度量轉換/從GBIP到PXI - 量測技術發展簡史

前言


  對於當今的電子工業而言,從元件到系統、設計到生產,量測工作皆是不可或缺的一環。工廠必須借助量測獲知產品效能,作為產品設計的參考依據;在生產過程中,往往需要量測設備把握廠房的命脈;而量測效率往往也與生產效率關係甚密,成為決定市場競爭力消長的關鍵因素。

  因為量測技術的重要所在,其成熟與發展過程中的每一步無不吸引著業界關注的目光。從上世紀70年代以來,量測技術經歷了從GPIB到PXI的變革,而近年來國內廠商在PXI技術上的迅速發展壯大,更是值得國內量測用戶欣喜的事情。


GPIB——VI量測的先行者


  早在70年代,為了讓電腦控制許多獨立的量測儀器,IEEE定義了一套高速資料傳輸的協定——488.1/488.2。對於基於電腦的數位化測量測試儀器,人們將其稱為虛擬儀器(VI)。GPIB技術就是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段,它的出現使電子測量從獨立的單台手工操作向大規模自動測試系統發展。典型的GPIB系統由一台PC機、一塊GPIB介面卡和若干台BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成,使用共同的字串語法控制儀器 (488.2或SCPI)。在標準情況下,一塊GPIB介面可帶多達14台儀器,電纜長度可達40米。GPIB技術可用電腦實現對儀器的操作和控制,替代傳統的人工作業方式,可以很方便地把多台儀器組合起來,形成自動測量系統。

  GPIB測量系統的結構和命令簡單,有專為儀器控制所設計的介面信號和牢固的接插件,加之幾乎所有獨立儀器都有GPIB介面,因而體現出其簡單性和便利性的優勢所在。但是GPIB的缺點也是顯而易見的——無法提供多台儀器同步和觸發的功能,在傳輸大量資料時帶寬不足。因此,GPIB主要應用於臺式儀器,適合於精確度要求高的,但不要求對電腦高速傳輸狀況時應用。因此,對於更高要求的量測應用,便需要技術方面的進一步革新,VXI匯流排技術就是在這樣的背景下出現的。

VXI——量測標準的開放品


  在GPIB之後出現的VXI匯流排技術是VME匯流排在儀器領域的擴展(VXI即VMEbus eXtensions for Instrumentation的縮寫)。1981年10月,Motorola 、Mostek和Signetics宣佈它們共同支援基於VERSAbus和Eurocard模組尺寸的系列板卡,這就是著名的VMEbus。1987年,VMEbus被IEEE正式接受為萬用背板匯流排(Versatile Backplane Bus)標準——VMEbus(ANSI/IEEE 1014-1987)。

  由於VME畢竟不是面向儀器的匯流排標準,來自Colorado Data System、 Hewlett Packard、 Racal Dana、 Tektronix和Wavetek等5家儀器公司的技術代表于1987年6月宣佈成立了一個技術委員會。同年7月,該委員會(即後來的VXI匯流排聯合體)發佈了VXIbus規範的第1個版本,幾經修改和完善,於1993年9月20日出版發行。VXI匯流排標準發展歷史如下表所示。

VXIbus標準發展史


  版本   0.0    1.0    1.1    1.2    1.3     1.4   IEEE-1155   日期 1987.7.9 1987.8.24 1987.10.7 1988.6.21 1989.7.14 1992.4.21 1993.9.20

  VXI匯流排具有穩定的電源,強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI遮罩。它具有標準開放、結構緊湊、資料吞吐能力強(高達40MB/s的帶寬是GPIB的40倍)、定時和同步精確、模組可重複利用,以及受到眾多儀器廠家支援的優點,很快就得到廣泛的應用。由於是前插拔、模組化的儀器,VXI系統的組建和使用變得很方便,尤其是組建大、中規模的自動測量系統時;VXI也適合於對速度、精度要求高的場合,因此主要用於軍事、航空航太和ATE等領域的量測平臺。

  雖然時至今日VXI匯流排的儀器和系統已被普遍接受,但是因為組建VXI匯流排要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造價高昂;加之40MB/s的帶寬對於現今的高速量測裝置仍嫌不足,人們又對量測技術提出了更高的要求。在PCI匯流排成為主流的今天,PXI技術順應而生。


