1.1 自動測試系統(tǒng)的基本概況

1.1.1 自動測試系統(tǒng)和通用接口的基本概念

與傳統(tǒng)的專用測試儀器不同，自動測試系統(tǒng)強調在計算機的控制下，由若干可程控的通用設備共同完成測試任務。這里最常用的通用設備是各種形式的可程控信號源、可程控數(shù)據(jù)采集器（包括數(shù)字表、示波器、頻譜分析儀等）、可程控多路通道開關和可程控輸出設備（打印機、繪圖儀等）。

如圖1-1所示，這是一個用于檢查放大器線性度的的自動測試系統(tǒng)。測試激勵信號由程控信號源發(fā)出，接入被測設備的輸入端。程控數(shù)字萬用表在多路通道開關的切換作用下，依次測量被測設備的輸入端和輸出端，然后用計算機算出結果（增益系數(shù)），再由程控繪圖儀畫出誤差關系曲線。這里采用比較法，同時測量被測設備的輸入和輸出是為了充分發(fā)揮數(shù)字萬用表的精度優(yōu)勢，從而降低對信號源本身精度的要求。注意，盡管該系統(tǒng)中的程控信號源、數(shù)字萬用表、多路通道開關、繪圖儀和微計算機仍然分別起到激勵、測量、通道、記錄和數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)作用，然而當它們之間能夠在一個系統(tǒng)控制器（通常為一臺PC）的指揮下實現(xiàn)相互通信后，系統(tǒng)就形成一個能夠完成新任務的有機整體。

設備之間的通信需要協(xié)議，要對通信網(wǎng)絡的構型、信號傳遞的方式、接口的電氣/機械和功能特性做出明確的規(guī)定。然而在通用接口技術出現(xiàn)以前，這一切工作都需要系統(tǒng)的組建者自己完成。系統(tǒng)組建者要為系統(tǒng)中各組成設備設計專用的接口來適應計算機控制的要求，為此往往需要較高的技術和較長的時間，以致接口問題一度成為組建自動測試系統(tǒng)的主要障礙。于是人們設想建立一種通用的標準化接口，試圖讓全世界所有的廠家都按照同一種標準設計可程控設備的接口。這樣，當用戶組建自己的測試系統(tǒng)時，只需用一根標準的無源電纜將帶有這種接口的設備與計算機連接起來。

接口系統(tǒng)的這一革命是由當時美國的HP公司率先提出的，因其基本構型為總線式結構，故稱HPIB（Hewlett-Packard Interface Bus）。這項技術在歐洲推廣后，又被稱為GPIB（General Purpose Interface Bus），即通用目的接口總線。美國電氣與電子工程師學會（IEEE）在1975年通過了正式文件，將其命名為IEEE488，國際電工委員會（IEC）表決后形成IEC-625文件。從此這項技術就成為組建自動測試系統(tǒng)的國際標準，目前國際上幾乎所有的儀器廠家都為自己的儀器配上了這種通用接口。以這種接口總線為基礎組建自動測試系統(tǒng)，人們可以不分廠家、國別，只是根據(jù)測試的需要在全世界范圍選用最合適的設備，然后直接用一條標準電纜將它們依次連接起來，就可以編寫測試軟件，靈活地完成各種復雜的測試任務。

1.1.2 GPIB接口的基本概況

GPIB接口技術的實質是為自動測試系統(tǒng)中各設備之間相互通信建立一個協(xié)議。在GPIB總線的16根信號線中，有8根信號線作為數(shù)據(jù)線，以串行字節(jié)的方式傳遞信息，被稱為多線消息。而另外8根信號線各起各的作用，被稱為單線消息。其中3根線為握手線（HandShake），即在每一次多線消息傳遞的過程中，都要通過它們做一次“三線握手”的工作，以確保多線消息準確無誤、毫不含糊地完成異步通信的任務。每個GPIB設備使用一個0-30的地址作為設備的基本標識方法，這個地址通常由設備后面板上一個按8421編碼的指形撥動開關設置。從圖1-2給出的某GPIB儀器的后面板中，可以看到GPIB接口插座的樣式和地址開關的形式。

GPIB系統(tǒng)通常包括若干具有聽、講接口功能的設備，作為控制器的計算機還需要接口支持控者功能（也稱控功能）。其典型的工作過程是由控制器的系統(tǒng)控者功能初始化總線上所有的設備，并使它們進入“遠地控制”狀態(tài)，由控制器的責任控者功能任命總線的一個儀器設備為講者，另一個或另幾個儀器設備為聽者，然后使進入講者作用狀態(tài)和聽者作用狀態(tài)的設備在“三線握手”的保證下，一個字節(jié)一個字節(jié)地通過數(shù)據(jù)總線傳遞儀器消息。目前，大多數(shù)GPIB測試系統(tǒng)的控制器是在PC中配置必要的GPIB接口卡和相應軟件實現(xiàn)的，通過總線中的一條專用信號線的單線狀態(tài)將其多線消息的命令分為接口消息和器件消息，前者可以用來配置接口功能，如任命講者、聽者，后者則可具體實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的傳輸。

