测试总线的发展与展望*

朱利文，于雷，金传喜

(海军工程大学 核科学技术学院，湖北 武汉 430033)

0 引言

自动测试系统是在人极少参与或不参与的情况下，测量待测设备的相关参数，并将得到的数据进行传输、处理和存储，而后根据测试需要以特定的方式输出或显示测试结果的装置或设备[1-2]。

测试总线是自动测试系统中控制器与仪器模块之间、仪器模块与仪器模块之间、系统与系统之间的信息通道，是数据传输、处理、存储的媒介，在自动测试系统中占据重要地位[3-4]。测试总线技术的进展对整个自动测试系统的发展有推动和指导作用[5]。

1 测试总线发展历程

自GPIB(general purpose interface bus)测试总线标准面世以来，测试总线技术已发展了40多年[3-6]。测试总线发展历程如图1所示，先后出现了GPIB,VXI(VME bus extension for instrumentation),PXI(PCI extensions for instrumentation),PXIe(PCIExpress extensions for instrumentation),LXI(LAN extensions for instrumentation)和AXIe(advancedTCA extensions for instrumentation and test)等测试总线标准。测试总线不断推陈出新的发展历程推动着整个自动测试领域的快速发展[6-7]。

1.1 GPIB总线

GPIB总线由惠普公司于20世纪70年代提出，以实现仪器之间、多台仪器与计算机之间的通信[5-8]。GPIB总线是应用最早的测试总线之一[9]。

1.1.1 GPIB总线的特点

GPIB总线在经济性、互联性、兼容性等方面具有明显优势。基于GPIB总线的自动测试系统结构简单，操作方便，精度高，传输稳定可靠[8-11]。

在系统组建上，带有GPIB接口的仪器能很方便地与计算机GPIB板卡进行测试系统的组合和拆分。同时，仪器功能的扩展也非常方便；在控制方式上，每个仪器都被分配唯一的地址，由计算机对各仪器进行控制；在软件实现上，GPIB接口编程较为简单，可快速搭建系统界面[10-11]。

1.1.2 GPIB总线的应用

随着仪器设备与计算机集成技术的发展，GPIB总线的主要应用场合由传统单台仪器转向大型测试系统，广泛应用于大型、仪器独立、高精度但对速度要求不高的测试系统。GPIB总线虽然存在的时间比较长，但目前仍有市场[3,5-11]。

1.2 VXI总线

VXI总线于20世纪80年代提出，以VME计算机总线为基础，扩展同步、定时、触发等测试总线特性，而后逐渐成为标准测试总线[12-14]。

1.2.1 VXI总线的特点

VXI总线具有优良的可靠性、电磁兼容性和抗干扰能力，其数据容量大,通信速率高,模块重复利用率高且易于灵活组建系统。

在系统结构上，VXI总线仪器采用模块化设计，可靠性和可维修性得到提高；在机械结构上，VXI总线的模块和机箱尺寸固定[8]。模块有4种尺寸可供选择，单个VXI机箱最多支持13个模块，多个VXI机箱可组合成多通道系统，同时，一个系统最多连接256个器件[13]；在电气上，VXI总线采用共享式并行数据传输总线，传输速率理论上可达到40 MB/s，2.0版本可达80 MB/s，这能满足一般需求[14]；在软件设计上，采用上位机软件界面替代传统的操作硬面板。系统软件支持即插即用，兼容LabVIE,LabWindows/CVI等多种开发环境。

1.2.2 VXI总线的应用

VXI总线目前依旧是虚拟仪器开发平台的不错选择，适用于多种规模测试场合，但考虑到成本的限制，在军用、航天等领域应用较多。比如应用于测试轻武器、雷达、装甲车、导弹、火炮、飞机和运载火箭等[12-16]。同时，VXI总线也应用于冰箱、电机、汽车燃油泵、电梯等民用领域测试[8,12,16]。

