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1 前言 隨著(zhù)計算機和自動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展，測量?jì)x器和計算機的關(guān)系日益密切。目前PC的年銷(xiāo)售量近一億臺，在軟硬件方面積累了大量經(jīng)驗，創(chuàng )造了豐富的資源。計算機(尤指微型機)的很多成果很塊就應用到測量和儀器領(lǐng)域，如圖形化用戶(hù)界面(GUI)、分布式處理、提高速度和網(wǎng)絡(luò )功能等等，不久都移植到測量和儀器中。利用PC極其豐富的軟件和硬件資源，可以大大提高測試系統的功能，許多方便實(shí)用的自動(dòng)測試系統隨之而產(chǎn)生。與計算機相結合已經(jīng)成為測量?jì)x器和自動(dòng)測試系統發(fā)展的必然趨勢。 所謂總線(xiàn)是指計算機、測量?jì)x器、自動(dòng)測試系統內部以及相互之間信息傳遞的公共通路，是計算機和內部測試系統的重要組成部分，其性能在計算機和自動(dòng)測試系統中具有舉足輕重的作用�？偩�(xiàn)是計算機、自動(dòng)測試系統乃至網(wǎng)絡(luò )系統的基礎。利用總線(xiàn)技術(shù)，能夠大大簡(jiǎn)化系統結構，增加系統的兼容性、開(kāi)放性、可靠性和可維護性，便于實(shí)行標準化以及組織規�；纳a(chǎn)，從而顯著(zhù)降低系統成本�？偩�(xiàn)的類(lèi)別很多，分類(lèi)方式多樣，僅按應用的場(chǎng)合可分為芯片總線(xiàn)、板內總線(xiàn)、機箱總線(xiàn)、設備互連總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)等多種類(lèi)型�？偩�(xiàn)技術(shù)包含的內容極為廣泛，本文主要討論基于PC的測試系統的總線(xiàn)技術(shù)。限于篇幅，下面僅就與計算機相對獨立的測量?jì)x器機箱總線(xiàn)、測量?jì)x器機箱(機柜)與計算機之間的互連總線(xiàn)等相關(guān)內容作一探討，以期引起大家的討論。 2 機箱底板總線(xiàn) 自動(dòng)測試系統機箱底板總線(xiàn)是指組成系統各種機箱的底板總線(xiàn)。在總線(xiàn)底板插槽上插入模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出、頻率和脈沖量輸入/輸出等功能插件，可組成具有不同規模和功能的自動(dòng)測試系統。除了許多計算機總線(xiàn)可用作機箱底板總線(xiàn)之外，還有不少專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)測試系統設計的總線(xiàn)。這些總線(xiàn)可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是經(jīng)有關(guān)標準化組織發(fā)布的標準總線(xiàn)，另一類(lèi)是各公司設計的專(zhuān)用總線(xiàn)。 2.1 STD和CAMAC總線(xiàn) STD總線(xiàn)和CAMAC總線(xiàn)是早期標準的、應用比較普遍的測試系統機箱底板總線(xiàn)。STD總線(xiàn)于1973年推出，其插件板采用小尺寸板子結構，印制電路板上帶有邊緣式印制插頭(也叫“金手指”)。在同類(lèi)板子中，由于其尺寸小，因此耐振動(dòng)、沖擊，具有良好的堅固性和可靠性，適合于工業(yè)測控場(chǎng)合的應用。由于這種總線(xiàn)標準的機箱、插件板結構簡(jiǎn)單、成本低，故而在一段時(shí)間內，STD總線(xiàn)標準的產(chǎn)品在工業(yè)測控領(lǐng)域得到普遍的應用。但是，STD總線(xiàn)插件所用的邊緣式印制插頭存在接觸不良的缺點(diǎn)，近年來(lái)已逐漸被其他先進(jìn)總線(xiàn)產(chǎn)品所取代。CAMAC總線(xiàn)是70年代初推出才一種專(zhuān)門(mén)為測控系統設計的標準機箱底板總線(xiàn)。其總線(xiàn)規范完整、嚴格，曾得到廣泛的應用。