从GBIP到PXI 的发展简史

从GBIP到PXI - 量测技术发展简史前言

对于当今的电子工业而言，从组件到系统、设计到生产，量测工作皆是不可或缺的一环。工厂必须借助量测获知产品效能，作为产品设计的参考依据；在生产过程中，往往需要量测设备把握厂房的命脉；而量测效率往往也与生产效率关系甚密，成为决定市场竞争力消长的关键因素。因为量测技术的重要所在，其成熟与发展过程中的每一步无不吸引着业界关注的目光。从上世纪70年代以来，量测技术经历了从GPIB到PXI的变革，而近年来国内厂商在PXI技术上的迅速发展壮大，更是值得国内量测用户欣喜的事情。GPIB——VI量测的先行者早在70年代，为了让计算机控制许多独立的量测仪器，IEEE定义了一套高速数据传输的协议——488.1/488.2。

对于基于计算机的数字化测量测试仪器，人们将其称为虚拟仪器（VI）。GPIB技术就是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段，它的出现使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成，使用共同的字串语法控制仪器 (488.2或SCPI)。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，有专为仪器控制所设计的接口信号和牢固的接插件，加之几乎所有独立仪器都有GPIB接口，因而体现出其简单性和便利性的优势所在。但是GPIB的缺点也是显而易见的——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。因此，GPIB主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

因此，对于更高要求的量测应用，便需要技术方面的进一步革新，VXI总线技术就是在这样的背景下出现的。VXI——量测标准的开放品在GPIB之后出现的VXI总线技术是VME总线在仪器领域的扩展（VXI即VMEbus eXtensions for Instrumentation的缩写）。1981年10月，Motorola 、Mostek和Signetics宣布它们共同支持基于VERSAbus和Eurocard模块尺寸的系列板卡，这就是著名的VMEbus。1987年，VMEbus被IEEE正式接受为万用背板总线（Versatile Backplane Bus）标准——VMEbus（ANSI/IEEE 1014-1987）。由于VME毕竟不是面向仪器的总线标准，来自Colorado Data System、 Hewlett Packard、 Racal Dana、 Tektronix和Wavetek等5家仪器公司的技术代表于1987年6月宣布成立了一个技术委员会。同年7月，该委员会（即后来的VXI总线联合体）发布了VXIbus规范的第1个版本，几经修改和完善，于1993年9月20日出版发行。VXI总线具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。它具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强（高达40MB/s的带宽是GPIB的40倍）、定时和同步精确、模块可重复利用，以及受到众多仪器厂家支持的优点，很快就得到广泛的应用。由于是前插拔、模块化的仪器，VXI系统的组建和使用变得很方便，尤其是组建大、中规模的自动测量系统时；VXI也适合于对速度、精度要求高的场合，因此主要用于军事、航空航天和ATE等领域的量测平台。虽然时至今日VXI总线的仪器和系统已被普遍接受，但是因为组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价高昂；加之40MB/s的带宽对于现今的高速量测装置仍嫌不足，人们又对量测技术提出了更高的要求。

在PCI总线成为主流的今天，PXI技术顺应而生。PXI——量测技术的生力军PXI 是PCI eXtensions for Instrumentation 的缩写。直观地说，CompactPCI + Extensions for Instrumentation = PXI。对于PXI的发展，首先要提到制订并推广PXI规格的组织——PXISA (PXI System Alliance)。PXISA于1997年成立，同年推出了1.0版的PXI规格。随着PXISA的接受度提高，以及PXI标准的不断完善，PXI的规格和相关产品也逐渐走向了标准化的道路。1998年，PXI被定为工业标准，PXI开始快速而稳健地发展。2000年时，PXISA又推出了PXI 2.0版，并于2003年2月将规格更新至2.1版。为更适于工业应用，PXI总线方式为PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线的技术规范，以便使用于相邻模块的高速通讯局总线。PXI还具有高度的可扩展性：PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，便形成了出色的虚拟仪器平台。PXI 的规格区分为硬件与软件两个部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的规格，也就是PICMG 2.0，建构于CompactPCI的机构规格与PCI的电气规格之上，加上仪器上所需要的电气信号延伸，即是所谓PXI的规格。所以，PXI的数据传输速率的峰值在33 MHz、32 bit的总线上，可达132MB/s；在66 MHz、64 bit的总线上更可高达528MB/s，远远高于GPIB与VXI接口的传输速率。

PXI 背板上的每一个扩充槽，都有专用的10 MHz参考时脉，而时脉偏斜的精确度必须小于1ns。这样高的精确度使其可作为各扩充槽的基础时脉，来达到同步的效果。与其他的总线规格相比，PXI于软件上对系统控制模块与周边模块作了规范。例如：PXI周边模块的厂商，必须提供可使用于Microsoft Windows上的驱动程序，而PXI控制模块则必须基于80x86架构，并可支持Microsoft Windows。随着各式操作系统的接受度提高，未来将可能加入PXI软件的规格制订。除了对软件架构上的规范外，PXI也制订了硬件描述档案的规格，系统操作人员可以利用这些档案，透过软件管理PXI系统上的模块。PXI的仪器延伸信号，提供了各PXI模块之间的一个硬件的管道，不需经过软件的监督，PXI的模块可实时地在此管道上利用硬件的信号互相沟通。如此可以减低CPU的负担，并加速软件程序的执行。并且基于x86架构与广泛采用的Windows，可以有效降低PXI产品的学习曲线与购入成本。多重的PXI模块选择，搭配不同机箱，使得PXI可以符合各种应用需求，并且易于维护。如此丰富的产品使得PXI目前已在汽车测试、半导体测试、功能性测试、航空设备测试以及军事等诸多领域得到了广泛的应用。随着PXISA的接受度提高，以及全球众多厂商的加入，PXI已不会让客户有被单一厂商绑住规格的忧虑，且市场上有超过600种不同的PXI模块问世。根据Frost and Sullivan的估计，在国际上，PXI市场于2003~2005年的成长率分别为37%、28%、23%，成长率远超过PC或工业计算机量测应用的数字。而在国内，相关厂商也开始利用PXI这个契机迅速扩大市场占有率，其中较为突出的是凌华科技（ADLINK）。 对于PXI的发展，凌华科技量测产品事业部总监高明和先生表示：“ 开放化和标准化将是今后量测科技发展的一个重点方向。现在几乎所有的厂商都强调产品的开放和兼容性，为客户节省在测试成本上的投资。客户不须更换仪器，只要更换不同卡板或软件，就能执行不同的测试项目；在产品规划的同时，也为客户预留可供升级使用的功能扩充。PXI沿用PC接口来操作仪器功能，具备兼容性高、方便更新功能等特色，未来以此衍生出的量测方案将越来越多。”可以看到，随着量测技术的进步和更多厂商的参与，我们将迎来一个更加开放也更具效率的量测科技新时代。