儀器種類;使用USB,用戶可以充分利用其即插 即用的特性;而使用LAN/LXI,可以滿足用戶分布式應用和遠距離儀器通訊的需求。根據對測量功能、帶寬、傳輸延遲、性能和易連接性等的不同需求,用戶 可以自由的選擇適合自己應用的總線連接技術。
          GPIB,Serial和Firewire都已經是廣大工程師所熟知的總線技術,我們就不一一贅述了。這里要和大家一起討論的是幾種較新的分立儀器總線技術。
          USB
          Universal Serial Bus (USB) 因為其在PC機上的廣泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高達480Mbits/s的傳輸速率,也逐漸的成為儀器控制的主流總線技術。現在計算機上的USB口越來越多,也使得工程師可以很方便的將基于 USB的測量儀器連接到整個系統中。
    但是USB在儀器控制方面亦有一些缺點。比如說USB的排線沒有工業標準的規格,在惡劣的環境下,可能造成數據的丟失;此外,USB對排線的距離也有一定的限制。
          LAN和LXI
          LAN作為一種成熟的技術,在數年前就已經被廣泛的應用于各種測試系統,如遠程的網絡分析儀和數據記錄儀等,并特別適用 于分布式的系統和遠程監控,填補了傳統儀器原來在這方面的空白。作為VXIbus規范的一部分,當時的VXI-11規范就定義了網絡儀器通過TCP/IP 進行控制器和設備之間通訊的一系列標準。
          LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)總線規范源于美國軍方應用的需求,它重新定義了一系列基于LAN的儀器類,其中包含基于現成的IEEE 1588技術的定時指標和可選的LXI觸發總線。但歸根結底,LXI的儀器還是一種基于LAN的分立式儀器,只是將多種現有的技術(如LAN,IEEE 1588等)重新整合成一種新的標準,并沒有太多技術上的革新。此外,LXI目前主要還是針對美國軍方的一些高端測量應用,還沒有在工業界得到普及,市場 上真正可供選擇的LXI儀器也很有限。
          無論是LAN還是LXI,因為都是基于以太網的通訊方式,以太網本身的一些缺陷還是會存在,如需要人工配置IP地址,如何解決IP地址的沖突問題等;此外,數據傳遞的實時性、數據的完整性和安全性等都是需要進一步探討的問題。
          在這里我們還要簡單介紹一下被LXI所采用的新型時間同步協議:IEEE 1588,它提供了標準的方法用于在網絡上實現亞微秒級的設備同步。協議將從設備的時鐘和主設備的時鐘進行同步,保證了所有設備中的任何事件和時間標記都 使用同一個時間基準。使用IEEE 1588進行設備同步需要分兩步:(1)根據最佳主時鐘算法確定哪個設備將提供主時鐘;(2)測量和修正由于時鐘的偏移量(offset)和網絡延遲 (network delay)造成的時間誤差。 
          在現實的應用中,IEEE 1588時鐘同步的精度還取決于許多的因素。如主從時鐘的時鐘頻率、時鐘的穩定性、網絡的拓撲結構等。此外,網絡通訊中許多的變數都會或多或少的影響到同步的精度。
          當我們打開現代PC的機箱,我們會發現顯卡往往是基于高帶寬的PCI、AGP或是最新的PCI Express x16總線,很少能見到基于USB,Ethernet等外部總線的顯卡;同樣,一臺分立式儀器雖然在外部提供了USB,Ethernet/LAN以及 RS-232等接口用于和PC的通訊,但儀器內部還是使用了PCI總線用于內部數據的傳輸。上面的兩個例子都使用了內部總線用于海量數據的傳輸,因為像 PCI這樣的內部總線,相比于外部總線,能夠提供更高的總線帶寬和更低的傳輸延遲(見圖2)。接下來就讓我們來討論一下一些常見的內部總線。
    圖2:相比于外部總線,內部總線具有較高的總線帶寬和較低的傳輸延遲

          內部總線 —— VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express
