電子測試儀器的發(fā)展趨勢
1　前　言

　　隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)工程和信息管理等系統(tǒng)性能的巨大改進，出現(xiàn)了將自動測試技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的進展結(jié)合起來的時機。在短短幾年的時間里，測試工業(yè)就經(jīng)歷了一場徹底改變測試技術(shù)決策的革命。測試系統(tǒng)正沿著計算機化、標準化和網(wǎng)絡(luò)化三大趨勢發(fā)展。

　　實際上，由于高新技術(shù)的滲入，尤其是計算機硬件及其軟件技術(shù)的滲入，改變了傳統(tǒng)的測量理論、測量技術(shù)和測量方法。例如不斷提高計算速度、圖形化用戶界面、分布式多任務(wù)處理方式、網(wǎng)絡(luò)功能等等，都很快應(yīng)用并移植到儀器和測試系統(tǒng)中。計算機的發(fā)展使測量和儀器增強了功能，提高了效率，形成了眾多方便實用的自動測試系統(tǒng)，與計算機技術(shù)的結(jié)合成為測試和儀器發(fā)展的主潮流�，F(xiàn)在，個人計算機推出的每一項新技術(shù)，都可以立即在新的測試設(shè)備上反映出來。今后，先進的電子測試儀器將通過計算機把測量、測試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動調(diào)節(jié)、自動控制、自動校準等應(yīng)用領(lǐng)域溝通，使研究開發(fā)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控
制、維修計量等各個環(huán)節(jié)的測試、測量標準化、系統(tǒng)化。

　　計算機由于它的可擴展性，通過總線擴展槽、接口卡或裝置艙把計算機總線與外部儀器連接起來，利用軟件開發(fā)工具以增加功能或運用于新的領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)儀器相比，它的工作面板是虛擬的，這種虛擬面板是用各種高級語言或工具軟件編制而成顯示在計算機屏幕上，通過鼠標來激活各功能鍵(這就相當于傳統(tǒng)儀器的操作旋扭)控制硬件達到測試目的，由于這種儀器是在計算機上實現(xiàn)，其智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力大大超過了傳統(tǒng)的儀器。隨著測試儀器和測試技術(shù)的不斷提高，儀器總線技術(shù)也經(jīng)歷了不斷的完善、提高和發(fā)展的歷程。

2　測試儀器接口總線的發(fā)展

　　近些年來，自動測試系統(tǒng)經(jīng)歷了許多變化，而這種系統(tǒng)中接口系統(tǒng)已從專用的逐漸發(fā)展成為通用的接口系統(tǒng)，通用性對于一個接口系統(tǒng)來說是最為重要的，要把不同國家，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備(包括儀器、儀表、計算機)互相連接在一起，構(gòu)成一個自動測試系統(tǒng)，就需要各個廠家的產(chǎn)品具有相同的接口協(xié)議，即對接口的電氣性能、機械尺寸、信號傳輸形式以及功能四個方面都需要有統(tǒng)一的規(guī)定，實現(xiàn)標準化。從而使通過這種辦法定義的接口適用于范圍廣泛的測試儀器，同時也使構(gòu)成一個完整的自動測試系統(tǒng)所需要的附加工程減少到最低限度，下面列舉幾種典型的接口總線：

2.1　S-100標準總線

　　S-100標準總線是微處理機系統(tǒng)內(nèi)部的標準總線，由100條電源線和信號線組成，其中75個引腳的名稱和功能有明確定義，9個有名稱而沒有詳細規(guī)定，16個未定義，用戶可以自定義。

　　S-100總線原來是為使用8080微處理器的CPU(Central Processor Unit)而設(shè)計，現(xiàn)已為其他微處理機所采用，這種標準總線原來叫做Altair BUS ,1976年命名為“S-100 BUS”，被稱為“工業(yè)中一向最有用的標準總線”，早已被美國電子與電氣工程師協(xié)會(IEEE)所采納，并規(guī)定為IEEE-696標準。S-100總線的信道長度小于1米。

2.2　EIA RS-232C串行接口總線

　　EIA RS-232C標準的全稱是ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION RECOMMEND STANDARD-232C。即電子工業(yè)協(xié)會推薦標準。RS-232C是連接CRT終端和調(diào)制解調(diào)器時的一種串行接口總線，其信道長度小于15米。與現(xiàn)在常用的IEEE-488接口比較，其串行信息傳輸慢，但距離較遠，而且傳輸信號線少，結(jié)構(gòu)簡單。然而，它實際上并不是儀器總線。雖然大多數(shù)微機都裝有RS-232通信接口，因而也可以作為儀器控制器使用。但是，它不能區(qū)分識別儀器，亦即不能構(gòu)成儀器系統(tǒng)。RS-232最突出的優(yōu)點是作為通信接口，它能夠通過調(diào)制解調(diào)器在電話網(wǎng)絡(luò)上長距離(最長200米)傳輸數(shù)據(jù)。

