測(cè)試總線的發(fā)展與展望*

朱利文，于雷，金傳喜

(海軍工程大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是在人極少參與或不參與的情況下，測(cè)量待測(cè)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，并將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理和存儲(chǔ)，而后根據(jù)測(cè)試需要以特定的方式輸出或顯示測(cè)試結(jié)果的裝置或設(shè)備[1-2]。

測(cè)試總線是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中控制器與儀器模塊之間、儀器模塊與儀器模塊之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的信息通道，是數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)的媒介，在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中占據(jù)重要地位[3-4]。測(cè)試總線技術(shù)的進(jìn)展對(duì)整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展有推動(dòng)和指導(dǎo)作用[5]。

1 測(cè)試總線發(fā)展歷程

自GPIB(general purpose interface bus)測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)面世以來(lái)，測(cè)試總線技術(shù)已發(fā)展了40多年[3-6]。測(cè)試總線發(fā)展歷程如圖1所示，先后出現(xiàn)了GPIB,VXI(VME bus extension for instrumentation),PXI(PCI extensions for instrumentation),PXIe(PCIExpress extensions for instrumentation),LXI(LAN extensions for instrumentation)和AXIe(advancedTCA extensions for instrumentation and test)等測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試總線不斷推陳出新的發(fā)展歷程推動(dòng)著整個(gè)自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的快速發(fā)展[6-7]。

1.1 GPIB總線

GPIB總線由惠普公司于20世紀(jì)70年代提出，以實(shí)現(xiàn)儀器之間、多臺(tái)儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信[5-8]。GPIB總線是應(yīng)用最早的測(cè)試總線之一[9]。

1.1.1 GPIB總線的特點(diǎn)

GPIB總線在經(jīng)濟(jì)性、互聯(lián)性、兼容性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。基于GPIB總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，精度高，傳輸穩(wěn)定可靠[8-11]。

在系統(tǒng)組建上，帶有GPIB接口的儀器能很方便地與計(jì)算機(jī)GPIB板卡進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的組合和拆分。同時(shí)，儀器功能的擴(kuò)展也非常方便；在控制方式上，每個(gè)儀器都被分配唯一的地址，由計(jì)算機(jī)對(duì)各儀器進(jìn)行控制；在軟件實(shí)現(xiàn)上，GPIB接口編程較為簡(jiǎn)單，可快速搭建系統(tǒng)界面[10-11]。

1.1.2 GPIB總線的應(yīng)用

隨著儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)集成技術(shù)的發(fā)展，GPIB總線的主要應(yīng)用場(chǎng)合由傳統(tǒng)單臺(tái)儀器轉(zhuǎn)向大型測(cè)試系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于大型、儀器獨(dú)立、高精度但對(duì)速度要求不高的測(cè)試系統(tǒng)。GPIB總線雖然存在的時(shí)間比較長(zhǎng)，但目前仍有市場(chǎng)[3,5-11]。

1.2 VXI總線

VXI總線于20世紀(jì)80年代提出，以VME計(jì)算機(jī)總線為基礎(chǔ)，擴(kuò)展同步、定時(shí)、觸發(fā)等測(cè)試總線特性，而后逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試總線[12-14]。

1.2.1 VXI總線的特點(diǎn)

VXI總線具有優(yōu)良的可靠性、電磁兼容性和抗干擾能力，其數(shù)據(jù)容量大,通信速率高,模塊重復(fù)利用率高且易于靈活組建系統(tǒng)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，VXI總線儀器采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠性和可維修性得到提高；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，VXI總線的模塊和機(jī)箱尺寸固定[8]。模塊有4種尺寸可供選擇，單個(gè)VXI機(jī)箱最多支持13個(gè)模塊，多個(gè)VXI機(jī)箱可組合成多通道系統(tǒng)，同時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)最多連接256個(gè)器件[13]；在電氣上，VXI總線采用共享式并行數(shù)據(jù)傳輸總線，傳輸速率理論上可達(dá)到40 MB/s，2.0版本可達(dá)80 MB/s，這能滿足一般需求[14]；在軟件設(shè)計(jì)上，采用上位機(jī)軟件界面替代傳統(tǒng)的操作硬面板。系統(tǒng)軟件支持即插即用，兼容LabVIE,LabWindows/CVI等多種開(kāi)發(fā)環(huán)境。