图1 测试总线发展历程Fig.1 History of test bus

1.3 PXI总线

PXI总线标准由美国国家仪器公司于20世纪90年代提出[17]。PXI总线是在PCI计算机总线上增加仪器专用信号，而后将其拓展到仪器仪表领域的产物[18]。

1.3.1 PXI总线的特点

PXI总线具有体积小、成本低、集成性能好、兼容性好以及开发周期短等优势。

在系统结构上，PXI总线系统采用模块化设计。因而具有集成性能好、开发周期短等优势；在机械结构上，PXI总线仪器采用牢固的欧洲插卡式封装结构，并且物理尺寸小，更适合于上架安装以及便携使用；在电气上，PXI总线仍旧采用共享式的并行数据传输总线，传输速率可达132 MB/s，最高可达528 MB/s[19]；软件上支持Windows操作系统，VISA(virtual instrument software architecture)仪器驱动标准和应用软件[20]；在成本上，PXI总线仅为VXI总线开发成本的一半。

1.3.2 PXI总线的应用

PXI总线在物理体积、兼容性和成本上优势明显，应用于各个领域，尤其是在中低端市场中几近垄断[20]。PXI总线仪器可用于通用电子功能测试，数据采集，数字测试以及射频和微波应用等众多领域[21]。

目前，多家公司推出了PXI总线系列产品。如美国NI公司、英国Pickering公司、北京泛华测控、台湾凌华科技、陕西海泰电子公司等[17,20]。

1.4 PXIe总线

PXI系统联盟在cPCIe (compact PCIExpress)上扩展了触发、定时等功能，并于2005年推出PXIe总线标准[21-22]。

1.4.1 PXIe总线的特点

PXIe总线具有带宽高、兼容性好、抗噪声能力强、通用性好等优点。

在兼容性上，与PXI总线软硬件完全兼容[23]；在机械结构上，PXIe机箱支持PXIe外设模块以及与混合插槽兼容的PXI外设模块；在电气上，PXIe总线采用LVDS(low-voltage differential signaling)电气接口标准和串行点到点的连接方式，背板带宽从132 MB/s增加到6 Gb/s，达到了单通道2.5 Gb/s，是目前测量与测试领域的最高可用带宽[24]。PXIe还能提供差分的时钟和同步，从而仪器时钟的抗噪声性能得到进一步提高[25]。

1.4.2 PXIe总线的应用

PXIe适用于高速、高带宽的场合，例如航空航天、军工通信、工业自动化等的数据通信，也广泛应用于测试、控制、高带宽数据传输、高速数据采集等领域[26]。

目前国外的几大仪器厂商推出PXIe总线产品，如美国NI,Aglient和Ztec Instruments等都有各自的PXI /PXIe数字化仪；国内凌华科技有限公司、阿尔泰科技有限公司、研华科技有限公司以及其他科研单位都在致力于PXI/PXIe模块化仪器的研发[27]。但总的来说，目前基于PXIe总线的产品种类少，且价格昂贵。

1.5 LXI总线

LXI总线是Agilent公司和VXI科技公司于2004年9月联合推出的测试仪器平台，是LAN总线向仪器领域的拓展[8,28]。

1.5.1 LXI总线的特点

LXI总线具有集成方便、性能高、兼容性好以及高速数据吞吐量大等优点。LXI总线仪器既可以作为系统里的仪器，也可以单独使用[29]。

在体积上，LXI总线仪器与VXI或PXI仪器相当，其模块宽度可设计为半机架或全机架；在机械结构上，LXI总线无需专门的背板总线机箱和零槽控制器，集成方便；在电气上，LXI总线以并行方式进行通信，数据传输率可达到1 GB /s。LXI总线可通过IEEE 1588协议同步系统内的各类时钟，以实现本地和远程设备的同步测量。LXI总线的3类同步触发机制适用于不同场合；在软件实现上，用户只需通过Web浏览器即可实现对LXI总线系统中的仪器进行访问，同时，LXI总线符合IVI(interchangeable virtual instrument)标准的仪器驱动，这增强了不同厂商间模块的互操作性[28-31]。

1.5.2 LXI总线的应用

LXI总线适用于分布式的控制或远程控制，适合组建通用规模大小的自动测试系统，主要应用于工业、汽车、制药、电子、国防、航天等领域[24,32-33]。

1.6 AXIe总线

AXIe是以AdancedTCA规范,PXI,LXI总线标准和IVI标准为基础的开放式标准总线。该标准由AXIe联盟于2010年6月推出，以推动通用仪器和半导体测试的发展[34-36]。

1.6.1 AXIe总线的特点

AXIe总线保留AdvancedTCA模块化标准架构的优点，是一种模块化、长寿命周期、高性能、强扩展性的柔性平台[37]。同时，AXIe总线还具有LXI总线分布式测量和远程控制的优点[7,38]。

