自动测量总线与计算机技术同步发展

从控制传统的测试测量仪器到基于PC的简单测量，一直发展到今天完整的测量系统平台，测量总线技术也相应经历了从GPIB到VXI直至目前主流的PXI的演变过程。近几年，PXI总线技术在国内受到大力宣传和推广，最具代表性的PXI技术倡导者是美国国家仪器公司(National Instruments―NI)以及PXI联盟旗下的众多参与企业。2006年4月25日，以PXI为主题的第三届中国“PXI技术和应用论坛”在上海举办，吸引了众多测试测量及相关行业的厂家及专业人士参与，笔者也应邀参加了此次活动。站在PXI这一点来回顾总线标准的发展，对读者和业界是具有借鉴意义的。

那么，PXI究竟处于什么样的技术和历史位置呢?因为自动测量技术的核心是计算机技术，所以测量总线技术的发展是与计算机总线的发展密切相关的。要了解测量总线的历史，把握其目前的技术态势，我们需要通过知晓计算机总线技术的发展历程和走向，来分析测量总线技术。

可用于测量的总线标准很多。衡量一种总线技术的优劣主要看两个参数：带宽和延迟。在实际应用中，由于需求不同以及成本等方面的限制，各种总线都有其适合的应用领域。流行的高性能测量总线主要有GPIB、VXI和PXI。如图1所示，从带宽和延迟的角度，PXI明显优于传统的GPIB和VXI总线。

下面联系计算机技术分别回顾这三种总线的历史。

HP-IB／GPIB

HP(惠普公司)是计算机技术的先行者之一。其第一款计算机HP 2116A于1966年面世，用于控制该公司众多的测量仪器。GPIB(General PurposeInterface Bus即通用接口总线)源于HP-IB，这是HP 1965年设计的接口总线，用于连接HP的计算机和可编程仪器。由于其转换速率高(通常可达1MB／s)，这种接口总线逐渐得到普遍认可，1975年成为IEEE 488-1975标准。

可以说，HP开创了基于计算机的数字化测量测试仪器，进入20世纪80年代后，虚拟仪器技术的创始人NI逐渐成为全球最大的GPIB供应商。通过使用LabVIEW和仪器驱动软件，工程师们可以自动化地控制测试仪器，由此，自动化测试测量的时代正式开始。GPIB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，并且使得自动测量中仪器的互联有了统一的标准。此后，各种带标准接口的测量仪器不断出现，使检测计量人员能够很方便组成各种功能强大的自动测量仪器系统。

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接插件，具有突出的坚固性和可靠性。经过30余年普及，几乎所有独立仪器都已配有GPIB接口，网络上也有各种GPIB驱动，因而具有最好的兼容性。GPIB适合自动化现有的设备、混合系统和特别要求专用仪器的系统。

VME／VXI

VXI是VME eXtensions for Instrumentation的缩写。它是VME(Versa Module Eurocard)总线在仪器领域的扩展。显然，要了解VXI，首先要了解VME。

VME总线源于VERSAbus，这是摩托罗拉公司1980年设计推出用以支持其MC68000微处理器产品线的技术。摩托罗拉在计算机领域有着辉煌的历史，是早期CPU的研发、生产厂商之一。摩托罗拉于1974年推出MC6800处理器。MC68000于1979年面世，与Intel8086以及Intel 80286竞争并取得一些成功。

最早的VERSAbus设计有一个特点：插拔卡的尺寸很大。因为这一点，欧洲的设计人员非常不喜欢。后来设计出一种较小的、具有相似功能的总线供欧洲人使用，称作Versa Module European，或VME，意欧式变种模块。摩托罗拉、飞利浦、汤姆森等公司是倡导者。该总线从1982年开始很快被接受。1987年，VME被IEEE正式接受为万用背板总线标准(ANSI／IEEE 1014-1987)。同年，Colorado DataSystem、HP、Racal Dana、Tektronix和Wavetek等5家仪器公司的技术代表成立了一个技术委员会(即后来的VXI总线联盟)，了VXI规范的第1个版本。几经修改和完善，VME总线标准于1993年9月20日出版发行。

VXI作为一种内部总线，比GPIB具有更高的带宽，且具有更好的延迟率，所以它一推出就得到了军工／航空航天的大量采用。但由于成本较高，所以很难向其他领域应用进行扩展。