1.2.2 VXI總線的應(yīng)用

VXI總線目前依舊是虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)的不錯(cuò)選擇，適用于多種規(guī)模測(cè)試場(chǎng)合，但考慮到成本的限制，在軍用、航天等領(lǐng)域應(yīng)用較多。比如應(yīng)用于測(cè)試輕武器、雷達(dá)、裝甲車、導(dǎo)彈、火炮、飛機(jī)和運(yùn)載火箭等[12-16]。同時(shí)，VXI總線也應(yīng)用于冰箱、電機(jī)、汽車燃油泵、電梯等民用領(lǐng)域測(cè)試[8,12,16]。

圖1 測(cè)試總線發(fā)展歷程Fig.1 History of test bus

1.3 PXI總線

PXI總線標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家儀器公司于20世紀(jì)90年代提出[17]。PXI總線是在PCI計(jì)算機(jī)總線上增加儀器專用信號(hào)，而后將其拓展到儀器儀表領(lǐng)域的產(chǎn)物[18]。

1.3.1 PXI總線的特點(diǎn)

PXI總線具有體積小、成本低、集成性能好、兼容性好以及開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，PXI總線系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。因而具有集成性能好、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，PXI總線儀器采用牢固的歐洲插卡式封裝結(jié)構(gòu)，并且物理尺寸小，更適合于上架安裝以及便攜使用；在電氣上，PXI總線仍舊采用共享式的并行數(shù)據(jù)傳輸總線，傳輸速率可達(dá)132 MB/s，最高可達(dá)528 MB/s[19]；軟件上支持Windows操作系統(tǒng)，VISA(virtual instrument software architecture)儀器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用軟件[20]；在成本上，PXI總線僅為VXI總線開(kāi)發(fā)成本的一半。

1.3.2 PXI總線的應(yīng)用

PXI總線在物理體積、兼容性和成本上優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在中低端市場(chǎng)中幾近壟斷[20]。PXI總線儀器可用于通用電子功能測(cè)試，數(shù)據(jù)采集，數(shù)字測(cè)試以及射頻和微波應(yīng)用等眾多領(lǐng)域[21]。

目前，多家公司推出了PXI總線系列產(chǎn)品。如美國(guó)NI公司、英國(guó)Pickering公司、北京泛華測(cè)控、臺(tái)灣凌華科技、陜西海泰電子公司等[17,20]。

1.4 PXIe總線

PXI系統(tǒng)聯(lián)盟在cPCIe (compact PCIExpress)上擴(kuò)展了觸發(fā)、定時(shí)等功能，并于2005年推出PXIe總線標(biāo)準(zhǔn)[21-22]。

1.4.1 PXIe總線的特點(diǎn)

PXIe總線具有帶寬高、兼容性好、抗噪聲能力強(qiáng)、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

在兼容性上，與PXI總線軟硬件完全兼容[23]；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，PXIe機(jī)箱支持PXIe外設(shè)模塊以及與混合插槽兼容的PXI外設(shè)模塊；在電氣上，PXIe總線采用LVDS(low-voltage differential signaling)電氣接口標(biāo)準(zhǔn)和串行點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式，背板帶寬從132 MB/s增加到6 Gb/s，達(dá)到了單通道2.5 Gb/s，是目前測(cè)量與測(cè)試領(lǐng)域的最高可用帶寬[24]。PXIe還能提供差分的時(shí)鐘和同步，從而儀器時(shí)鐘的抗噪聲性能得到進(jìn)一步提高[25]。