AXIe总线与其他测试总线相比，在电气上具有明显优势，这里主要描述电气性能。AXIe总线模块电路板面积可达900 cm2，插槽提供的功率可达到200 W甚至更大，配套提升散热能力；AXIe总线采用串行方式进行数据传输，18～62个通道的局部总线可使相邻模块数据传输速率达到2.5 Gb/s[39]；AXIe总线提供LAN和PCIe 2种用于功能模块和计算机之间的高速信息传递通道[40]。AXIe系统可在模块之间通过总线触发线或星形/径向触发线提供100 MHz的时钟和计时信号[41-42]。

1.6.2 AXIe总线的应用

目前，AXIe联盟现在有十多名成员正在研发相关产品。但系统产品数量和种类较少，主要在数据采集、数字测试、射频和微波以及半导体自动测试等中高端的测试测量领域[3,21,42-44]。

2 测试总线性能对比

每种测试总线都有各自的特点，本文对各种总线的主要性能进行了比较，如表1所示。

GPIB总线具有支持仪器多、市场份额大、系统结构简单、传输稳定可靠、精度高、操作方便等优点，但传输速率低、设备体积庞大，电缆柔性不佳，连接距离有限，同时连接的设备不超过15台，无法提供多台仪器同步和触发的功能，因而其发展受到限制[3,5-11]。

VXI总线突出优点在于可靠性好、电磁兼容性和抗干扰能力强。虽然与传统仪器相比，VXI系统尺寸明显缩小，数据传输速率和便携性明显提高，但VXI系统必须配置专用机箱、零槽控制器以及接口卡，因而造价昂贵，一般的用户难以接受[42]。GPIB总线和VXI总线目前处于总线寿命周期中的饱和期、废型期，将逐渐退出历史舞台。

PXI总线设备体积小,兼容性良好,开发周期短,价格相对低廉。PXI总线与VXI和GPIB总线相比，体积更小,总线带宽更高。这些良好的特性更能适应复杂工业环境的要求，使得PXI总线仪器在中低端市场中的份额最大。PXI总线目前属于成熟期，拥有非常丰富的产品供测试系统开发人员使用[21]。但PXI总线在带宽和电气架构上仍有短板[27]。

PXIe总线带宽高,体积小,兼容性好,通用性强，在软硬件上和PXI完全兼容。采用独占式串行数据传输方式，有效解决了共享式总线对系统带宽的限制,使得带宽明显高于以往测试总线，并且带宽随设备数量的增加而增加。PXIe总线目前处于成长期，产品较少、价格高，加上在功率和结构形式方面的限制，现阶段应用范围有限[25-27]。

LXI总线灵活性好,数据吞吐量大,传输速率较高且系统集成方便，仪器资源丰富，兼容通用标准的软件，不需要机箱和昂贵的电缆。但LXI总线存在的任务调度、负载均衡以及协同合作以及数据传输存在延时、丢帧、安全性等问题，这制约了LXI总线的进一步发展。同时，LXI总线的系统搭建方式可能将自动测试系统与测试对象完全隔开，在这种情况下，如果系统发生故障，将无法在仪器现场解决问题[28,31]。

表1 总线性能比较Table 1 Comparison of test bus performance

AXIe总线系统可提供的总功耗和电路板空间大约是同等规模的PXI总线2倍，这能满足高功耗的测试需求，而且解决了PXI和PXIe总线模块对电路板面积的限制问题。同时，AXIe总线提供了更高的数据吞吐量和更低的数据延迟[33]。但AXIe总线正处于引导期，相关技术深入研究不够，产品少，应用范围小，这制约了AXIe总线的推广进度和速度[43-44]。

3 测试总线发展方向

通过对6种测试总线主要性能和发展现状的分析，总结出测试总线技术有如下3个主要发展方向：

3.1 串行总线应用更具前景

高新技术在测试对象上的应用，要求自动测试系统具有大的数据吞吐量、支持数据高速传输等特点[45]。为提高传输速率，传统的并行总线通常采用2种方式。

第1种是采用提高采样频率的方式。但随着采样频率的不断提高，并行总线存在的码间串扰问题将越来越严重，数据传输的可靠性和稳定性得不到保证。

第2种是增加位宽。但位宽的增加是通过增加线缆数量来实现，线缆增多带来的风险是信号完整性难以保证[46]。因此，这2种方式都有明显不足。

同时，当并行总线连接多个设备时，其有效带宽将大幅降低，传输速率将变慢。传统的并行总线数据传输方式限制了数据传输速率，已不能满足高速等现实需求[47]。

通过对6种测试总线的发展历程分析发现，由GPIB,VXI,PXI等并行总线，逐步向PXIe,LXI,AXIe等串行总线发展。在要求信息传输速率高等场合，串行总线比并行总线更具有前景。

