儀器總線技術(shù)的回顧與展望

1、儀器總線技術(shù)的回顧與展望         1、未來的趨勢(shì) 混合總線的測(cè)試系統(tǒng)圖1 典型的混合總線測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)    因此我們看到的是這些總線將會(huì)長(zhǎng)期的共存，未來測(cè)試系統(tǒng)的趨勢(shì)也將是基于混合總線的測(cè)試系統(tǒng)。而同時(shí)，軟件會(huì)在這樣多廠商、多總線的混合系統(tǒng)中體現(xiàn)其核心的地位。     2、外部總線 GPIB, Serial, IEEE 1394(FireWire), USB, LAN以及LXI    在測(cè)試測(cè)量行業(yè)，外部總線主要提供傳統(tǒng)

2、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(duì)不同的應(yīng)用都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，譬如說GPIB作為最成熟的總線技術(shù)，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(yīng)用和遠(yuǎn)距離儀器通訊的需求。根據(jù)對(duì)測(cè)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(yīng)用的總線連接技術(shù)。        GPIB，Serial和Firewire都已經(jīng)是廣大工程師所熟知的總線技術(shù)，我們就不一一贅述了。這里要和大家一起討論的

3、是幾種較新的分立儀器總線技術(shù)。        USB    Universal Serial Bus (USB) 因?yàn)槠湓赑C機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和USB 2.0高達(dá)480Mbits/s的傳輸速率，也逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)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(cè)量?jī)x器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。        但是USB在儀器控制方面亦有一些缺點(diǎn)。比如說USB的排線沒有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，

4、可能造成數(shù)據(jù)的丟失；此外，USB對(duì)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(shù)，在數(shù)年前就已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各種測(cè)試系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)分析儀和數(shù)據(jù)記錄儀等，并特別適用于分布式的系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，填補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器原來在這方面的空白。作為VXIbus規(guī)范的一部分，當(dāng)時(shí)的VXI-11規(guī)范就定義了網(wǎng)絡(luò)儀器通過TCP/IP進(jìn)行控制器和設(shè)備之間通訊的一系列標(biāo)準(zhǔn)。        LXI（LAN eXtensions fo

5、r Instrumentation）總線規(guī)范源于美國(guó)軍方應(yīng)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(xiàn)成的IEEE 1588技術(shù)的定時(shí)指標(biāo)和可選的LXI觸發(fā)總線。但歸根結(jié)底，LXI的儀器還是一種基于LAN的分立式儀器，只是將多種現(xiàn)有的技術(shù)（如LAN，IEEE 1588等）重新整合成一種新的標(biāo)準(zhǔn)，并沒有太多技術(shù)上的革新。此外，LXI目前主要還是針對(duì)美國(guó)軍方的一些高端測(cè)量應(yīng)用，還沒有在工業(yè)界得到普及，市場(chǎng)上真正可供選擇的LXI儀器也很有限。        無論是LAN還是LXI，因?yàn)槎际腔谝蕴W(wǎng)的通訊方式，以太網(wǎng)本身的

6、一些缺陷還是會(huì)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(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)的完整性和安全性等都是需要進(jìn)一步探討的問題。        在這里我們還要簡(jiǎn)單介紹一下被LXI所采用的新型時(shí)間同步協(xié)議：IEEE 1588，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的方法用于在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的設(shè)備同步。協(xié)議將從設(shè)備的時(shí)鐘和主設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行同步，保證了所有設(shè)備中的任何事件和時(shí)間標(biāo)記都使用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。使用IEEE 1588進(jìn)行設(shè)備同步需要分兩步：（1）根據(jù)最佳主時(shí)鐘算法確定哪個(gè)設(shè)備將提供主時(shí)鐘；（2）測(cè)量和修正由于時(shí)鐘的偏移量（offset）

7、和網(wǎng)絡(luò)延遲（network delay）造成的時(shí)間誤差。         在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，IEEE 1588時(shí)鐘同步的精度還取決于許多的因素。如主從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。此外，網(wǎng)絡(luò)通訊中許多的變數(shù)都會(huì)或多或少的影響到同步的精度。        當(dāng)我們打開現(xiàn)代PC的機(jī)箱，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)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(tái)分立式儀器雖然在外部提供了

8、USB，Ethernet/LAN以及RS-232等接口用于和PC的通訊，但儀器內(nèi)部還是使用了PCI總線用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸。上面的兩個(gè)例子都使用了內(nèi)部總線用于海量數(shù)據(jù)的傳輸，因?yàn)橄馪CI這樣的內(nèi)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(nèi)部總線。 圖2 相比于外部總線，內(nèi)部總線具有較高的總線帶寬和較低的傳輸延遲    3、內(nèi)部總線 VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express    內(nèi)部總線，我們也稱之為模塊化儀器總線，它提供了開發(fā)者開放的多

