GPIB、VXI、PXI、LXI仪器自动测试系统的应用与发展.doc

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1、GPIB、 VXI、 PXI、 LXI仪 器 自 动 测 试 系 统 的 应 用 与 发 展编 写 人 :刘 佳 璐 ( 13040510065)吴 心 仪 ( 13040510063)1、自动测试系统和测试总线的基本概念自动测试系统(Automatic Test System,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

2、括GPIB(General Purpose Interface Bus)、VXI(VMEbus eXtensions for Instrumentation)、PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)、LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)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

3、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 IEEE 488-1975 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) IEEE 488 总线由于最初的 IEEE 488 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 488.2,用于 IEEE 488(被更名为 IEEE

4、 488.1)的代码、格式、协议和通用指令。IEEE 488.2 并没有替换 IEEE 488.1。许多设备还只是符合 IEEE 488.1。IEEE 488.2 是建立在 IEEE 488.1 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 488.2 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、G

5、PIB 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DI01DI08 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 ND

6、AC、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

7、 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 130 范围内设置。4、GPIB 测试系统的优势及劣势4.1、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。4.2、有相对确定的传输速率,确保信息的完整性和保密性。4.3、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。4.4、数据传输速率较低,最大传输速率为 1 Mbs,投入费用高,可靠性不是太好。4.5、以 GPIB 总线为基础,很难组建

8、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。4.6、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

9、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”(rackandstack)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 1015 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、Data

10、 Systems、HP、Racal Data、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

11、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 VXI Plug&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。VXIbu

12、s 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。

13、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

14、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

15、的几种方式。每个 VXIbus 器件都有一个唯一逻辑地址(unique logical address,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3.1、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。3.2、

16、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 40 Mbs,一般不会成为数据传输的瓶颈。3.3、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。3.4、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。3.5、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。

17、3.6、 高可靠性和可维护性。3.7、 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。3.6 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

18、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 (PCI extensions for Instrumentation,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(Per

19、ipheral Component Interconnection-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

20、 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。2.1PXI 体系结构简介2.1.1 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。2.1.2PXI 附加的机械特性在 PICMG2

21、.0R3.0 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。2.1.3 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。2.2 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。2.3

22、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。2.4 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

23、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

24、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1.LXI 发展历程:LXI(LAN eXtension for instrumentation)是一种基于局域

25、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。2.LXI 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

26、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)

27、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+、visual basic、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。4.LXI 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

28、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

29、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: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。一旦被测对象退役,为其服务的

30、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

31、普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线 GPIB(General Purpose Interface Bus),在美国亦称此总线为 IEEE 488HP-IB。在欧洲、日本常称之为 IEC 625。在我国国内,人们常称之为GPIB 或 IEEE 488,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: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。仪器的机箱、电源、面板、开关大部分都是重复配置的

32、,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(VMEbus eXtensions for Instrumentation)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 Compact PCI 总线)向仪器测量领域的扩展,其中数据传输速率为 132264Mbytes/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

33、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(VXI Plug & 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。2015 年 9月

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