1.4.2 PXIe總線的應(yīng)用

PXIe適用于高速、高帶寬的場(chǎng)合，例如航空航天、軍工通信、工業(yè)自動(dòng)化等的數(shù)據(jù)通信，也廣泛應(yīng)用于測(cè)試、控制、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域[26]。

目前國(guó)外的幾大儀器廠商推出PXIe總線產(chǎn)品，如美國(guó)NI,Aglient和Ztec Instruments等都有各自的PXI /PXIe數(shù)字化儀；國(guó)內(nèi)凌華科技有限公司、阿爾泰科技有限公司、研華科技有限公司以及其他科研單位都在致力于PXI/PXIe模塊化儀器的研發(fā)[27]。但總的來(lái)說(shuō)，目前基于PXIe總線的產(chǎn)品種類少，且價(jià)格昂貴。

1.5 LXI總線

LXI總線是Agilent公司和VXI科技公司于2004年9月聯(lián)合推出的測(cè)試儀器平臺(tái)，是LAN總線向儀器領(lǐng)域的拓展[8,28]。

1.5.1 LXI總線的特點(diǎn)

LXI總線具有集成方便、性能高、兼容性好以及高速數(shù)據(jù)吞吐量大等優(yōu)點(diǎn)。LXI總線儀器既可以作為系統(tǒng)里的儀器，也可以單獨(dú)使用[29]。

在體積上，LXI總線儀器與VXI或PXI儀器相當(dāng)，其模塊寬度可設(shè)計(jì)為半機(jī)架或全機(jī)架；在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，LXI總線無(wú)需專門的背板總線機(jī)箱和零槽控制器，集成方便；在電氣上，LXI總線以并行方式進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到1 GB /s。LXI總線可通過(guò)IEEE 1588協(xié)議同步系統(tǒng)內(nèi)的各類時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程設(shè)備的同步測(cè)量。LXI總線的3類同步觸發(fā)機(jī)制適用于不同場(chǎng)合；在軟件實(shí)現(xiàn)上，用戶只需通過(guò)Web瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LXI總線系統(tǒng)中的儀器進(jìn)行訪問(wèn)，同時(shí)，LXI總線符合IVI(interchangeable virtual instrument)標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)，這增強(qiáng)了不同廠商間模塊的互操作性[28-31]。

1.5.2 LXI總線的應(yīng)用

LXI總線適用于分布式的控制或遠(yuǎn)程控制，適合組建通用規(guī)模大小的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)、汽車、制藥、電子、國(guó)防、航天等領(lǐng)域[24,32-33]。

1.6 AXIe總線

AXIe是以AdancedTCA規(guī)范,PXI,LXI總線標(biāo)準(zhǔn)和IVI標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)總線。該標(biāo)準(zhǔn)由AXIe聯(lián)盟于2010年6月推出，以推動(dòng)通用儀器和半導(dǎo)體測(cè)試的發(fā)展[34-36]。

1.6.1 AXIe總線的特點(diǎn)

AXIe總線保留AdvancedTCA模塊化標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種模塊化、長(zhǎng)壽命周期、高性能、強(qiáng)擴(kuò)展性的柔性平臺(tái)[37]。同時(shí)，AXIe總線還具有LXI總線分布式測(cè)量和遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)[7,38]。

AXIe總線與其他測(cè)試總線相比，在電氣上具有明顯優(yōu)勢(shì)，這里主要描述電氣性能。AXIe總線模塊電路板面積可達(dá)900 cm2，插槽提供的功率可達(dá)到200 W甚至更大，配套提升散熱能力；AXIe總線采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，18～62個(gè)通道的局部總線可使相鄰模塊數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2.5 Gb/s[39]；AXIe總線提供LAN和PCIe 2種用于功能模塊和計(jì)算機(jī)之間的高速信息傳遞通道[40]。AXIe系統(tǒng)可在模塊之間通過(guò)總線觸發(fā)線或星形/徑向觸發(fā)線提供100 MHz的時(shí)鐘和計(jì)時(shí)信號(hào)[41-42]。