PCIf／cPCI／PXI

追根溯源，PCI技术的开创者实为计算机行业的老大Intel公司。1991年下半年，由于原有的ISA、EISA已远远不能适应要求而成为整个系统的主要瓶颈，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团。PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。而且作为内部总线，PCI能够达到很高的带宽。

1994年提出的CompactPCI简称cPCI，中文又称紧凑型PCI，是在PCI技术基础之上经过改造而成。它采用经过20年实践检验后的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求，更适合构建高可用性系统，满足电信、数字通信、军事装备以及其他高可靠领域的要求。

1997年，NI公司为钡0试和测量应用提出PxI(PCI eXtensions forInstrumentation)，这是专为测试任务而优化的CompactPCI，PXI基于cPCI总线的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线，用于模块至模块之间的同步和触发。PXI控制器运行Windows操作系统，采用最快速的处理器、内存等PC技术，并能连接各种外部总线接口(例如USB、串口等)，此外NI等一些厂商还提供与PXI控制器配合的GPIB控制器，因此，PXI是混合系统中理想的核心部分。1998年，NI与其他测试设备厂商合作的PXI系统联盟将PXI作为一个开放的工业标准推向市场，迄今为止PXI联盟已经拥有70余家公司和超过1200种产品供选择，所以这样的模块化平台可以让用户自由选择测试功能、用户界面、分析软件等其他要素。此外，商业技术的运用和在模块间共享电源等优势为用户极大地降低了成本。 以上这些都使其成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

未来发展

目前，PXI技术得到大力推广，市场发展迅速。根据Frost & Sullivan 2005年度的调查显示(见图2)，PXI市场的增长速度远高于VME／VXI，以及测试测量行业的平均值。NI和PXI联盟成员也在继续为PXI加大投资，随着IntelPCI Express总线的推出，PXISA在2005年第三季度正式推出了PXIExpress的软硬件标准，通过在背板使用PCI Express的技术，PXI Express能够将带宽整整提高45倍，从原来PXI的132MB／s提高到现在6GB／s；同时保持了和原来PXI模块在软硬件上的向后兼容性。

然而，由于VXI大量用于军工和航天等对成本及对新技术不敏感、但对可靠性和性能要求苛刻的领域，所以还会在相当长的时间内存在。另外，供应商们也在尝试为VME加入新技术，比如提升带宽的新技术，试图使这种总线技术的服役期限再延长10年甚至20年。

即便是更老的GPIB技术也不会马上消失，被新的总线(例如以太网、USB或FireWire)所取代。GPIB安装基数非常大，精通的使用者和供应商众多。一些大型测试和测量公司如安捷伦、吉时利、罗德与施瓦茨和Tektronix仍以GPIB为主要的仪器总线并配之以所需的USB或以太网。GPIB还可以用来将VXI和PXI连接到控制器。此外，一些特殊仪器，例如吉时利仪器公司的2800RF模型动力分析仪，就只能采用GPIB连接平台。基于此，一些厂商如吉时利仍然看好GPIB的发展前景。

在遗产(英文legacy，西方人不称旧的或过时的)技术继续存在的同时，更新的总线技术还在不断涌现，例如，安捷伦于2004年提出LXI平台概念。LXI(LAN eXtensions forInstrumentation)据称以独特的方式将GPIB的优势和VXI的优势结合在一起。基于LAN的测试总线适合于远程测量和控制，其广泛性和低成本的特点使之成为现有仪器控制总线(如GPIB等)的一个极具竞争力的替代项。然而对于设备与设备之间的同步，就必须要结合IEEE 1588，那么这样的话用户就要为开关盒增加额外的成本。LXI协会于2004年9月成立，一年后了第一版LXI规范，迄今大部分的产品都是基于LAN控制，而不是结合1588标准。

一种总线技术能否流行，除了先进、可行的技术，能否得到业内的认可尤为重要，因此宣传推广必不可少。NI等公司在PXI,总线上做的工作比较成功。最后值得一提的是，由于中国是一个新兴的市场，不像欧美市场那样有太多固有的东西妨碍新技术的推广，所有新的总线技术在这里都有着良好的发展机会。

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