          內部總線,我們也稱之為模塊化儀器總線,它提供了開發者開放的多廠商聯合的標準和靈活的軟件來創建用戶自定義的儀器,解 決不同的應用需求。這樣的儀器不僅具有更好的集成性和可擴展性,同時提供更佳的軟件靈活性。如上圖所示,內部總線具有的高帶寬特性對于高速流盤和激勵/響 應測試的應用來說至關重要,而低延遲則決定了少量數據傳輸時的測試時間,如對數據傳輸延遲要求較高的數字萬用表+開關的掃描測試。常見的內部總線包括 VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express等。
          VXI和PCI/PXI
          VXI (VMEbus eXtensions for Instrumentation) 是最早引入模塊化儀器概念的總線,它成功地減小了傳統儀器系統的尺寸并提高了系統集成化的水平,主要用于滿足高端自動化測試應用的需要,并已成功應用于軍 用航空的測試和制造業的測試等。然而,由于VXI價格昂貴且基于過時的VME總線,而現代計算機又不支持這種總線結構;伴隨著PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線的推出,VXI的市場份額逐漸的在減小,而PXI的增長卻勢不可擋,早已在數年前超過VXI成為模塊化測試測量的主 流技術。PXI因為基于成熟的PCI總線技術,和VXI相比,具有更快的總線傳輸速率(132MB/s vs 40MB/s),更小的體積以及更好的性能價格比。此外,PXI能夠提供納秒級的定時和同步功能以及堅固的工業特性。最后,得益于軟件的靈活性和不斷更新 的模塊化硬件,用戶可以最少的投資隨時升級整個測試系統。如此優良的擴展性,靈活的軟件架構使得基于PXI模塊化儀器平臺的系統集成變得更加的普遍。
          PCI Express
          現在基于PC的測試應用對于總線帶寬的要求越來越高,即使132MB/s的PCI總線帶寬也難以滿足許多新興應用的需求。因此PCI-SIG(PCI總線 標準的制訂實體)推出了新一代的高速內部總線:PCI Express。作為對PCI總線的一個革新,PCI Express保持了與PCI總線的軟件兼容性,并用高速串行總線代替了傳統的并行總線。PCI Express通過多通道差分信號來實現雙向數字的傳輸,每一個傳輸方向的一個通道就可提供250MB/s的帶寬,組合多個通道(x16)最高可達4GB /s的傳輸速率。與PCI總線上所有設備共享帶寬的方式不同的是,每個PCI Express設備都享有一個專用的帶寬來保證數據通路的暢通無阻(見圖3)。此外,PCI Express因為采用了先進的軟件架構完全確保了和現有PCI的軟件兼容性。據權威機構預測,PCI Express的核心芯片(PCI Express x4 Switch)的成本將在2008年降到大約每片2.4美金,同時借鑒PCI總線在現今市場的巨大成功,因此很多專家都預測PCI Express將在未來成為高速總線的主流趨勢。
          對于測試測量領域而言,PCI Express總線的推出使得許多高速的測試應用變為可能,例如每秒高達幾百幀的圖像采集與存儲、上GHz的數字化儀和信號發生器,數字通訊協議的測試與 驗證等等,因此我們有理由預見PCI Express總線將在未來成為新一代的模塊化儀器總線,為工程師們帶來更高的性能和更快的速度。
    圖3:所有PCI Express插槽具有專用的帶寬來連接PC內存,無需像傳統PCI那樣共享帶寬

          PXI Express
