測試總線的發展與展望*

朱利文，于雷，金傳喜

(海軍工程大學 核科學技術學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

自動測試系統是在人極少參與或不參與的情況下，測量待測設備的相關參數，并將得到的數據進行傳輸、處理和存儲，而后根據測試需要以特定的方式輸出或顯示測試結果的裝置或設備[1-2]。

測試總線是自動測試系統中控制器與儀器模塊之間、儀器模塊與儀器模塊之間、系統與系統之間的信息通道，是數據傳輸、處理、存儲的媒介，在自動測試系統中占據重要地位[3-4]。測試總線技術的進展對整個自動測試系統的發展有推動和指導作用[5]。

1 測試總線發展歷程

自GPIB(general purpose interface bus)測試總線標準面世以來，測試總線技術已發展了40多年[3-6]。測試總線發展歷程如圖1所示，先后出現了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)等測試總線標準。測試總線不斷推陳出新的發展歷程推動著整個自動測試領域的快速發展[6-7]。

1.1 GPIB總線

GPIB總線由惠普公司于20世紀70年代提出，以實現儀器之間、多臺儀器與計算機之間的通信[5-8]。GPIB總線是應用最早的測試總線之一[9]。

1.1.1 GPIB總線的特點

GPIB總線在經濟性、互聯性、兼容性等方面具有明顯優勢。基于GPIB總線的自動測試系統結構簡單，操作方便，精度高，傳輸穩定可靠[8-11]。

在系統組建上，帶有GPIB接口的儀器能很方便地與計算機GPIB板卡進行測試系統的組合和拆分。同時，儀器功能的擴展也非常方便；在控制方式上，每個儀器都被分配唯一的地址，由計算機對各儀器進行控制；在軟件實現上，GPIB接口編程較為簡單，可快速搭建系統界面[10-11]。

1.1.2 GPIB總線的應用

隨著儀器設備與計算機集成技術的發展，GPIB總線的主要應用場合由傳統單臺儀器轉向大型測試系統，廣泛應用于大型、儀器獨立、高精度但對速度要求不高的測試系統。GPIB總線雖然存在的時間比較長，但目前仍有市場[3,5-11]。

1.2 VXI總線

VXI總線于20世紀80年代提出，以VME計算機總線為基礎，擴展同步、定時、觸發等測試總線特性，而后逐漸成為標準測試總線[12-14]。

1.2.1 VXI總線的特點

VXI總線具有優良的可靠性、電磁兼容性和抗干擾能力，其數據容量大,通信速率高,模塊重復利用率高且易于靈活組建系統。

在系統結構上，VXI總線儀器采用模塊化設計，可靠性和可維修性得到提高；在機械結構上，VXI總線的模塊和機箱尺寸固定[8]。模塊有4種尺寸可供選擇，單個VXI機箱最多支持13個模塊，多個VXI機箱可組合成多通道系統，同時，一個系統最多連接256個器件[13]；在電氣上，VXI總線采用共享式并行數據傳輸總線，傳輸速率理論上可達到40 MB/s，2.0版本可達80 MB/s，這能滿足一般需求[14]；在軟件設計上，采用上位機軟件界面替代傳統的操作硬面板。系統軟件支持即插即用，兼容LabVIE,LabWindows/CVI等多種開發環境。

1.2.2 VXI總線的應用

VXI總線目前依舊是虛擬儀器開發平臺的不錯選擇，適用于多種規模測試場合，但考慮到成本的限制，在軍用、航天等領域應用較多。比如應用于測試輕武器、雷達、裝甲車、導彈、火炮、飛機和運載火箭等[12-16]。同時，VXI總線也應用于冰箱、電機、汽車燃油泵、電梯等民用領域測試[8,12,16]。