1.6.2 AXIe總線的應(yīng)用

目前，AXIe聯(lián)盟現(xiàn)在有十多名成員正在研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。但系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)量和種類較少，主要在數(shù)據(jù)采集、數(shù)字測(cè)試、射頻和微波以及半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試等中高端的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域[3,21,42-44]。

2 測(cè)試總線性能對(duì)比

每種測(cè)試總線都有各自的特點(diǎn)，本文對(duì)各種總線的主要性能進(jìn)行了比較，如表1所示。

GPIB總線具有支持儀器多、市場(chǎng)份額大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸穩(wěn)定可靠、精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但傳輸速率低、設(shè)備體積龐大，電纜柔性不佳，連接距離有限，同時(shí)連接的設(shè)備不超過(guò)15臺(tái)，無(wú)法提供多臺(tái)儀器同步和觸發(fā)的功能，因而其發(fā)展受到限制[3,5-11]。

VXI總線突出優(yōu)點(diǎn)在于可靠性好、電磁兼容性和抗干擾能力強(qiáng)。雖然與傳統(tǒng)儀器相比，VXI系統(tǒng)尺寸明顯縮小，數(shù)據(jù)傳輸速率和便攜性明顯提高，但VXI系統(tǒng)必須配置專用機(jī)箱、零槽控制器以及接口卡，因而造價(jià)昂貴，一般的用戶難以接受[42]。GPIB總線和VXI總線目前處于總線壽命周期中的飽和期、廢型期，將逐漸退出歷史舞臺(tái)。

PXI總線設(shè)備體積小,兼容性良好,開(kāi)發(fā)周期短,價(jià)格相對(duì)低廉。PXI總線與VXI和GPIB總線相比，體積更小,總線帶寬更高。這些良好的特性更能適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的要求，使得PXI總線儀器在中低端市場(chǎng)中的份額最大。PXI總線目前屬于成熟期，擁有非常豐富的產(chǎn)品供測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員使用[21]。但PXI總線在帶寬和電氣架構(gòu)上仍有短板[27]。

PXIe總線帶寬高,體積小,兼容性好,通用性強(qiáng)，在軟硬件上和PXI完全兼容。采用獨(dú)占式串行數(shù)據(jù)傳輸方式，有效解決了共享式總線對(duì)系統(tǒng)帶寬的限制,使得帶寬明顯高于以往測(cè)試總線，并且?guī)掚S設(shè)備數(shù)量的增加而增加。PXIe總線目前處于成長(zhǎng)期，產(chǎn)品較少、價(jià)格高，加上在功率和結(jié)構(gòu)形式方面的限制，現(xiàn)階段應(yīng)用范圍有限[25-27]。

LXI總線靈活性好,數(shù)據(jù)吞吐量大,傳輸速率較高且系統(tǒng)集成方便，儀器資源豐富，兼容通用標(biāo)準(zhǔn)的軟件，不需要機(jī)箱和昂貴的電纜。但LXI總線存在的任務(wù)調(diào)度、負(fù)載均衡以及協(xié)同合作以及數(shù)據(jù)傳輸存在延時(shí)、丟幀、安全性等問(wèn)題，這制約了LXI總線的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，LXI總線的系統(tǒng)搭建方式可能將自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試對(duì)象完全隔開(kāi)，在這種情況下，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，將無(wú)法在儀器現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題[28,31]。

表1 總線性能比較Table 1 Comparison of test bus performance

AXIe總線系統(tǒng)可提供的總功耗和電路板空間大約是同等規(guī)模的PXI總線2倍，這能滿足高功耗的測(cè)試需求，而且解決了PXI和PXIe總線模塊對(duì)電路板面積的限制問(wèn)題。同時(shí)，AXIe總線提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更低的數(shù)據(jù)延遲[33]。但AXIe總線正處于引導(dǎo)期，相關(guān)技術(shù)深入研究不夠，產(chǎn)品少，應(yīng)用范圍小，這制約了AXIe總線的推廣進(jìn)度和速度[43-44]。

