電子測(cè)試儀器的發(fā)展趨勢(shì)

電子測(cè)試儀器的發(fā)展趨勢(shì)
1　前　言

　　隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)，出現(xiàn)了將自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)展結(jié)合起來(lái)的時(shí)機(jī)。在短短幾年的時(shí)間里，測(cè)試工業(yè)就經(jīng)歷了一場(chǎng)徹底改變測(cè)試技術(shù)決策的革命。測(cè)試系統(tǒng)正沿著計(jì)算機(jī)化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化三大趨勢(shì)發(fā)展。

　　實(shí)際上，由于高新技術(shù)的滲入，尤其是計(jì)算機(jī)硬件及其軟件技術(shù)的滲入，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量理論、測(cè)量技術(shù)和測(cè)量方法。例如不斷提高計(jì)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(cè)試系統(tǒng)中。計(jì)算機(jī)的發(fā)展使測(cè)量和儀器增強(qiáng)了功能，提高了效率，形成了眾多方便實(shí)用的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合成為測(cè)試和儀器發(fā)展的主潮流�，F(xiàn)在，個(gè)人計(jì)算機(jī)推出的每一項(xiàng)新技術(shù)，都可以立即在新的測(cè)試設(shè)備上反映出來(lái)。今后，先進(jìn)的電子測(cè)試儀器將通過(guò)計(jì)算機(jī)把測(cè)量、測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制、自動(dòng)校準(zhǔn)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(jì)量等各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。

　　計(jì)算機(jī)由于它的可擴(kuò)展性，通過(guò)總線擴(kuò)展槽、接口卡或裝置艙把計(jì)算機(jī)總線與外部?jī)x器連接起來(lái)，利用軟件開發(fā)工具以增加功能或運(yùn)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(jí)語(yǔ)言或工具軟件編制而成顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，通過(guò)鼠標(biāo)來(lái)激活各功能鍵(這就相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的操作旋扭)控制硬件達(dá)到測(cè)試目的，由于這種儀器是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，其智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力大大超過(guò)了傳統(tǒng)的儀器。隨著測(cè)試儀器和測(cè)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(cè)試儀器接口總線的發(fā)展

　　近些年來(lái)，自動(dòng)測(cè)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(duì)于一個(gè)接口系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最為重要的，要把不同國(guó)家，不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備(包括儀器、儀表、計(jì)算機(jī))互相連接在一起，構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，就需要各個(gè)廠家的產(chǎn)品具有相同的接口協(xié)議，即對(duì)接口的電氣性能、機(jī)械尺寸、信號(hào)傳輸形式以及功能四個(gè)方面都需要有統(tǒng)一的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。從而使通過(guò)這種辦法定義的接口適用于范圍廣泛的測(cè)試儀器，同時(shí)也使構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)總線

　　S-100標(biāo)準(zhǔn)總線是微處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)總線，由100條電源線和信號(hào)線組成，其中75個(gè)引腳的名稱和功能有明確定義，9個(gè)有名稱而沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定，16個(gè)未定義，用戶可以自定義。

　　S-100總線原來(lái)是為使用8080微處理器的CPU(Central Processor Unit)而設(shè)計(jì)，現(xiàn)已為其他微處理機(jī)所采用，這種標(biāo)準(zhǔn)總線原來(lái)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(biāo)準(zhǔn)總線”，早已被美國(guó)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)所采納，并規(guī)定為IEEE-696標(biāo)準(zhǔn)。S-100總線的信道長(zhǎng)度小于1米。

2.2　EIA RS-232C串行接口總線

　　EIA RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的全稱是ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION RECOMMEND STANDARD-232C。即電子工業(yè)協(xié)會(huì)推薦標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C是連接CRT終端和調(diào)制解調(diào)器時(shí)的一種串行接口總線，其信道長(zhǎng)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(yuǎn)，而且傳輸信號(hào)線少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。然而，它實(shí)際上并不是儀器總線。雖然大多數(shù)微機(jī)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(shí)別儀器，亦即不能構(gòu)成儀器系統(tǒng)。RS-232最突出的優(yōu)點(diǎn)是作為通信接口，它能夠通過(guò)調(diào)制解調(diào)器在電話網(wǎng)絡(luò)上長(zhǎng)距離(最長(zhǎng)200米)傳輸數(shù)據(jù)。

2.3　CAMAC接口總線

　　隨著自動(dòng)測(cè)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(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量?jī)x器而設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)只對(duì)機(jī)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(guó)電子與電氣工程師協(xié)會(huì)(INSTITUTION OF ELECTRON AND ELECTRICAL ENGINEERS)簡(jiǎn)稱IEEE。