圖1 測試總線發展歷程Fig.1 History of test bus

1.3 PXI總線

PXI總線標準由美國國家儀器公司于20世紀90年代提出[17]。PXI總線是在PCI計算機總線上增加儀器專用信號，而后將其拓展到儀器儀表領域的產物[18]。

1.3.1 PXI總線的特點

PXI總線具有體積小、成本低、集成性能好、兼容性好以及開發周期短等優勢。

在系統結構上，PXI總線系統采用模塊化設計。因而具有集成性能好、開發周期短等優勢；在機械結構上，PXI總線儀器采用牢固的歐洲插卡式封裝結構，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據傳輸總線，傳輸速率可達132 MB/s，最高可達528 MB/s[19]；軟件上支持Windows操作系統，VISA(virtual instrument software architecture)儀器驅動標準和應用軟件[20]；在成本上，PXI總線僅為VXI總線開發成本的一半。

1.3.2 PXI總線的應用

PXI總線在物理體積、兼容性和成本上優勢明顯，應用于各個領域，尤其是在中低端市場中幾近壟斷[20]。PXI總線儀器可用于通用電子功能測試，數據采集，數字測試以及射頻和微波應用等眾多領域[21]。

目前，多家公司推出了PXI總線系列產品。如美國NI公司、英國Pickering公司、北京泛華測控、臺灣凌華科技、陜西海泰電子公司等[17,20]。

1.4 PXIe總線

PXI系統聯盟在cPCIe (compact PCIExpress)上擴展了觸發、定時等功能，并于2005年推出PXIe總線標準[21-22]。

1.4.1 PXIe總線的特點

PXIe總線具有帶寬高、兼容性好、抗噪聲能力強、通用性好等優點。

在兼容性上，與PXI總線軟硬件完全兼容[23]；在機械結構上，PXIe機箱支持PXIe外設模塊以及與混合插槽兼容的PXI外設模塊；在電氣上，PXIe總線采用LVDS(low-voltage differential signaling)電氣接口標準和串行點到點的連接方式，背板帶寬從132 MB/s增加到6 Gb/s，達到了單通道2.5 Gb/s，是目前測量與測試領域的最高可用帶寬[24]。PXIe還能提供差分的時鐘和同步，從而儀器時鐘的抗噪聲性能得到進一步提高[25]。

1.4.2 PXIe總線的應用

PXIe適用于高速、高帶寬的場合，例如航空航天、軍工通信、工業自動化等的數據通信，也廣泛應用于測試、控制、高帶寬數據傳輸、高速數據采集等領域[26]。

目前國外的幾大儀器廠商推出PXIe總線產品，如美國NI,Aglient和Ztec Instruments等都有各自的PXI /PXIe數字化儀；國內凌華科技有限公司、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[27]。但總的來說，目前基于PXIe總線的產品種類少，且價格昂貴。

1.5 LXI總線

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

1.5.1 LXI總線的特點

LXI總線具有集成方便、性能高、兼容性好以及高速數據吞吐量大等優點。LXI總線儀器既可以作為系統里的儀器，也可以單獨使用[29]。

在體積上，LXI總線儀器與VXI或PXI儀器相當，其模塊寬度可設計為半機架或全機架；在機械結構上，LXI總線無需專門的背板總線機箱和零槽控制器，集成方便；在電氣上，LXI總線以并行方式進行通信，數據傳輸率可達到1 GB /s。LXI總線可通過IEEE 1588協議同步系統內的各類時鐘，以實現本地和遠程設備的同步測量。LXI總線的3類同步觸發機制適用于不同場合；在軟件實現上，用戶只需通過Web瀏覽器即可實現對LXI總線系統中的儀器進行訪問，同時，LXI總線符合IVI(interchangeable virtual instrument)標準的儀器驅動，這增強了不同廠商間模塊的互操作性[28-31]。

1.5.2 LXI總線的應用

LXI總線適用于分布式的控制或遠程控制，適合組建通用規模大小的自動測試系統，主要應用于工業、汽車、制藥、電子、國防、航天等領域[24,32-33]。

1.6 AXIe總線

AXIe是以AdancedTCA規范,PXI,LXI總線標準和IVI標準為基礎的開放式標準總線。該標準由AXIe聯盟于2010年6月推出，以推動通用儀器和半導體測試的發展[34-36]。

1.6.1 AXIe總線的特點

AXIe總線保留AdvancedTCA模塊化標準架構的優點，是一種模塊化、長壽命周期、高性能、強擴展性的柔性平臺[37]。同時，AXIe總線還具有LXI總線分布式測量和遠程控制的優點[7,38]。