近幾年來(lái)，由于其他高性能總線(xiàn)的出現，這種總線(xiàn)已顯落后，同樣處于被淘汰的過(guò)程。 2.2 ISA總線(xiàn) 工業(yè)標準結構總線(xiàn)(Industrial Standard Architecture - ISA)始于1984年，也是早期的一種總線(xiàn)，它實(shí)際上屬于PC總線(xiàn)，是一種8/16位的非同步數據總線(xiàn)，工作頻率8MHz，數據傳輸率為1Mbps(8位)或2Mbps(16位)。ISA總線(xiàn)雖未被標準化組織正式定為標準，但由于應用廣泛，已成為事實(shí)上的標準，在測試領(lǐng)域內以PC為基礎的數據采集應用中近20年一直占據著(zhù)主導地位。ISA總線(xiàn)雖然擴展了對微處理器的支持能力，但仍存在許多不足之處，如I/O擴展能力差，邊緣式印制插頭(座)接觸不良，耐振動(dòng)、沖擊能力差，對溫濕度比較敏感而不適應工業(yè)現場(chǎng)工作等，在速度上已成為系統的瓶頸，已逐漸被PCI、CompactPCI總線(xiàn)所取代。 2.3 VXI總線(xiàn) VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation)總線(xiàn)是VME計算機總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域中的擴展，由HP等公司于1987年提出，1992年成為IEEE1155標準。在該系統中圍繞機械、電氣、控制方式、通信協(xié)議、電磁兼容、軟面板、驅動(dòng)程序、I/O控制乃至機箱、印制電路板的VXI總線(xiàn)產(chǎn)品相互兼容。VXI系統綜合了計算機技術(shù)、GPIB技術(shù)、PC儀器技術(shù)、接口技術(shù)、VME總線(xiàn)和模塊化結構技術(shù)的成果，1998年修訂的VXI 2.0版本規范采用了VME總線(xiàn)的最新進(jìn)展，提供了64位擴展能力，數據傳輸率最高可達80Mbps。VXI系統最多可包含256個(gè)器件(裝置)，可組成一個(gè)或多個(gè)子系統，每個(gè)子系統最多可包含13個(gè)插入式模塊，插入一個(gè)機箱內，在組建大、中規模自動(dòng)測量系統以及對速度、精度要求高的場(chǎng)合，具有其其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢。VXI總線(xiàn)支持即插即用、人機界面良好、資源利用率高、容易實(shí)現系統集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴展。其當前的一個(gè)應用熱點(diǎn)是自1986年美商國家儀器公司(NI)推出的虛擬儀器(Virtual Instrumnets)開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW，虛擬儀器提出“軟件即儀器”(The software is the instrument)的口號，由軟件定義各種儀器的功能，帶來(lái)了測試技術(shù)的革命。值得一提的是我國已有不少單位如航天測控公司、中國科技大學(xué)等進(jìn)行了一系列的開(kāi)發(fā)和應用研究，成績(jì)斐然。不足的是VXI系統的成本相對較高。 2.4 PCI、CompactPCI及PXI總線(xiàn) 外圍設備互連總線(xiàn)(Peripheral Component Interconnect - PCI)由Intel公司于1993年提出后，很快成為PC行業(yè)新的事實(shí)上的標準，PCI總線(xiàn)是一種同步的、獨立于CPU的32/64位局部總線(xiàn)，最高工作頻率33MHz，數據傳輸率為132Mbps(32位)和264Mbps(64位)，很好地解決了ISA總線(xiàn)的瓶頸問(wèn)題，并帶來(lái)了真正的即插即用(PnP)功能，大大提高了系統的數據采集率。 CompactPCI總線(xiàn)由多家廠(chǎng)商于1994年提出，是PCI總線(xiàn)的12種規范之一，也是PCI總線(xiàn)的增強和擴展，在電氣上完全與PCI兼容，具有抗振顫和利于散熱等，更適合于工業(yè)測控的應用。