GPIB接口采用一種豬脊型的24芯專用連接器，對于16根信號線以外的其他連接線被用做接地線和屏蔽絞線。連接器裝在連接電纜的兩端，由一個插頭和一個插座背靠背地組裝而成。因此當把其插頭插入儀器的接口插座時，也同時自然地將另一個插座提供給其他連接電纜。圖1-3給出了連接器的外形和連接形式。

為了確保通信的可靠性，同時使連接在GPIB總線上的儀器被限制在15臺以下，通信距離限制在20m內(nèi)，目前通信速度的上限可達1MB/s。

從IEEE于1975年、IEC于1977年公布有關GPIB的標準以后，經(jīng)過十幾年的實際推廣，得到了全世界范圍各國主要儀器制造業(yè)的認同和響應。以GPIB總線接口為基礎建立的測試系統(tǒng)遍布各行各業(yè)的各個領域，這種發(fā)展給廣大測試工作者組建系統(tǒng)帶來極大的方便，也使他們逐步熟悉了GPIB技術，從而提出了更高的要求。這些要求集中表現(xiàn)在對編碼、格式、通信協(xié)議、程控命令方面的標準化。在這種背景下，IEEE在1989年公布的IEEE488.1和IEEE488.2兩個文件以及SCPI規(guī)范，及時地解決了這一問題。IEEE488.1的名稱是“對于可程控儀器的標準數(shù)字接口”, IEEE488.2的名稱是“使用可程控儀器IEEE標準數(shù)字接口時的編碼、格式、規(guī)程和通用指令”。前者的內(nèi)容與IEEE488的內(nèi)容基本相同，仍為通用接口在電氣、機械和功能上的規(guī)定；后者則主要針對儀器消息的傳遞，對消息交換的控制操作、消息描述的語法、通用指令的設置、通用狀態(tài)的描述、同步執(zhí)行的實現(xiàn)和儀器地址的自動組態(tài)等方面，在原先文件的基礎上進行了較大的修訂和擴充。同時SCPI還對各類儀器的程控命令做了詳盡的規(guī)定，從而使新的GPIB系統(tǒng)不僅在接口功能的工作方式上得到了統(tǒng)一，而且在儀器控制的工作方式上也得到了統(tǒng)一。

GPIB接口總線技術是相當成功的，30年經(jīng)久不衰，至今仍在自動測試領域發(fā)揮著重要的作用。但該技術也存在兩個比較明顯的缺點：其一是受8位數(shù)據(jù)線的限制，在一些場合顯得傳輸速率不夠快；其二是系統(tǒng)由分開的臺式儀器設備組成，占用了較大的工作空間。

1.1.3 VXI儀用總線的基本概況

針對GPIB在工作速度和占用空間等性能上的限制，特別是軍事上對測試系統(tǒng)的更高要求，促使人們開始進一步的探討。1987年，惠普、泰克、雷卡、Colorado Data和Wavetek等5家著名測試和儀器公司的工程技術代表組成了一個聯(lián)合體，推出一種在VME總線基礎上擴展而成的模件化儀器的公用系統(tǒng)結構，命名為VXI。經(jīng)過幾度修改后，于1992年被美國電氣與電子工程師學會批準，成為IEEE1155標準。從此符合VXI總線規(guī)范標準的儀器及系統(tǒng)被稱為VXI儀器及VXI儀器系統(tǒng)。1993年又進一步制定了VXI即插即用（VXI Plug & Play, VPP）標準，并成立了VPP系統(tǒng)聯(lián)盟。1996年，VXI總線系統(tǒng)實現(xiàn)了全球標準化，VXI市場也形成了一定的規(guī)模。VXI模件和系統(tǒng)的銷售額開始以每年遞增30%～40%的高速度發(fā)展，這種情況遠遠超過了同時期其他儀器的增長率。

VXI總線是VMEbus eXtensions for Instrumentation的縮寫，即VME總線在儀器領域的擴展。VME總線是一種在工業(yè)控制領域中獲得廣泛應用的高性能微機總線，其32位字長、高達40MB/s的傳輸速率和多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議顯然能夠為高速、高精度、高可靠性的現(xiàn)代測試任務提供很好的硬件基礎。同時，針對自動測試系統(tǒng)儀器模件之間同步、觸發(fā)以及電磁兼容和供電電源的特殊要求，VXI增加了10MHz和100MHz的時鐘線、用于判別卡式儀器的模件識別線、8條并行的TTL觸發(fā)線和2～6條并行的ECL觸發(fā)線、用于模塊間準確定時的“星形觸發(fā)”線、50歐終端模擬相加線、12～36條連接相鄰模件的本地總線，并提供了±2V、+5V、±12V、±24V和-5.2V的完整電源功能。