AXIe總線與其他測試總線相比，在電氣上具有明顯優勢，這里主要描述電氣性能。AXIe總線模塊電路板面積可達900 cm2，插槽提供的功率可達到200 W甚至更大，配套提升散熱能力；AXIe總線采用串行方式進行數據傳輸，18～62個通道的局部總線可使相鄰模塊數據傳輸速率達到2.5 Gb/s[39]；AXIe總線提供LAN和PCIe 2種用于功能模塊和計算機之間的高速信息傳遞通道[40]。AXIe系統可在模塊之間通過總線觸發線或星形/徑向觸發線提供100 MHz的時鐘和計時信號[41-42]。

1.6.2 AXIe總線的應用

目前，AXIe聯盟現在有十多名成員正在研發相關產品。但系統產品數量和種類較少，主要在數據采集、數字測試、射頻和微波以及半導體自動測試等中高端的測試測量領域[3,21,42-44]。

2 測試總線性能對比

每種測試總線都有各自的特點，本文對各種總線的主要性能進行了比較，如表1所示。

GPIB總線具有支持儀器多、市場份額大、系統結構簡單、傳輸穩定可靠、精度高、操作方便等優點，但傳輸速率低、設備體積龐大，電纜柔性不佳，連接距離有限，同時連接的設備不超過15臺，無法提供多臺儀器同步和觸發的功能，因而其發展受到限制[3,5-11]。

VXI總線突出優點在于可靠性好、電磁兼容性和抗干擾能力強。雖然與傳統儀器相比，VXI系統尺寸明顯縮小，數據傳輸速率和便攜性明顯提高，但VXI系統必須配置專用機箱、零槽控制器以及接口卡，因而造價昂貴，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。

PXI總線設備體積小,兼容性良好,開發周期短,價格相對低廉。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復雜工業環境的要求，使得PXI總線儀器在中低端市場中的份額最大。PXI總線目前屬于成熟期，擁有非常豐富的產品供測試系統開發人員使用[21]。但PXI總線在帶寬和電氣架構上仍有短板[27]。

PXIe總線帶寬高,體積小,兼容性好,通用性強，在軟硬件上和PXI完全兼容。采用獨占式串行數據傳輸方式，有效解決了共享式總線對系統帶寬的限制,使得帶寬明顯高于以往測試總線，并且帶寬隨設備數量的增加而增加。PXIe總線目前處于成長期，產品較少、價格高，加上在功率和結構形式方面的限制，現階段應用范圍有限[25-27]。

LXI總線靈活性好,數據吞吐量大,傳輸速率較高且系統集成方便，儀器資源豐富，兼容通用標準的軟件，不需要機箱和昂貴的電纜。但LXI總線存在的任務調度、負載均衡以及協同合作以及數據傳輸存在延時、丟幀、安全性等問題，這制約了LXI總線的進一步發展。同時，LXI總線的系統搭建方式可能將自動測試系統與測試對象完全隔開，在這種情況下，如果系統發生故障，將無法在儀器現場解決問題[28,31]。

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

AXIe總線系統可提供的總功耗和電路板空間大約是同等規模的PXI總線2倍，這能滿足高功耗的測試需求，而且解決了PXI和PXIe總線模塊對電路板面積的限制問題。同時，AXIe總線提供了更高的數據吞吐量和更低的數據延遲[33]。但AXIe總線正處于引導期，相關技術深入研究不夠，產品少，應用范圍小，這制約了AXIe總線的推廣進度和速度[43-44]。

3 測試總線發展方向

通過對6種測試總線主要性能和發展現狀的分析，總結出測試總線技術有如下3個主要發展方向：

3.1 串行總線應用更具前景

高新技術在測試對象上的應用，要求自動測試系統具有大的數據吞吐量、支持數據高速傳輸等特點[45]。為提高傳輸速率，傳統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擾問題將越來越嚴重，數據傳輸的可靠性和穩定性得不到保證。