2.3　CAMAC接口總線

　　隨著自動測試系統(tǒng)的迅速發(fā)展，插件儀器開始普及，但控制和連接方式五花八門，達不到標準化。唯一有影響的插件儀器總線是CAMAC接口總線，它是專門為核子測量儀器而設(shè)計的，當時只對機箱、插件和連接器的尺寸，以及插件底板的互連引腳和引線的作用作出規(guī)定。因此，CAMAC是一般的儀器互連總線，70年代后逐漸被其他總線所取代。

2.4　IEEE-488接口總線
　　美國電子與電氣工程師協(xié)會(INSTITUTION OF ELECTRON AND ELECTRICAL ENGINEERS)簡稱IEEE。

　　IEEE-488接口是IEEE規(guī)定的一種儀器標準接口，信道總長度不超過20m，最高傳輸速率不超過1M Bytes/s，連接儀器不超過15臺。美國HP公司(HEWLETT-PARCKARD COMPANY)最先研究這個接口，最初用于可程控的臺式儀器間互相連接，所以又叫“HP標準接口”，1975年被美國國家標準局(ANSI)采納，定為美國國家標準，后被國際電工委員會(INTERNATIONAL ELECTRONTECHNICAL COMMISSION)采納，定為IEC-625標準。因其使用和傳輸廣泛，故又叫GPIB接口(GENERAL PURPOSE INTERFACE BUS)。

　　488總線由載有TTL電平信號的16條信號線組成，其中8條用于數(shù)據(jù)雙向傳輸，8條用于控制和建立同步交換信息操作，最核心的信息交換技術(shù)叫做“三線掛鉤”，能確保收發(fā)雙方信息高速傳輸而不丟失。

　　IEEE-488接口總線的通用性大大促進了測量儀器和測量系統(tǒng)的發(fā)展，迄今為止，國際上許多儀器公司已生產(chǎn)出大量帶有IEEE-488接口總線的測試儀器，這些測試儀器被廣泛使用，并且在今后相當長的一段時間內(nèi)，還會繼續(xù)使用。

2.5　VXI系統(tǒng)總線

　　所謂VXI總線(VME BUS EXTENSIONS FOR INSTRUMENTATION)是指VME總線對于儀器的擴展，其定義基于已在數(shù)字計算機環(huán)境中廣為適用的VME總線，它把計算機總線與儀器總線合為一體。VME總線提供的高速數(shù)據(jù)率，對高性能儀器而言是非常理想的，同時它為諸如掛鉤、總線仲裁、觸發(fā)、中斷等功能提供了必要的背板結(jié)構(gòu)。

　　VXI總線儀器系統(tǒng)頗具PC結(jié)構(gòu)特色和VME總線特色，與在電子儀器領(lǐng)域經(jīng)受了多年實踐考驗的GPIB緊密地結(jié)合起來，實現(xiàn)了計算機控制模塊化儀器系統(tǒng)的新構(gòu)想，因此，VXI總線系統(tǒng)的確切叫法應(yīng)是“計算機控制模塊化儀器系統(tǒng)”。

　　VXI總線儀器引來了自動測試系統(tǒng)ATE(AUTOMATIC TEST EQUIPMENT)劃時代的變化，它符合信息時代的大潮流，雖不屬于技術(shù)上的重大突破，但卻是觀念上的一大飛躍。它全面、深刻的影響并且改造了傳統(tǒng)ATE(不管是“專用”的還是“通用”的ATE)。在接口與總線方面，VXI總線綜合了PC機總線速度高的特點和GPIB總線精度高的特點，優(yōu)勢互補，提高了總線總體性能。在軟件方面，VXI總線儀器系統(tǒng)既充分利用了PC機的通用軟件、操作系統(tǒng)、高級語言和軟件工具，并同步升級，又充分吸收繼承了GPIB沿用的488.1、488.2和程控儀器標準命令SCPI，創(chuàng)造了一個從程控儀器標準命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運行程序高度統(tǒng)一的軟件環(huán)境。　　

　　為了充分利用已有資源，VXI總線儀器系統(tǒng)開發(fā)了與其它總線體系連接和轉(zhuǎn)換模塊，這就使得VXI總線系統(tǒng)具有巨大的包容性，可與任何總線系統(tǒng)的儀器或系統(tǒng)聯(lián)合工作。VXI總線儀器系統(tǒng)的成功之處在于：最大限度的標準化，涉及到ATE的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)；開放式結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)在硬件和軟件上�？傊�，VXI確實給我們帶來了IEEE-488不能提供的優(yōu)點及特點，高速模塊到模塊通信和同步，并允許VXI應(yīng)用在諸如高速數(shù)傳和數(shù)字測試的場合。而且，經(jīng)過一段時間的努力，VXI總線系統(tǒng)已成功地利用于微波頻段。預(yù)計2000年它將成為程控儀器的主流總線。

