電子測試儀器的發(fā)展趨勢
1　前　言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數據通信、網(wǎng)絡(luò )工程和信息管理等系統性能的巨大改進(jìn)，出現了將自動(dòng)測試技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)展結合起來(lái)的時(shí)機。在短短幾年的時(shí)間里，測試工業(yè)就經(jīng)歷了一場(chǎng)徹底改變測試技術(shù)決策的革命。測試系統正沿著(zhù)計算機化、標準化和網(wǎng)絡(luò )化三大趨勢發(fā)展。

　　實(shí)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(hù)界面、分布式多任務(wù)處理方式、網(wǎng)絡(luò )功能等等，都很快應用并移植到儀器和測試系統中。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(shí)用的自動(dòng)測試系統，與計算機技術(shù)的結合成為測試和儀器發(fā)展的主潮流�，F在，個(gè)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備上反映出來(lái)。今后，先進(jìn)的電子測試儀器將通過(guò)計算機把測量、測試、數據采集、數據處理、自動(dòng)調節、自動(dòng)控制、自動(dòng)校準等應用領(lǐng)域溝通，使研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控
制、維修計量等各個(gè)環(huán)節的測試、測量標準化、系統化。

　　計算機由于它的可擴展性，通過(guò)總線(xiàn)擴展槽、接口卡或裝置艙把計算機總線(xiàn)與外部?jì)x器連接起來(lái)，利用軟件開(kāi)發(fā)工具以增加功能或運用于新的領(lǐng)域。它與傳統儀器相比，它的工作面板是虛擬的，這種虛擬面板是用各種高級語(yǔ)言或工具軟件編制而成顯示在計算機屏幕上，通過(guò)鼠標來(lái)激活各功能鍵(這就相當于傳統儀器的操作旋扭)控制硬件達到測試目的，由于這種儀器是在計算機上實(shí)現，其智能化程度和數據處理能力大大超過(guò)了傳統的儀器。隨著(zhù)測試儀器和測試技術(shù)的不斷提高，儀器總線(xiàn)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(xiàn)的發(fā)展

　　近些年來(lái)，自動(dòng)測試系統經(jīng)歷了許多變化，而這種系統中接口系統已從專(zhuān)用的逐漸發(fā)展成為通用的接口系統，通用性對于一個(gè)接口系統來(lái)說(shuō)是最為重要的，要把不同國家，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設備(包括儀器、儀表、計算機)互相連接在一起，構成一個(gè)自動(dòng)測試系統，就需要各個(gè)廠(chǎng)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(gè)方面都需要有統一的規定，實(shí)現標準化。從而使通過(guò)這種辦法定義的接口適用于范圍廣泛的測試儀器，同時(shí)也使構成一個(gè)完整的自動(dòng)測試系統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(xiàn)：

2.1　S-100標準總線(xiàn)

　　S-100標準總線(xiàn)是微處理機系統內部的標準總線(xiàn)，由100條電源線(xiàn)和信號線(xiàn)組成，其中75個(gè)引腳的名稱(chēng)和功能有明確定義，9個(gè)有名稱(chēng)而沒(méi)有詳細規定，16個(gè)未定義，用戶(hù)可以自定義。

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

2.2　EIA RS-232C串行接口總線(xiàn)

　　EIA RS-232C標準的全稱(chēng)是ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION RECOMMEND STANDARD-232C。即電子工業(yè)協(xié)會(huì )推薦標準。RS-232C是連接CRT終端和調制解調器時(shí)的一種串行接口總線(xiàn)，其信道長(cháng)度小于15米。與現在常用的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(xiàn)少，結構簡(jiǎn)單。然而，它實(shí)際上并不是儀器總線(xiàn)。雖然大多數微機都裝有RS-232通信接口，因而也可以作為儀器控制器使用。但是，它不能區分識別儀器，亦即不能構成儀器系統。RS-232最突出的優(yōu)點(diǎn)是作為通信接口，它能夠通過(guò)調制解調器在電話(huà)網(wǎng)絡(luò )上長(cháng)距離(最長(cháng)200米)傳輸數據。

2.3　CAMAC接口總線(xiàn)

　　隨著(zhù)自動(dòng)測試系統的迅速發(fā)展，插件儀器開(kāi)始普及，但控制和連接方式五花八門(mén)，達不到標準化。唯一有影響的插件儀器總線(xiàn)是CAMAC接口總線(xiàn)，它是專(zhuān)門(mén)為核子測量?jì)x器而設計的，當時(shí)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(xiàn)的作用作出規定。因此，CAMAC是一般的儀器互連總線(xiàn)，70年代后逐漸被其他總線(xiàn)所取代。

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

　　IEEE-488接口是IEEE規定的一種儀器標準接口，信道總長(cháng)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。美國HP公司(HEWLETT-PARCKARD COMPANY)最先研究這個(gè)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(huì )(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(xiàn)由載有TTL電平信號的16條信號線(xiàn)組成，其中8條用于數據雙向傳輸，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(xiàn)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(xiàn)的通用性大大促進(jìn)了測量?jì)x器和測量系統的發(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(xiàn)的測試儀器，這些測試儀器被廣泛使用，并且在今后相當長(cháng)的一段時(shí)間內，還會(huì )繼續使用。