第2種是增加位寬。但位寬的增加是通過增加線纜數量來實現，線纜增多帶來的風險是信號完整性難以保證[46]。因此，這2種方式都有明顯不足。

同時，當并行總線連接多個設備時，其有效帶寬將大幅降低，傳輸速率將變慢。傳統的并行總線數據傳輸方式限制了數據傳輸速率，已不能滿足高速等現實需求[47]。

通過對6種測試總線的發展歷程分析發現，由GPIB,VXI,PXI等并行總線，逐步向PXIe,LXI,AXIe等串行總線發展。在要求信息傳輸速率高等場合，串行總線比并行總線更具有前景。

串行總線點對點的傳輸方式和交換架構使得每個設備可以獨立享用帶寬，并且串行總線的電壓擺幅小，這大大提高了數據傳輸速率，減少了線纜數目和布線工作量，降低了功耗和信號線間的電磁干擾，節省了模塊的空間和成本[7]。例如，PXIe總線有效解決了VXI和PXI共享式總線對系統帶寬的限制，并使系統帶寬隨PXIe設備數的增加而增加[22]。

3.2 混合總線

隨著技術的發展和測試任務的加重，測試對象數量不斷增多、結構日趨復雜，這使得測試需要的測試儀器種類和數量增多，從而對自動測試系統提出了高要求[45]。目前，基于單一總線的自動測試系統存在無法滿足測試需求的情況。

在進行系統設計時，為滿足復雜測試需求，同時充分利用測試資源、降低成本，測試人員會綜合使用多種測試總線，以搭建滿足測試需求的混合總線自動測試系統。多種測試總線混合使用，已成為測試總線未來發展的一種趨勢[7,42,48]。

一方面，測試總線更新換代的周期差不多為10年，并且儀器接口朝著多元化方向發展，所以在測試人員工作的單位，具有多代總線儀器同時存在的客觀條件。

另一方面，典型的測試總線標準都有各自優點和不足。多種總線并存可實現性能互補，從而優化總線特性參數。

近年來，國內外多名測試人員對混合總線技術進行研究與應用。目前，混合總線的應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特定的適配器(如適用于導彈測試系統的專用適配器[49])，將A總線測試儀器接入到B總線測試系統中。

Kevin Paton[50]將現有的基于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，以實現儀器資源共享；范宇[51]設計了一套基于LXI總線與PXI主系統的混合總線控制電源系統；郭曉冉等[52]采用GPIB總線和PXI總線的混合總線形式設計系統，以滿足微波信號的屏蔽要求以及校準系統體積小的需求。

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，一般以某種總線為骨干，其他總線儀器通過適配器或轉換器連接到該總線上。典型的3種混合總線自動測試系統分別如圖2～4所示。

李洪濤[53]等針對靶場測試需求，整合成熟的GPIB,VXI和PXI總線測試儀器，設計了混合總線網絡化ATS硬件結構，并提出了基于接口適配器或網關設備的組網方案；李艷春等[54]提出一種基于LAN總線，并將GPIB,VXI和PXI總線設備功能整合在一起的混合總線自動測試系統。該系統通用性強，簡化了系統軟硬件設計，并可實現集中控制、分散測量；邱云萍等[55]將VXI,GPIB,IEEE 1394總線集成于一體，設計了用于板極電路的功能測試和故障診斷的多總線自動測試系統。該系統操作簡單、通用性好，不但提高了故障診斷效率，而且降低了測試成本；Michael Stora等[56]基于IEEE-P1693標準將VXI,PXI,LXI等多個測試總線整合于一個機箱以搭建自動測試系統，該系統成本低,體積小,兼容性好；許晴等[57]提出了基于WLAN的分布式ATS測試方案，該方案通過無線總線橋將GPIB,VXI和LXI總線測試設備整合在一起，滿足測試設備模塊化、小體積、攜帶方便等設計要求。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測試系統架構，該架構以AXIe系統作為自動測試系統的主要功能部分，由AXIe背板、AXIe系統模塊和PXIe/AXIe適配器組成測試系統平臺，如圖4所示。支超有等[59]通過實驗證明，混合總線測試系統在飛機液壓系統地面模擬試驗中的應用，提高了測試效率,縮短了試驗周期。