PXI——量測技術的生力軍


  PXI 是PCI eXtensions for Instrumentation 的縮寫。直觀地說,CompactPCI + Extensions for Instrumentation = PXI。對於PXI的發展,首先要提到制訂並推廣PXI規格的組織——PXISA (PXI System Alliance)。PXISA于1997年成立,同年推出了1.0版的PXI規格。隨著PXISA的接受度提高,以及PXI標準的不斷完善,PXI的規格和相關產品也逐漸走向了標準化的道路。1998年,PXI被定為工業標準,PXI開始快速而穩健地發展。2000年時,PXISA又推出了PXI 2.0版,並於2003年2月將規格更新至2.1版。


  為更適於工業應用,PXI匯流排方式為PCI匯流排內核技術增加了成熟的技術規範和要求,增加了多板同步觸發匯流排的技術規範,以便使用於相鄰模組的高速通訊局匯流排。PXI還具有高度的可擴展性:PXI具有8個擴展槽,通過使用PCI-PCI橋接器,可擴展到256個擴展槽,而臺式PCI系統只有3~4個擴展槽,臺式PC的性能價格比和PCI匯流排面向儀器領域的擴展優勢結合起來,便形成了出色的虛擬儀器平臺。


  PXI 的規格區分為硬體與軟體兩個部分。其中硬體部分是基於CompactPCI的規格,也就是PICMG 2.0,建構於CompactPCI的機構規格與PCI的電氣規格之上,加上儀器上所需要的電氣信號延伸,即是所謂PXI的規格。所以,PXI的資料傳輸速率的峰值在33 MHz、32 bit的匯流排上,可達132MB/s;在66 MHz、64 bit的匯流排上更可高達528MB/s,遠遠高於GPIB與VXI介面的傳輸速率。PXI 背板上的每一個擴充槽,都有專用的10 MHz參考時脈,而時脈偏斜的精確度必須小於1ns。這樣高的精確度使其可作為各擴充槽的基礎時脈,來達到同步的效果。


  與其他的匯流排規格相比,PXI於軟體上對系統控制模組與周邊模組作了規範。例如:PXI周邊模組的廠商,必須提供可使用於Microsoft Windows上的驅動程式,而PXI控制模組則必須基於80x86架構,並可支持Microsoft Windows。隨著各式作業系統的接受度提高,未來將可能加入PXI軟體的規格制訂。除了對軟體架構上的規範外,PXI也制訂了硬體描述檔案的規格,系統操作人員可以利用這些檔案,透過軟體管理PXI系統上的模組。


  PXI的儀器延伸信號,提供了各PXI模組之間的一個硬體的管道,不需經過軟體的監督,PXI的模組可即時地在此管道上利用硬體的信號互相溝通。如此可以減低CPU的負擔,並加速軟體程式的執行。並且基於x86架構與廣泛採用的Windows,可以有效降低PXI產品的學習曲線與購入成本。


  多重的PXI模組選擇,搭配不同機箱,使得PXI可以符合各種應用需求,並且易於維護。如此豐富的產品使得PXI目前已在汽車測試、半導體測試、功能性測試、航空設備測試以及軍事等諸多領域得到了廣泛的應用。


  隨著PXISA的接受度提高,以及全球眾多廠商的加入,PXI已不會讓客戶有被單一廠商綁住規格的憂慮,且市場上有超過600種不同的PXI模組問世。根據Frost and Sullivan的估計,在國際上,PXI市場於2003~2005年的成長率分別為37%、28%、23%,成長率遠超過PC或工業電腦量測應用的數位。而在國內,相關廠商也開始利用PXI這個契機迅速擴大市場佔有率,其中較為突出的是淩華科技(ADLINK)。 對於PXI的發展,淩華科技量測產品事業部總監高明和先生表示:“ 開放化和標準化將是今後量測科技發展的一個重點方向。現在幾乎所有的廠商都強調產品的開放和相容性,為客戶節省在測試成本上的投資。客戶不須更換儀器,只要更換不同卡板或軟體,就能執行不同的測試專案;在產品規劃的同時,也為客戶預留可供升級使用的功能擴充。PXI沿用PC介面來操作儀器功能,具備相容性高、方便更新功能等特色,未來以此衍生出的量測方案將越來越多。”


  可以看到,隨著量測技術的進步和更多廠商的參與,我們將迎來一個更加開放也更具效率的量測科技新時代。

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