3 測(cè)試總線發(fā)展方向

通過(guò)對(duì)6種測(cè)試總線主要性能和發(fā)展現(xiàn)狀的分析，總結(jié)出測(cè)試總線技術(shù)有如下3個(gè)主要發(fā)展方向：

3.1 串行總線應(yīng)用更具前景

高新技術(shù)在測(cè)試對(duì)象上的應(yīng)用，要求自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有大的數(shù)據(jù)吞吐量、支持?jǐn)?shù)據(jù)高速傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[45]。為提高傳輸速率，傳統(tǒng)的并行總線通常采用2種方式。

第1種是采用提高采樣頻率的方式。但隨著采樣頻率的不斷提高，并行總線存在的碼間串?dāng)_問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)重，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性得不到保證。

第2種是增加位寬。但位寬的增加是通過(guò)增加線纜數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，線纜增多帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)是信號(hào)完整性難以保證[46]。因此，這2種方式都有明顯不足。

同時(shí)，當(dāng)并行總線連接多個(gè)設(shè)備時(shí)，其有效帶寬將大幅降低，傳輸速率將變慢。傳統(tǒng)的并行總線數(shù)據(jù)傳輸方式限制了數(shù)據(jù)傳輸速率，已不能滿足高速等現(xiàn)實(shí)需求[47]。

通過(guò)對(duì)6種測(cè)試總線的發(fā)展歷程分析發(fā)現(xiàn)，由GPIB,VXI,PXI等并行總線，逐步向PXIe,LXI,AXIe等串行總線發(fā)展。在要求信息傳輸速率高等場(chǎng)合，串行總線比并行總線更具有前景。

串行總線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式和交換架構(gòu)使得每個(gè)設(shè)備可以獨(dú)立享用帶寬，并且串行總線的電壓擺幅小，這大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，減少了線纜數(shù)目和布線工作量，降低了功耗和信號(hào)線間的電磁干擾，節(jié)省了模塊的空間和成本[7]。例如，PXIe總線有效解決了VXI和PXI共享式總線對(duì)系統(tǒng)帶寬的限制，并使系統(tǒng)帶寬隨PXIe設(shè)備數(shù)的增加而增加[22]。

3.2 混合總線

隨著技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試任務(wù)的加重，測(cè)試對(duì)象數(shù)量不斷增多、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，這使得測(cè)試需要的測(cè)試儀器種類和數(shù)量增多，從而對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提出了高要求[45]。目前，基于單一總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在無(wú)法滿足測(cè)試需求的情況。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足復(fù)雜測(cè)試需求，同時(shí)充分利用測(cè)試資源、降低成本，測(cè)試人員會(huì)綜合使用多種測(cè)試總線，以搭建滿足測(cè)試需求的混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。多種測(cè)試總線混合使用，已成為測(cè)試總線未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)[7,42,48]。

一方面，測(cè)試總線更新?lián)Q代的周期差不多為10年，并且儀器接口朝著多元化方向發(fā)展，所以在測(cè)試人員工作的單位，具有多代總線儀器同時(shí)存在的客觀條件。

另一方面，典型的測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)都有各自優(yōu)點(diǎn)和不足。多種總線并存可實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，從而優(yōu)化總線特性參數(shù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多名測(cè)試人員對(duì)混合總線技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用。目前，混合總線的應(yīng)用形式大體上可分為2種總線混合和多種總線混合。

3.2.1 2種總線混合形式

2種總線混合形式為通過(guò)特定的適配器(如適用于導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的專用適配器[49])，將A總線測(cè)試儀器接入到B總線測(cè)試系統(tǒng)中。