圖2 基于LXI總線的混合總線自動測試系統Fig.2 ATS of hybrid test bus based on LXI

3.3 非標專用總線

目前，基于現有測試總線標準的設備總體上性能指標比較高，廣泛應用于各種測試場合。測試人員可從標準測試總線中挑選一種總線來進行自動測試系統設計。標準測試總線系統按照固定總線標準設計，其電氣結構、機械結構均有嚴格標準，設備體積、傳輸速率、時延、插槽功率等特性參數都是固定值，但這種標準化的設計方案存在明顯不足。一方面限制了測試系統的自主研發；另一方面，對某些參數有特殊要求的測試系統而言，標準化的測試總線已不能滿足測試需求[60]。另外，某些軍用裝備測試系統在考慮安全性、可靠性和實用性的要求下，需要采用某些專用的測試總線。因此，非標專用總線有其存在的必要性。

目前，已有多家公司和學者從事這方面的研究，這也將是測試總線未來發展的一個方向。哈爾濱工業大學[61-62]針對標準總線測試儀器存在配置與管理資源封閉不適合導彈測試的應用場合，測試資源相對于導彈日常維護需求過于冗余不利于測試系統的輕小型化等問題，采用開放式的自定義總線架構和模塊化的設計方法。這種方法對儀器資源進行有效的壓縮，實現了測試系統的輕小型化；李學哲等[63]分別從硬件邏輯和軟件協議上定義了一種新的測試總線LCB總線，成功搭建了基于LCB總線的自動測試系統。LCB總線電氣部分借鑒GPIB標準，采用無源背板和邏輯電路進行消息的傳輸、編碼和譯碼。LCB總線機械部分借鑒PXI總線，機箱和模塊采用6U標準尺寸，形成單機箱多模塊結構的卡箱式儀器體系結構；吉林大學[64]通過自定義的RMS (reconfigurable monitoring system)總線將獨立的模塊化儀器連接起來，搭建可重構測控系統。功能模塊采用3U標準尺寸，并通過RMS總線與控制板卡進行信息傳遞。采用LabVIEW對模塊化儀器進行控制，同時可對數據進行分析、處理和顯示。整個系統功能強大，能滿足特定的需求；陳永雷等[65]針對專用總線電路板模件，設計了專用總線電路模件測試維修平臺。該平臺已應用到實際中，具有通用性好、成本低、可靠性高等特點。

圖3 基于PXI總線的混合總線自動測試系統Fig.3 ATS of hybrid test bus based on PXI

圖4 基于AXIe總線的混合總線自動測試系統Fig.4 ATS of hybrid test bus based on AXIe

4 結束語

測試總線自面世以來，先后出現了GPIB,VXI,PXI,PXIe,LXI和AXIe等總線標準。每種總線都有其特點和應用場合。GPIB總線成本低、精度高、兼容性好，但帶寬低，主要應用于大型、儀器獨立、精度高但對速度要求不高的場合；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，廣泛應用于軍用、航天等要求高穩定的場合；PXI總線體積小、兼容性好、成本低，在中低端市場中的份額最大；PXIe總線體積小、帶寬高、兼容性好，但目前產品較少，價格高。PXI和PXIe總線在結構和功率等方面存在不足，不適合應用于大型復雜場合；LXI總線靈活性和兼容性好，并能支持高速傳輸，但現場可維修性差，數據傳輸可靠性和安全性存在風險，適用于分布式或遠程測試場合。AXIe總線支持高功耗，數據吞吐量大、數據延遲低，但相關技術研究不夠成熟，產品少，應用于高速、大數據量的場合。

為解決測試需求日趨復雜的現狀，測試總線發展呈現如下3方面的特點：

(1) 保證系統穩定、信號完整的前提下，為滿足數據吞吐量大、數據傳輸速率高的需求，測試總線已呈現由并行總線向高速串行總線方向發展的趨勢。

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

(3) 為解決有特殊測試要求但受限于現有總線標準的場合，采用自主設計非標專用總線的解決方案。

測試總線技術的發展，推動和指導著基于總線的自動測試系統的發展。隨著對測試總線研究的不斷深入,總線性能將不斷優化。深入開展測試總線理論和應用研究，具有重要意義，將對自動測試系統的發展產生巨大影響。