          使用成熟的PCI技術大幅推動了PXI總線的發展,使得PXI在測試測量領域被廣泛的應用。如今將最新的PCI Express技術融入到PXI的標準中,使得新型的PXI Express總線可以幫助工程師滿足更多的應用需求。PXISA官方組織已在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模塊在軟硬件上的兼容性。如此性能 的提升,使得PXI Express能夠進入到更多以往被專用儀器所統制的一些應用領域,如中頻乃至射頻的數字化儀、通訊協議的驗證等。由于PCI Express和PCI之間的軟件兼容性,PXI Express同樣可以沿用以往PXI提供的標準軟件架構。為了提供硬件的兼容性,最新的CompactPCI Express的標準定義了混合的插槽用來同時支持基于PCI或PCI Express架構的模塊。通過融合最先進的商業技術:PCI Express,我們將在不久的未來看到全新模塊化儀器總線PXI Express為用戶帶來的先進技術和高速性能。
          軟件是核心 —— 使用統一的軟件平臺
          混合系統作為測試測量領域的發展趨勢,使用戶能夠不僅享受模塊化儀器的高速和靈活性,同時能使用現有的分立式儀器進行一 些特殊的測量。而軟件對于這樣多廠商,多總線的混合系統顯得尤為的重要。擁有一個統一的軟件架構能夠大大簡化系統編程的復雜性,并避免不同儀器之間帶來的 兼容性問題。
          在圖1的混合系統中,底層的硬件使用了包含PXI、GPIB、LXI等多種測試總線,而在上層卻是一個由測量和控制服務 層和應用開發層組成的統一的軟件架構。測量和控制服務層包含靈活的設備驅動,用于連接軟件和硬件并簡化硬件配置部分的測試代碼。為了將硬件無縫的集成到軟 件中去,工程師們希望能夠有高性能、易于編程且持續可升級的API來幫助開發。VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)標準就是提供了這樣一種通用的API,負責和驅動軟件進行通訊,并且獨立于您所使用的儀器總線。無論是使用PXI, VXI, GPIB, LAN還是LXI總線,VISA都提供了標準的函數庫和儀器進行通訊,同時從軟件上保證了總線之間的互換性。此外,網上超過4000種可供下載的儀器驅動 可以幫助您簡化儀器功能的復雜性,快速的開發儀器驅動應用。作為儀器驅動的另一種標準,IVI(Interchangeable Virtual Instrument)標準定義了通用儀器的互換性,對于一些指定的儀器類,如示波器,信號源等,您可以隨意的將現在使用的儀器換成一臺其他生產廠家、甚 至是其他總線的另一臺同類的儀器,而不需要修改任何的軟件測試代碼。
          在應用開發層,開發者總是希望使用符合行業標準的軟件開發環境來進行整個系統軟件的開發。LabVIEW作為一個專為測 試測量設計的編程語言,使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式,能夠幫助用戶高效和快速的開發測試應用。伴隨著LabVIEW 8的推出,使用LabVIEW進行數據采集和儀器控制的功能被進一步的加強,最新的項目管理和分布式智能更是適合混合測試系統的軟件開發。目 前,LabVIEW已逐漸地成為測試測量行業標準的軟件開發平臺。當然,除了LabVIEW,用戶也可以根據自己的喜好,選擇其他的編程語言,如 LabWindows/CVI,VB,C++等進行開發。
          軟件就是核心,LabVIEW加上標準的測量和控制服務(如VISA, IVI等)就構成了這樣一個統一的軟件平臺,幫助工程師簡化軟件的復雜性,更好的發揮混合測試系統的強大功能。
          總結
          在當今的測試測量領域,無論是經久不衰的傳統儀器總線,還是新型高速的模塊化儀器總線技術,都會在未來共存,或許只是市場份額大小和應用需求不同的 分別。我們也將看到越來越多的基于多種總線的混合測試系統,工程師們最終在乎的不再是使用何種總線,而是無論使用任何總線,軟件上都能予以支持并且能更高 效和快速的開發相關的應用。因此,擁有一個標準的軟件平臺就顯得至關重要,它能夠幫助簡化總線變化帶來的復雜性,并充分發揮不同總線的優勢,讓用戶感覺就 像在一個平臺下進行開發那樣的簡單和快捷。
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