9、廠商聯(lián)合的標(biāo)準(zhǔn)和靈活的軟件來創(chuàng)建用戶自定義的儀器，解決不同的應(yīng)用需求。這樣的儀器不僅具有更好的集成性和可擴(kuò)展性，同時(shí)提供更佳的軟件靈活性。如上圖所示，內(nèi)部總線具有的高帶寬特性對(duì)于高速流盤和激勵(lì)/響應(yīng)測(cè)試的應(yīng)用來說至關(guān)重要，而低延遲則決定了少量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的測(cè)試時(shí)間，如對(duì)數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較高的數(shù)字萬用表+開關(guān)的掃描測(cè)試。常見的內(nèi)部總線包括VXI, PCI/PXI, PCI Express和PXI Express等。        VXI和PCI/PXI    VXI(VMEbus eXtensions for

10、 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(tǒng)儀器系統(tǒng)的尺寸并提高了系統(tǒng)集成化的水平，主要用于滿足高端自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用的需要，并已成功應(yīng)用于軍用航空的測(cè)試和制造業(yè)的測(cè)試等。然而，由于VXI價(jià)格昂貴且基于過時(shí)的VME總線，而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)又不支持這種總線結(jié)構(gòu)；伴隨著PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線的推出，VXI的市場(chǎng)份額逐漸的在減小，而PXI的增長(zhǎng)卻勢(shì)不可擋，早已在數(shù)年前超過VXI成為模塊化測(cè)試測(cè)量的主流技術(shù)。PXI因?yàn)榛诔墒斓腜CI總線技術(shù)，和VXI相比，具有更快的總線傳輸速率(132MB/s vs 40MB/

11、s)，更小的體積以及更好的性能價(jià)格比。此外，PXI能夠提供納秒級(jí)的定時(shí)和同步功能以及堅(jiān)固的工業(yè)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(shí)升級(jí)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。如此優(yōu)良的擴(kuò)展性，靈活的軟件架構(gòu)使得基于PXI模塊化儀器平臺(tái)的系統(tǒng)集成變得更加的普遍。        PCI Express    現(xiàn)在基于PC的測(cè)試應(yīng)用對(duì)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(yīng)用的需求。因此PCI-SIG(PCI總線標(biāo)準(zhǔn)的制訂實(shí)體)推出了新一代的高速內(nèi)部總線：P

12、CI Express。作為對(duì)PCI總線的一個(gè)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(tǒng)的并行總線。PCI Express通過多通道差分信號(hào)來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字的傳輸，每一個(gè)傳輸方向的一個(gè)通道就可提供250MB/s的帶寬，組合多個(gè)通道(x16)最高可達(dá)4GB/s的傳輸速率。與PCI總線上所有設(shè)備共享帶寬的方式不同的是，每個(gè)PCI Express設(shè)備都享有一個(gè)專用的帶寬來保證數(shù)據(jù)通路的暢通無阻(見圖3)。此外，PCI Express因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的軟件架構(gòu)完全確保了和現(xiàn)有PCI的軟件兼容性。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，PCI Express的核心芯片(PCI Expres

13、s x4 Switch)的成本將在2008年降到大約每片2.4美金，同時(shí)借鑒PCI總線在現(xiàn)今市場(chǎng)的巨大成功，因此很多專家都預(yù)測(cè)PCI Express將在未來成為高速總線的主流趨勢(shì)。        對(duì)于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域而言，PCI Express總線的推出使得許多高速的測(cè)試應(yīng)用變?yōu)榭赡埽缑棵敫哌_(dá)幾百幀的圖像采集與存儲(chǔ)、上GHz的數(shù)字化儀和信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字通訊協(xié)議的測(cè)試與驗(yàn)證等等，因此我們有理由預(yù)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

14、用的帶寬來連接PC內(nèi)存，無需像傳統(tǒng)PCI那樣共享帶寬    PXI Express    使用成熟的PCI技術(shù)大幅推動(dòng)了PXI總線的發(fā)展，使得PXI在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。如今將最新的PCI Express技術(shù)融入到PXI的標(biāo)準(zhǔn)中，使得新型的PXI Express總線可以幫助工程師滿足更多的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，通過在背板使用PCI Express的技術(shù)，PXI Express能夠?qū)捳岣?5倍，從原來PXI的132MB/s提高到現(xiàn)在6GB/s，同時(shí)保

15、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(jìn)入到更多以往被專用儀器所統(tǒng)制的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如中頻乃至射頻的數(shù)字化儀、通訊協(xié)議的驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)。為了提供硬件的兼容性，最新的CompactPCI Express的標(biāo)準(zhǔn)定義了混合的插槽用來同時(shí)支持基于PCI或PCI Express架構(gòu)的模塊。通過融合最先進(jìn)的商業(yè)技術(shù)：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(jìn)技術(shù)和高速性能。    4、軟件是核心 使用統(tǒng)一的軟件平臺(tái)    5、總結(jié)