串行总线点对点的传输方式和交换架构使得每个设备可以独立享用带宽，并且串行总线的电压摆幅小，这大大提高了数据传输速率，减少了线缆数目和布线工作量，降低了功耗和信号线间的电磁干扰，节省了模块的空间和成本[7]。例如，PXIe总线有效解决了VXI和PXI共享式总线对系统带宽的限制，并使系统带宽随PXIe设备数的增加而增加[22]。

3.2 混合总线

随着技术的发展和测试任务的加重，测试对象数量不断增多、结构日趋复杂，这使得测试需要的测试仪器种类和数量增多，从而对自动测试系统提出了高要求[45]。目前，基于单一总线的自动测试系统存在无法满足测试需求的情况。

在进行系统设计时，为满足复杂测试需求，同时充分利用测试资源、降低成本，测试人员会综合使用多种测试总线，以搭建满足测试需求的混合总线自动测试系统。多种测试总线混合使用，已成为测试总线未来发展的一种趋势[7,42,48]。

一方面，测试总线更新换代的周期差不多为10年，并且仪器接口朝着多元化方向发展，所以在测试人员工作的单位，具有多代总线仪器同时存在的客观条件。

另一方面，典型的测试总线标准都有各自优点和不足。多种总线并存可实现性能互补，从而优化总线特性参数。

近年来，国内外多名测试人员对混合总线技术进行研究与应用。目前，混合总线的应用形式大体上可分为2种总线混合和多种总线混合。

3.2.1 2种总线混合形式

2种总线混合形式为通过特定的适配器(如适用于导弹测试系统的专用适配器[49])，将A总线测试仪器接入到B总线测试系统中。

Kevin Paton[50]将现有的基于PXI总线的仪器和基于VXI总线的仪器组合在一起，提出了多种仪器的接口和布线解决方案，以实现仪器资源共享；范宇[51]设计了一套基于LXI总线与PXI主系统的混合总线控制电源系统；郭晓冉等[52]采用GPIB总线和PXI总线的混合总线形式设计系统，以满足微波信号的屏蔽要求以及校准系统体积小的需求。

3.2.2 多种总线混合形式

多种总线混合使用的情况更为常见，一般以某种总线为骨干，其他总线仪器通过适配器或转换器连接到该总线上。典型的3种混合总线自动测试系统分别如图2～4所示。

李洪涛[53]等针对靶场测试需求，整合成熟的GPIB,VXI和PXI总线测试仪器，设计了混合总线网络化ATS硬件结构，并提出了基于接口适配器或网关设备的组网方案；李艳春等[54]提出一种基于LAN总线，并将GPIB,VXI和PXI总线设备功能整合在一起的混合总线自动测试系统。该系统通用性强，简化了系统软硬件设计，并可实现集中控制、分散测量；邱云萍等[55]将VXI,GPIB,IEEE 1394总线集成于一体，设计了用于板极电路的功能测试和故障诊断的多总线自动测试系统。该系统操作简单、通用性好，不但提高了故障诊断效率，而且降低了测试成本；Michael Stora等[56]基于IEEE-P1693标准将VXI,PXI,LXI等多个测试总线整合于一个机箱以搭建自动测试系统，该系统成本低,体积小,兼容性好；许晴等[57]提出了基于WLAN的分布式ATS测试方案，该方案通过无线总线桥将GPIB,VXI和LXI总线测试设备整合在一起，满足测试设备模块化、小体积、携带方便等设计要求。QIAO Jia-qing等[58]提出了一种将AXIe,PXIe,LXI和GPIB仪器集成在一起的混合自动测试系统架构，该架构以AXIe系统作为自动测试系统的主要功能部分，由AXIe背板、AXIe系统模块和PXIe/AXIe适配器组成测试系统平台，如图4所示。支超有等[59]通过实验证明，混合总线测试系统在飞机液压系统地面模拟试验中的应用，提高了测试效率,缩短了试验周期。