　　IEEE-488接口是IEEE規(guī)定的一種儀器標(biāo)準(zhǔn)接口，信道總長(zhǎng)度不超過(guò)20m，最高傳輸速率不超過(guò)1M Bytes/s，連接儀器不超過(guò)15臺(tái)。美國(guó)HP公司(HEWLETT-PARCKARD COMPANY)最先研究這個(gè)接口，最初用于可程控的臺(tái)式儀器間互相連接，所以又叫“HP標(biāo)準(zhǔn)接口”，1975年被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI)采納，定為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后被國(guó)際電工委員會(huì)(INTERNATIONAL ELECTRONTECHNICAL COMMISSION)采納，定為IEC-625標(biāo)準(zhǔn)。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(hào)的16條信號(hào)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(jìn)了測(cè)量?jī)x器和測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展，迄今為止，國(guó)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(cè)試儀器，這些測(cè)試儀器被廣泛使用，并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，還會(huì)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(duì)于儀器的擴(kuò)展，其定義基于已在數(shù)字計(jì)算機(jī)環(huán)境中廣為適用的VME總線，它把計(jì)算機(jī)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(duì)高性能儀器而言是非常理想的，同時(shí)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(shí)踐考驗(yàn)的GPIB緊密地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制模塊化儀器系統(tǒng)”。

　　VXI總線儀器引來(lái)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)ATE(AUTOMATIC TEST EQUIPMENT)劃時(shí)代的變化，它符合信息時(shí)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(jī)總線速度高的特點(diǎn)和GPIB總線精度高的特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(jī)的通用軟件、操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言和軟件工具，并同步升級(jí)，又充分吸收繼承了GPIB沿用的488.1、488.2和程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI，創(chuàng)造了一個(gè)從程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)給我們帶來(lái)了IEEE-488不能提供的優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)，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(cè)試的場(chǎng)合。而且，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，VXI總線系統(tǒng)已成功地利用于微波頻段。預(yù)計(jì)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(tái)式PC機(jī)聯(lián)系的簡(jiǎn)便的使用方法，融合了儀器和計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，把實(shí)際的儀器水平提高了。它為用戶在數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量的高效率方面創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)。強(qiáng)大的PXI模塊系統(tǒng)儀器，直接受益于臺(tái)式PC機(jī)硬件和軟件發(fā)展。簡(jiǎn)而言之：它具有和PC機(jī)同樣的軟件。PXI模塊儀器系統(tǒng)的心臟是高速PCI計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和微軟視窗軟件，它是當(dāng)今主流桌面計(jì)算機(jī)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

　　PXI總線是PCI計(jì)算機(jī)總線的儀器擴(kuò)展，而VXI總線是VME計(jì)算機(jī)總線的儀器擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱并可形成多機(jī)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(shì)在于機(jī)箱和模塊體積更小、數(shù)傳速度更快，但PXI機(jī)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(biāo)的上限值，且尚未被IEEE定為正式標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)的高性能串行接口總線，后被IEEE接受，目前標(biāo)準(zhǔn)為IEEE1394-1995，IEEE1394總線目前的傳輸速率為100、200和400M bits/s。將來(lái)可以到3.2G bits/s。它具有兩對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線，可以用任意方式連接63個(gè)裝置。由于采用非歸零的低電平差分信號(hào)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(dòng)態(tài)畫面等視頻信號(hào)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(jī)、硬盤等設(shè)計(jì)的。

　　USB總線與IEEE1394總線的工作原理大致相同，能連接127個(gè)裝置。它的電纜更加簡(jiǎn)單，只有一對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線，工作于最高12M bits/s的中等速度，它輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜，比較適用于傳遞文件數(shù)據(jù)和音響信號(hào)，目前不少新生產(chǎn)的PC機(jī)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(diǎn)是具有熱插拔性，可以自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)組態(tài)，實(shí)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(jī)必備的接口總線。

3 發(fā)展趨勢(shì)

　　綜上所述，VXI總線儀器系統(tǒng)的思路符合信息時(shí)代的要求，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的開放結(jié)構(gòu)，把單機(jī)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(gè)國(guó)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?zèng)_擊傳統(tǒng)的通用ATE，也將對(duì)傳統(tǒng)的集成電路測(cè)試系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)!當(dāng)然，這種“沖擊”、“取代”有一個(gè)發(fā)展過(guò)程。這是因?yàn)閂XI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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

　　盡管儀器總線種類繁多、各有特點(diǎn)，但測(cè)量?jī)x器向PC機(jī)靠攏是一種必然的趨勢(shì)，模塊式測(cè)試系統(tǒng)必將持續(xù)高速發(fā)展。

　　電子測(cè)試儀器的功能不再是由按扭和開關(guān)的數(shù)量來(lái)限定，而是由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)裝的軟件來(lái)限定，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀器通用性。 頻譜分析儀| 電池測(cè)試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表|
　
　21世紀(jì)的儀器，是一個(gè)開放的系統(tǒng)概念，并隨著計(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將極大地推進(jìn)儀器儀表的智能化進(jìn)程。在測(cè)量方面，以微機(jī)和工作站為動(dòng)力，通過(guò)組建網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，這已成為一個(gè)重要發(fā)展方向。
　
　當(dāng)今時(shí)代的測(cè)量?jī)x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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中去。測(cè)量和儀器專業(yè)人員的使命就是在信息時(shí)代的浪潮中、在蓬勃發(fā)展的計(jì)算機(jī)、軟件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的舞臺(tái)上，去創(chuàng)造符合信息時(shí)代要求的“智能化”儀器——新一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，去解決信息時(shí)代提供給我們的測(cè)量課題。