如圖1-4所示，VXI在結構上與GPIB臺式儀器及疊層機架方式不同，VXI采用卡式儀器配置機箱的方式。完整的VXI測試系統(tǒng)由一個或多個VXI子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)由配置了電源、0槽控制器和有關卡式儀器模件的VXI機箱組成。VXI總線儀器沒有傳統(tǒng)意義的操作面板，對VXI儀器的操作與顯示，通常都需借助PC主機完成。VXI機箱與PC主機之間的數(shù)據(jù)通信可采用不同方式，如IEEE488、RS-232C、IEEE1394、USB等標準總線，以及諸如MXI等專用總線。系統(tǒng)組成包括主計算機、機箱、卡式儀器模件、軟件等。

VXI總線的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）性能優(yōu)越。系統(tǒng)傳輸速率快，VXI總線背板數(shù)據(jù)傳輸速率達40MB/s以上，增擴的本地總線則達100MB/s。而且不同等級器件優(yōu)先權中斷的使用，更能高效地利用數(shù)據(jù)總線。VXI總線采用公用電源、公用冷卻和高效的CPU管理，結構設計緊湊，縮小了測試系統(tǒng)的體積。機箱及模件設計遵循軍用標準，一般模件的平均無故障時間在104h以上。

（2）系統(tǒng)配置靈活方便。國際上有幾百個廠家共生產(chǎn)配套產(chǎn)品幾千種，數(shù)字多用表、信號源、示波器等傳統(tǒng)儀器均有相應的VXI總線模塊化產(chǎn)品。機箱可通過MXI擴充，并可靈活選用外置PC或嵌入式主機，容易滿足測試系統(tǒng)的更新要求。VXI系統(tǒng)采用虛擬儀器面板，易于滿足用戶的不同要求。

（3）軟件標準化程度高、開發(fā)環(huán)境好。VXI總線系統(tǒng)不但可以兼容IEEE488.2的可程控儀器接口操作方式和SCPI的標準程控命令，而且還可直接使用諸如語言編程開發(fā)軟件Lab-Windows/CVI和圖形編程的開發(fā)軟件VEE、Labview等軟件開發(fā)工具。

（4）系統(tǒng)維護簡單、升級容易。自檢后可及時發(fā)現(xiàn)故障模件，故可自行處理。用VXI組建較小系統(tǒng)時最初投資可能較高，但擴展系統(tǒng)功能時所增模件的投入要比通常增添傳統(tǒng)儀器的開銷少得多。

1.1.4 VPP軟件規(guī)范概況

為了使VXI儀器易于使用，并在系統(tǒng)級上使VXI總線系統(tǒng)成為一個真正開放的系統(tǒng)結構，1992年9月，NI、泰克等公司組成了一個開放式測試系統(tǒng)聯(lián)盟組織（OMS），著手解決虛擬儀器軟件結構統(tǒng)一定義與規(guī)范的問題。1993年9月，在OMS組織的基礎上，NI、泰克、雷卡等5家公司聯(lián)合成立了VXI總線即插即用（VPP）系統(tǒng)聯(lián)盟，通過定義和推行一些標準化準則和操作規(guī)程，來解決VXI總線規(guī)范中尚未包含的系統(tǒng)級問題。VPP系統(tǒng)聯(lián)盟內(nèi)部由生產(chǎn)廠家聯(lián)合會與用戶協(xié)會兩大部分組成，生產(chǎn)廠家聯(lián)合會成員共同承擔組織費用，而用戶則可免費申請加入。聯(lián)盟通過Internet網(wǎng)絡論壇、E-mail通信與學術研討會等多種形式，進行系統(tǒng)開發(fā)與應用的經(jīng)驗交流與意見反饋，進一步維護和完善VPP規(guī)范。

VPP規(guī)范的目的是為了解決不同生產(chǎn)廠家的VXI產(chǎn)品在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的易操作性與互操作性問題，并為最終用戶提供進行系統(tǒng)維護與再開發(fā)的能力。VPP不僅著眼于VXI儀器硬件模塊與軟件模塊的設計，更注重于結構化、模塊化的虛擬儀器系統(tǒng)設計。系統(tǒng)中總線的I/O接口控制軟件、儀器驅動程序與應用程序自下而上地構成了虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構：I/O接口軟件駐留在主計算機中，作為儀器驅動程序的底層函數(shù)，支持對總線的操作；每個儀器模件都有自己的儀器驅動程序，用于完成特定儀器的各種功能，它是應用程序實現(xiàn)儀器控制的橋梁；系統(tǒng)應用程序直接面對用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，完成各種自動測試任務。VPP規(guī)范強調了用戶在儀器系統(tǒng)開發(fā)與維護過程中的重要作用，VXI即插即用規(guī)范不僅對儀器生產(chǎn)廠家開放，也對用戶開放，它不僅是虛擬儀器系統(tǒng)的設計指導規(guī)范，也是虛擬儀器系統(tǒng)的應用指導規(guī)范。VPP系統(tǒng)的核心是一個統(tǒng)一的I/O接口軟件（VISA）規(guī)范，不僅適用于VXI卡式儀器，也適用于GPIB臺式儀器、RS-232串行接口支持的多種設備。這樣，就為不同接口在同一平臺中運行提供了統(tǒng)一的基礎，在VISA基礎上編寫的儀器驅動程序和軟面板程序也都成為統(tǒng)一格式的標準軟件模塊。