2.6　PXI系統(tǒng)總線

　　PXI模塊儀器系統(tǒng)(PCI EXTENSION FOR INSTRUMENTATION)提供了和臺式PC機聯(lián)系的簡便的使用方法，融合了儀器和計算機的系統(tǒng)，把實際的儀器水平提高了。它為用戶在數(shù)據(jù)采集、測試和測量的高效率方面創(chuàng)造了更多的機會。強大的PXI模塊系統(tǒng)儀器，直接受益于臺式PC機硬件和軟件發(fā)展。簡而言之：它具有和PC機同樣的軟件。PXI模塊儀器系統(tǒng)的心臟是高速PCI計算機結(jié)構(gòu)和微軟視窗軟件，它是當今主流桌面計算機的事實上的標準。

　　PXI總線是PCI計算機總線的儀器擴展，而VXI總線是VME計算機總線的儀器擴展，PXI總線與VXI總線有不少相似之處，例如均為開放式規(guī)范，均采用標準機箱并可形成多機箱系統(tǒng)，均可使用嵌入式控制器，都能利用多種優(yōu)秀的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具等等。同VXI系統(tǒng)比較而言，PXI系統(tǒng)的優(yōu)勢在于機箱和模塊體積更小、數(shù)傳速度更快，但PXI機箱插槽數(shù)目、電源品種和提供的最大功率均低于VXI系統(tǒng)相應(yīng)指標的上限值，且尚未被IEEE定為正式標準，缺乏儀器領(lǐng)域最有影響廠家的充分支持，因此，其發(fā)展和應(yīng)用受到一定的影響。

2.7　IEEE1394總線及USB串行總線

　　IEEE1394總線是由蘋果電腦公司在1989年設(shè)計的高性能串行接口總線，后被IEEE接受，目前標準為IEEE1394-1995，IEEE1394總線目前的傳輸速率為100、200和400M bits/s。將來可以到3.2G bits/s。它具有兩對信號線和一對電源線，可以用任意方式連接63個裝置。由于采用非歸零的低電平差分信號傳輸可以得到很高的數(shù)傳率，可以等步或異步傳遞，特別適用于動態(tài)畫面等視頻信號的傳輸。這種專門用于大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇�行接口是專為諸如數(shù)字相機、硬盤等設(shè)計的。

　　USB總線與IEEE1394總線的工作原理大致相同，能連接127個裝置。它的電纜更加簡單，只有一對信號線和一對電源線，工作于最高12M bits/s的中等速度，它輕巧簡便、價格便宜，比較適用于傳遞文件數(shù)據(jù)和音響信號，目前不少新生產(chǎn)的PC機已裝配了這種接口。它與IEEE1394總線工作于不同頻率范圍，可相互配合，相得益彰。

　　以上兩種總線的突出優(yōu)點是具有熱插拔性，可以自動識別、自動組態(tài)，實現(xiàn)即插即用，與并行總線比較，更適合于連接多外設(shè)的需要。已被PC業(yè)界接受為以后PC機必備的接口總線。

3 發(fā)展趨勢

　　綜上所述，VXI總線儀器系統(tǒng)的思路符合信息時代的要求，它通過標準化的開放結(jié)構(gòu)，把單機與系統(tǒng)、硬件與軟件、制造廠與用戶的關(guān)系規(guī)范化。它的思想已被數(shù)十個國家、眾多的制造商所接受。目前已有了千余種VXI產(chǎn)品。VXI將全面沖擊并逐步取代GPIB儀器。VXI將迅速沖擊傳統(tǒng)的通用ATE，也將對傳統(tǒng)的集成電路測試系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)!當然，這種“沖擊”、“取代”有一個發(fā)展過程。這是因為VXI總線最初的軟件未作規(guī)定，而控制方式完全與IEEE488兼容，因此，目前還是兩者共同構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。

　　盡管儀器總線種類繁多、各有特點，但測量儀器向PC機靠攏是一種必然的趨勢，模塊式測試系統(tǒng)必將持續(xù)高速發(fā)展。

　　電子測試儀器的功能不再是由按扭和開關(guān)的數(shù)量來限定，而是由計算機存儲器內(nèi)裝的軟件來限定，實現(xiàn)計算機和現(xiàn)代儀器通用性。 頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表|
　
　21世紀的儀器，是一個開放的系統(tǒng)概念，并隨著計算機總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將極大地推進儀器儀表的智能化進程。在測量方面，以微機和工作站為動力，通過組建網(wǎng)絡(luò)來提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，這已成為一個重要發(fā)展方向。
　
　當今時代的測量儀器要求能把自身融合到信息設(shè)備系統(tǒng)中去，也即融合到計算機系統(tǒng)中去。測量和儀器專業(yè)人員的使命就是在信息時代的浪潮中、在蓬勃發(fā)展的計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的舞臺上，去創(chuàng)造符合信息時代要求的“智能化”儀器——新一代自動測試系統(tǒng)，去解決信息時代提供給我們的測量課題。