Kevin Paton[50]將現(xiàn)有的基于PXI總線的儀器和基于VXI總線的儀器組合在一起，提出了多種儀器的接口和布線解決方案，以實(shí)現(xiàn)儀器資源共享；范宇[51]設(shè)計(jì)了一套基于LXI總線與PXI主系統(tǒng)的混合總線控制電源系統(tǒng)；郭曉冉等[52]采用GPIB總線和PXI總線的混合總線形式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以滿足微波信號(hào)的屏蔽要求以及校準(zhǔn)系統(tǒng)體積小的需求。

3.2.2 多種總線混合形式

多種總線混合使用的情況更為常見(jiàn)，一般以某種總線為骨干，其他總線儀器通過(guò)適配器或轉(zhuǎn)換器連接到該總線上。典型的3種混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)分別如圖2～4所示。

李洪濤[53]等針對(duì)靶場(chǎng)測(cè)試需求，整合成熟的GPIB,VXI和PXI總線測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)了混合總線網(wǎng)絡(luò)化ATS硬件結(jié)構(gòu)，并提出了基于接口適配器或網(wǎng)關(guān)設(shè)備的組網(wǎng)方案；李艷春等[54]提出一種基于LAN總線，并將GPIB,VXI和PXI總線設(shè)備功能整合在一起的混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)集中控制、分散測(cè)量；邱云萍等[55]將VXI,GPIB,IEEE 1394總線集成于一體，設(shè)計(jì)了用于板極電路的功能測(cè)試和故障診斷的多總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、通用性好，不但提高了故障診斷效率，而且降低了測(cè)試成本；Michael Stora等[56]基于IEEE-P1693標(biāo)準(zhǔn)將VXI,PXI,LXI等多個(gè)測(cè)試總線整合于一個(gè)機(jī)箱以搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低,體積小,兼容性好；許晴等[57]提出了基于WLAN的分布式ATS測(cè)試方案，該方案通過(guò)無(wú)線總線橋?qū)PIB,VXI和LXI總線測(cè)試設(shè)備整合在一起，滿足測(cè)試設(shè)備模塊化、小體積、攜帶方便等設(shè)計(jì)要求。QIAO Jia-qing等[58]提出了一種將AXIe,PXIe,LXI和GPIB儀器集成在一起的混合自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)以AXIe系統(tǒng)作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要功能部分，由AXIe背板、AXIe系統(tǒng)模塊和PXIe/AXIe適配器組成測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，如圖4所示。支超有等[59]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，混合總線測(cè)試系統(tǒng)在飛機(jī)液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用，提高了測(cè)試效率,縮短了試驗(yàn)周期。

圖2 基于LXI總線的混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 ATS of hybrid test bus based on LXI

3.3 非標(biāo)專用總線

目前，基于現(xiàn)有測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備總體上性能指標(biāo)比較高，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試場(chǎng)合。測(cè)試人員可從標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試總線中挑選一種總線來(lái)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試總線系統(tǒng)按照固定總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其電氣結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)均有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備體積、傳輸速率、時(shí)延、插槽功率等特性參數(shù)都是固定值，但這種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方案存在明顯不足。一方面限制了測(cè)試系統(tǒng)的自主研發(fā)；另一方面，對(duì)某些參數(shù)有特殊要求的測(cè)試系統(tǒng)而言，標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試總線已不能滿足測(cè)試需求[60]。另外，某些軍用裝備測(cè)試系統(tǒng)在考慮安全性、可靠性和實(shí)用性的要求下，需要采用某些專用的測(cè)試總線。因此，非標(biāo)專用總線有其存在的必要性。