其數據寬度同PCI，最高傳輸速率可達528Mbps。 PXI總線(xiàn)是1997年美國國家儀器公司(NI)發(fā)布的一種高性能低價(jià)位的開(kāi)放性、模塊化儀器總線(xiàn)。PXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)，是用于自動(dòng)測試系統機箱底板總線(xiàn)的規范，在機械結構方面與CompactPCI總線(xiàn)的要求基本相同，不同的是PXI總線(xiàn)規范對機箱和印制電路板的溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、電磁兼容性和通風(fēng)散熱等提出了要求，與VXI總線(xiàn)的要求非常相似。在電氣方面，PXI總線(xiàn)完全與CompactPCI總線(xiàn)兼容。所不同的是PXI總線(xiàn)為適合于測控儀器、設備或系統的要求，增加了系統參考時(shí)鐘、觸發(fā)器總線(xiàn)、星型觸發(fā)器和局部總線(xiàn)等內容。除了PXI系統具有多達8個(gè)插槽(1個(gè)系統槽和7個(gè)儀器模塊槽)，而絕大多數臺式PCI系統僅有3個(gè)和4個(gè)PCI插槽這點(diǎn)差別之外，PXI總線(xiàn)與臺式PCI規范具有完全相同的PCI性能。利用PCI-PCI橋技術(shù)擴展多臺PXI系統，可以使擴展槽的數量在理論上最多能達到256個(gè)。PXI將Windows NT和Windows 95定義為其標準軟件框架，并要求所有的儀器模塊都必須帶有按VISA規范編寫(xiě)的WIN32設備驅動(dòng)程序，使PXI成為一種系統級規范，保證系統的易于集成與使用，從而進(jìn)一步降低用戶(hù)的開(kāi)發(fā)費用，所以在數據采集、工業(yè)自動(dòng)化系統、計算機機械觀(guān)測系統和圖像處理等方面獲得了廣泛應用。 3 計算機與測控機箱之間互連總線(xiàn) 與計算機相對獨立的測控機箱或機柜需要用相應的總線(xiàn)(或標準接口)與計算機連接，以組成計算機控制的自動(dòng)測試系統或網(wǎng)絡(luò )。實(shí)際應用時(shí)可采用串行總線(xiàn)或者并行總線(xiàn)兩種方式進(jìn)行連接。 3.1 串行總線(xiàn) 串行總線(xiàn)是指按位傳送數據的通路。其連接線(xiàn)少、接口簡(jiǎn)單、成本低、傳送距離遠，被廣泛用于PC與外設的連接和計算機網(wǎng)絡(luò )。常用的串行總線(xiàn)有RS-232C、RS-422A、RS-485、USB及IEEE-1394等。 (1)RS-232C串行接口 RS-232C(Recommended Standard)串行接口是計算機與外設之間以及計算機與測試系統之間最簡(jiǎn)單、最普遍的連接方法，采用23線(xiàn)連接器。其最高的單向數據傳輸率為20kbps，此時(shí)的最大傳輸距離為15米。適當降低速率，其最大傳輸距離可達60米。但它只是一對一的傳輸，僅用于簡(jiǎn)單或低速的系統，在實(shí)際應用中還有一定的市場(chǎng)。 (2)RS-422A總線(xiàn) RS-422A串行總線(xiàn)也是一種常用的接口總線(xiàn)，支持一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。它在傳輸速率、傳送距離及抗干擾性能等方面均優(yōu)于RS-232C，采用差動(dòng)(差分)收發(fā)的工作方式，利用雙端線(xiàn)來(lái)傳送信號，最高數據傳輸率為10Mbps，此時(shí)的傳輸距離為120米，可連接32個(gè)收發(fā)器。如適當降低傳輸率，可增加其通訊距離。例如在10kbps時(shí)距離可達1200米。 (3)RS-485串行總線(xiàn) RS-485是一種典型的串行總線(xiàn)，支持一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，采用雙絞線(xiàn)連接，可連接32個(gè)收發(fā)器，其他特性與RS-422A總線(xiàn)接近，在測控系統中得到較為普遍的應用，但不能滿(mǎn)足高速測試系統的應用要求。 (4)通用串行總線(xiàn)USB 通用串行總線(xiàn)USB(Universal Serial Bus)是由美國多家公司在1995年提出的一種高性能串行總線(xiàn)規范，雖然目前還未得到標準化組織承認，但已經(jīng)成為事實(shí)上的標準。這種串行總線(xiàn)具有傳輸速率高、即插即用、熱切換(帶電插拔)和可利用總線(xiàn)傳送電源等特點(diǎn)，能連接127個(gè)裝置。其電纜只有一對信號線(xiàn)和一對電源線(xiàn)，工作于最高12Mbps的中等速度，傳輸距離30米，輕巧便宜，適用于傳遞文件數據和音響信號，新的PC機都已配上USB總線(xiàn)接口。 (5)IEEE 1394串行總線(xiàn) IEEE1394串行總線(xiàn)(又叫火線(xiàn)-FireWire)是由蘋(píng)果公司于80年代提出的，1995年被IEEE接受，當時(shí)最高傳輸速率400Mbitps，傳輸距離72米，以后還要按800M、1.6G及3.2 Gbitps分段提高。它有兩對信號線(xiàn)和一對電纜線(xiàn)，在無(wú)HUB時(shí)可用任何方式連接63個(gè)裝置。而且支持即插即用、帶電插拔。這是一種應用前景非常廣闊的串行總線(xiàn)，和USB總線(xiàn)工作于不同的頻率范圍，可相互配合使用，適用于動(dòng)畫(huà)等視頻信號的傳輸，可用于連接計算機的高速外部設備，也可用于連接數字電視、DVD等消費類(lèi)電子設備以及作為測試儀器的數據傳輸總線(xiàn)。在測控系統中，它可作為機箱底板總線(xiàn)的備份總線(xiàn)，以及用作計算機與高速數據采集系統互連總線(xiàn)。不過(guò)目前支持IEEE 1394設備還不很多。 3.2 并行總線(xiàn) 在集成式自動(dòng)測試系統中，計算機與測試部分比較靠近，為提高數據傳輸速率，大多采用并行總線(xiàn)進(jìn)行連接。并行總線(xiàn)也分為標準的和非標準兩類(lèi)。常用的并行標準總線(xiàn)有通用接口總線(xiàn)IEEE 488和ANSI X3.131-1986 SCSI總線(xiàn)。非標準的并行總線(xiàn)也很多。多數廠(chǎng)家自己設計專(zhuān)用的并行總線(xiàn)，再通過(guò)總線(xiàn)轉換接口，將計算機和測試部分連接起來(lái)。 (1)IEEE 488總線(xiàn) IEEE 488通用接口總線(xiàn)又稱(chēng)GPIB(General Purpose Interface Bus)總線(xiàn)，是HP公司在70年代推出的臺式儀器接口總線(xiàn)，因此又叫HPIB(HP Interface Bus)，1975年IEEE和IEC確認為IEEE 488和IEC 652標準。該標準總線(xiàn)在儀器、儀表及測控領(lǐng)域得到了最廣泛的應用。這種系統是在微機中插入一塊GPIB接口卡，通過(guò)24或25線(xiàn)電纜連接到儀器端的GPIB接口。當微機的總線(xiàn)變化時(shí)，例如采用ISA或PCI等不同總線(xiàn)，接口卡也隨之變更，其余部分可保持不變，從而使GPIB系統能適應微機總線(xiàn)的快速變化。由于GPIB系統在PC出現的初期問(wèn)世，所以有一定的局限性。如其數據線(xiàn)只有8根，傳輸速率最高1Mbps，傳輸距離20米(加驅動(dòng)器可達500米)等等。盡管如此，目前仍是儀器、儀表及測控系統與計算機互連的主流并行總線(xiàn)。因為裝有GPIB接口的臺式儀器的品種和數量都明顯超過(guò)倍受青睞的VXI儀器，而且在目前應用的VXI系統中，與GPIB混合應用比例很大，還有相當數量采用外主控計算機控制的VXI系統，其計算機通過(guò)GPIB電纜和GPIB-VXI接口進(jìn)行控制。以PCI為基礎的PXI系統，也都具有GPIB接口。所以，在相當長(cháng)的時(shí)間內，GPIB系統仍將在實(shí)際應用中，特別是中、低速范圍內的計算機外設總線(xiàn)應用中占有一定的市場(chǎng)。 (2)SCSI總線(xiàn) SCSI總線(xiàn)的原型是美國Shugart公司推出的，用于計算機與硬盤(pán)驅動(dòng)器之間傳輸數據的SASI(Shugart Associates System Interface)總線(xiàn)，1986年成為美國國家標準ANSI X3.131，該名為SCSI總線(xiàn)(Small Computer System Interface)。其數據線(xiàn)為9位，速度可達5Mbps，傳輸距離6米(加驅動(dòng)器可達25米)，經(jīng)改進(jìn)又陸續推出SCSI-2 Fast and Wide和SCSI-3(又稱(chēng)Ultra SCSI)總線(xiàn)，原SCSI總線(xiàn)改稱(chēng)SCSI-1總線(xiàn)。該總線(xiàn)的傳輸速率很高，現已普遍用作計算機的高速外設總線(xiàn)，如連接高速硬盤(pán)驅動(dòng)器。許多高速數據采集系統也用它與計算機互連。目前仍處在發(fā)展之中。 (3)MXI總線(xiàn) MXI總線(xiàn)(多系統擴展接口Multi-system eXtension Interface bus)是一種高性能非標準的通用多用戶(hù)并行總線(xiàn)，具有很好的應用前景。它是NI(National Instruments)公司于1989年推出的32位高速并行互連總線(xiàn)，最高速度可達23Mbps，傳輸距離20米。MXI總線(xiàn)通過(guò)電纜與多個(gè)器件連接，采用硬件映象通訊設計，不需要高級軟件，一根MXI電纜上可連接8個(gè)MXI器件。其電纜本身是相通的，MXI器件通過(guò)簡(jiǎn)單地讀寫(xiě)相應的地址空間就可直接訪(fǎng)問(wèn)其他所有器件的資源而無(wú)需任何軟件協(xié)議。目前，VXI總線(xiàn)的測控機箱大都用這種總線(xiàn)與計算機互連。它將成為VXI總線(xiàn)機箱與計算機互連的事實(shí)上的標準總線(xiàn)。 4 結束語(yǔ) 由前面的介紹可以看出，在測量和儀器系統機箱底板總線(xiàn)中，CompactPCI和VXI總線(xiàn)代表著(zhù)這類(lèi)總線(xiàn)當前的水平，相應產(chǎn)品正在迅速發(fā)展之中。在測量?jì)x器機箱與計算機的互連總線(xiàn)中，IEEE 488通用接口總線(xiàn)由于前述原因，仍將在一些低速系統中被使用一段很長(cháng)的時(shí)間，在高速系統中，將被SCSI總線(xiàn)所代替。MXI總線(xiàn)將作為VXI機箱與計算機互的事實(shí)上的標準總線(xiàn)。但由于串行總線(xiàn)，如USB、FireWire總線(xiàn)等，在傳輸速率上取得了重要突破，且價(jià)格便宜，有可能逐步代替現有的其他并行或串行互連總線(xiàn)，并成為測量和儀器網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)之一。尤其是FireWire總線(xiàn)，它的傳輸速率可高達3.2Gbps，利用它不但可組成高速測控網(wǎng)絡(luò )，還可以代替測量和儀器系統機箱底板的并行總線(xiàn)，或作為冗余測控系統中的機箱底板并行總線(xiàn)的備份總線(xiàn)，具有很好的應用前景。 測控系統正向著(zhù)高效、高速、高精度和高可靠性，以及自動(dòng)化、智能和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，測控總線(xiàn)將為實(shí)現這些目標起重要作用。目前國外很多公司正在積極研究、開(kāi)發(fā)Infranet-Intranet-Internet網(wǎng)絡(luò )連接標準，盡可能利用現有的WWW(萬(wàn)維網(wǎng))技術(shù)，將采集到的數據和控制參數直接放到HTML(超文本標志語(yǔ)言)文檔中，使遠程用戶(hù)可以通過(guò)Internet對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，或控制遠地實(shí)驗室內的智能設備。這將為開(kāi)發(fā)開(kāi)放型、全分布式、智能化的測控網(wǎng)絡(luò )系統創(chuàng )造條件。這些都將對測控系統的體系結構的變革和性能的提高產(chǎn)生重大影響。 |