2.5　VXI系統總線(xiàn)

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

　　VXI總線(xiàn)儀器系統頗具PC結構特色和VME總線(xiàn)特色，與在電子儀器領(lǐng)域經(jīng)受了多年實(shí)踐考驗的GPIB緊密地結合起來(lái)，實(shí)現了計算機控制模塊化儀器系統的新構想，因此，VXI總線(xiàn)系統的確切叫法應是“計算機控制模塊化儀器系統”。

　　VXI總線(xiàn)儀器引來(lái)了自動(dòng)測試系統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(guān)念上的一大飛躍。它全面、深刻的影響并且改造了傳統ATE(不管是“專(zhuān)用”的還是“通用”的ATE)。在接口與總線(xiàn)方面，VXI總線(xiàn)綜合了PC機總線(xiàn)速度高的特點(diǎn)和GPIB總線(xiàn)精度高的特點(diǎn)，優(yōu)勢互補，提高了總線(xiàn)總體性能。在軟件方面，VXI總線(xiàn)儀器系統既充分利用了PC機的通用軟件、操作系統、高級語(yǔ)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(gè)從程控儀器標準命令、儀器之間信息交換到系統操作運行程序高度統一的軟件環(huán)境�！　�

　　為了充分利用已有資源，VXI總線(xiàn)儀器系統開(kāi)發(fā)了與其它總線(xiàn)體系連接和轉換模塊，這就使得VXI總線(xiàn)系統具有巨大的包容性，可與任何總線(xiàn)系統的儀器或系統聯(lián)合工作。VXI總線(xiàn)儀器系統的成功之處在于：最大限度的標準化，涉及到ATE的各關(guān)鍵環(huán)節；開(kāi)放式結構，體現在硬件和軟件上�？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應用在諸如高速數傳和數字測試的場(chǎng)合。而且，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，VXI總線(xiàn)系統已成功地利用于微波頻段。預計2000年它將成為程控儀器的主流總線(xiàn)。

2.6　PXI系統總線(xiàn)

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

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

2.7　IEEE1394總線(xiàn)及USB串行總線(xiàn)

　　IEEE1394總線(xiàn)是由蘋(píng)果電腦公司在1989年設計的高性能串行接口總線(xiàn)，后被IEEE接受，目前標準為IEEE1394-1995，IEEE1394總線(xiàn)目前的傳輸速率為100、200和400M bits/s。將來(lái)可以到3.2G bits/s。它具有兩對信號線(xiàn)和一對電源線(xiàn)，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傳輸可以得到很高的數傳率，可以等步或異步傳遞，特別適用于動(dòng)態(tài)畫(huà)面等視頻信號的傳輸。這種專(zhuān)門(mén)用于大量數據傳輸的串行接口是專(zhuān)為諸如數字相機、硬盤(pán)等設計的。

　　USB總線(xiàn)與IEEE1394總線(xiàn)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，只有一對信號線(xiàn)和一對電源線(xiàn)，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據和音響信號，目前不少新生產(chǎn)的PC機已裝配了這種接口。它與IEEE1394總線(xiàn)工作于不同頻率范圍，可相互配合，相得益彰。

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

3 發(fā)展趨勢

　　綜上所述，VXI總線(xiàn)儀器系統的思路符合信息時(shí)代的要求，它通過(guò)標準化的開(kāi)放結構，把單機與系統、硬件與軟件、制造廠(chǎng)與用戶(hù)的關(guān)系規范化。它的思想已被數十個(gè)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將迅速沖擊傳統的通用ATE，也將對傳統的集成電路測試系統提出挑戰!當然，這種“沖擊”、“取代”有一個(gè)發(fā)展過(guò)程。這是因為VXI總線(xiàn)最初的軟件未作規定，而控制方式完全與IEEE488兼容，因此，目前還是兩者共同構成自動(dòng)測試系統。

　　盡管儀器總線(xiàn)種類(lèi)繁多、各有特點(diǎn)，但測量?jì)x器向PC機靠攏是一種必然的趨勢，模塊式測試系統必將持續高速發(fā)展。

　　電子測試儀器的功能不再是由按扭和開(kāi)關(guān)的數量來(lái)限定，而是由計算機存儲器內裝的軟件來(lái)限定，實(shí)現計算機和現代儀器通用性。 頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)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(chǎng)測試儀| 電源供應器| 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(gè)開(kāi)放的系統概念，并隨著(zhù)計算機總線(xiàn)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)和虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應用，將極大地推進(jìn)儀器儀表的智能化進(jìn)程。在測量方面，以微機和工作站為動(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。
　
　當今時(shí)代的測量?jì)x器要求能把自身融合到信息設備系統中去，也即融合到計算機系統中去。測量和儀器專(zhuān)業(yè)人員的使命就是在信息時(shí)代的浪潮中、在蓬勃發(fā)展的計算機、軟件、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的舞臺上，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)測試系統，去解決信息時(shí)代提供給我們的測量課題。