目前，已有多家公司和學(xué)者從事這方面的研究，這也將是測(cè)試總線未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[61-62]針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)總線測(cè)試儀器存在配置與管理資源封閉不適合導(dǎo)彈測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)試資源相對(duì)于導(dǎo)彈日常維護(hù)需求過(guò)于冗余不利于測(cè)試系統(tǒng)的輕小型化等問(wèn)題，采用開(kāi)放式的自定義總線架構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)方法。這種方法對(duì)儀器資源進(jìn)行有效的壓縮，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的輕小型化；李學(xué)哲等[63]分別從硬件邏輯和軟件協(xié)議上定義了一種新的測(cè)試總線LCB總線，成功搭建了基于LCB總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。LCB總線電氣部分借鑒GPIB標(biāo)準(zhǔn)，采用無(wú)源背板和邏輯電路進(jìn)行消息的傳輸、編碼和譯碼。LCB總線機(jī)械部分借鑒PXI總線，機(jī)箱和模塊采用6U標(biāo)準(zhǔn)尺寸，形成單機(jī)箱多模塊結(jié)構(gòu)的卡箱式儀器體系結(jié)構(gòu)；吉林大學(xué)[64]通過(guò)自定義的RMS (reconfigurable monitoring system)總線將獨(dú)立的模塊化儀器連接起來(lái)，搭建可重構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)。功能模塊采用3U標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并通過(guò)RMS總線與控制板卡進(jìn)行信息傳遞。采用LabVIEW對(duì)模塊化儀器進(jìn)行控制，同時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。整個(gè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能滿足特定的需求；陳永雷等[65]針對(duì)專用總線電路板模件，設(shè)計(jì)了專用總線電路模件測(cè)試維修平臺(tái)。該平臺(tái)已應(yīng)用到實(shí)際中，具有通用性好、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。

圖3 基于PXI總線的混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 ATS of hybrid test bus based on PXI

圖4 基于AXIe總線的混合總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 ATS of hybrid test bus based on AXIe

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試總線自面世以來(lái)，先后出現(xiàn)了GPIB,VXI,PXI,PXIe,LXI和AXIe等總線標(biāo)準(zhǔn)。每種總線都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。GPIB總線成本低、精度高、兼容性好，但帶寬低，主要應(yīng)用于大型、儀器獨(dú)立、精度高但對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合；VXI總線具有高可靠性，電磁兼容性和抗干擾能力好，但成本高，廣泛應(yīng)用于軍用、航天等要求高穩(wěn)定的場(chǎng)合；PXI總線體積小、兼容性好、成本低，在中低端市場(chǎng)中的份額最大；PXIe總線體積小、帶寬高、兼容性好，但目前產(chǎn)品較少，價(jià)格高。PXI和PXIe總線在結(jié)構(gòu)和功率等方面存在不足，不適合應(yīng)用于大型復(fù)雜場(chǎng)合；LXI總線靈活性和兼容性好，并能支持高速傳輸，但現(xiàn)場(chǎng)可維修性差，數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安全性存在風(fēng)險(xiǎn)，適用于分布式或遠(yuǎn)程測(cè)試場(chǎng)合。AXIe總線支持高功耗，數(shù)據(jù)吞吐量大、數(shù)據(jù)延遲低，但相關(guān)技術(shù)研究不夠成熟，產(chǎn)品少，應(yīng)用于高速、大數(shù)據(jù)量的場(chǎng)合。

為解決測(cè)試需求日趨復(fù)雜的現(xiàn)狀，測(cè)試總線發(fā)展呈現(xiàn)如下3方面的特點(diǎn)：

(1) 保證系統(tǒng)穩(wěn)定、信號(hào)完整的前提下，為滿足數(shù)據(jù)吞吐量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高的需求，測(cè)試總線已呈現(xiàn)由并行總線向高速串行總線方向發(fā)展的趨勢(shì)。

(2) 為充分利用測(cè)試資源、降低成本，解決單一總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)存在無(wú)法滿足測(cè)試需求的情況，將多種測(cè)試總線混合應(yīng)用于同一測(cè)試系統(tǒng)。

(3) 為解決有特殊測(cè)試要求但受限于現(xiàn)有總線標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)合，采用自主設(shè)計(jì)非標(biāo)專用總線的解決方案。

測(cè)試總線技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)和指導(dǎo)著基于總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。隨著對(duì)測(cè)試總線研究的不斷深入,總線性能將不斷優(yōu)化。深入開(kāi)展測(cè)試總線理論和應(yīng)用研究，具有重要意義，將對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。