图2 基于LXI总线的混合总线自动测试系统Fig.2 ATS of hybrid test bus based on LXI

3.3 非标专用总线

目前，基于现有测试总线标准的设备总体上性能指标比较高，广泛应用于各种测试场合。测试人员可从标准测试总线中挑选一种总线来进行自动测试系统设计。标准测试总线系统按照固定总线标准设计，其电气结构、机械结构均有严格标准，设备体积、传输速率、时延、插槽功率等特性参数都是固定值，但这种标准化的设计方案存在明显不足。一方面限制了测试系统的自主研发；另一方面，对某些参数有特殊要求的测试系统而言，标准化的测试总线已不能满足测试需求[60]。另外，某些军用装备测试系统在考虑安全性、可靠性和实用性的要求下，需要采用某些专用的测试总线。因此，非标专用总线有其存在的必要性。

目前，已有多家公司和学者从事这方面的研究，这也将是测试总线未来发展的一个方向。哈尔滨工业大学[61-62]针对标准总线测试仪器存在配置与管理资源封闭不适合导弹测试的应用场合，测试资源相对于导弹日常维护需求过于冗余不利于测试系统的轻小型化等问题，采用开放式的自定义总线架构和模块化的设计方法。这种方法对仪器资源进行有效的压缩，实现了测试系统的轻小型化；李学哲等[63]分别从硬件逻辑和软件协议上定义了一种新的测试总线LCB总线，成功搭建了基于LCB总线的自动测试系统。LCB总线电气部分借鉴GPIB标准，采用无源背板和逻辑电路进行消息的传输、编码和译码。LCB总线机械部分借鉴PXI总线，机箱和模块采用6U标准尺寸，形成单机箱多模块结构的卡箱式仪器体系结构；吉林大学[64]通过自定义的RMS (reconfigurable monitoring system)总线将独立的模块化仪器连接起来，搭建可重构测控系统。功能模块采用3U标准尺寸，并通过RMS总线与控制板卡进行信息传递。采用LabVIEW对模块化仪器进行控制，同时可对数据进行分析、处理和显示。整个系统功能强大，能满足特定的需求；陈永雷等[65]针对专用总线电路板模件，设计了专用总线电路模件测试维修平台。该平台已应用到实际中，具有通用性好、成本低、可靠性高等特点。

图3 基于PXI总线的混合总线自动测试系统Fig.3 ATS of hybrid test bus based on PXI

图4 基于AXIe总线的混合总线自动测试系统Fig.4 ATS of hybrid test bus based on AXIe

4 结束语

测试总线自面世以来，先后出现了GPIB,VXI,PXI,PXIe,LXI和AXIe等总线标准。每种总线都有其特点和应用场合。GPIB总线成本低、精度高、兼容性好，但带宽低，主要应用于大型、仪器独立、精度高但对速度要求不高的场合；VXI总线具有高可靠性，电磁兼容性和抗干扰能力好，但成本高，广泛应用于军用、航天等要求高稳定的场合；PXI总线体积小、兼容性好、成本低，在中低端市场中的份额最大；PXIe总线体积小、带宽高、兼容性好，但目前产品较少，价格高。PXI和PXIe总线在结构和功率等方面存在不足，不适合应用于大型复杂场合；LXI总线灵活性和兼容性好，并能支持高速传输，但现场可维修性差，数据传输可靠性和安全性存在风险，适用于分布式或远程测试场合。AXIe总线支持高功耗，数据吞吐量大、数据延迟低，但相关技术研究不够成熟，产品少，应用于高速、大数据量的场合。

为解决测试需求日趋复杂的现状，测试总线发展呈现如下3方面的特点：

(1) 保证系统稳定、信号完整的前提下，为满足数据吞吐量大、数据传输速率高的需求，测试总线已呈现由并行总线向高速串行总线方向发展的趋势。

(2) 为充分利用测试资源、降低成本，解决单一总线自动测试系统存在无法满足测试需求的情况，将多种测试总线混合应用于同一测试系统。

(3) 为解决有特殊测试要求但受限于现有总线标准的场合，采用自主设计非标专用总线的解决方案。

测试总线技术的发展，推动和指导着基于总线的自动测试系统的发展。随着对测试总线研究的不断深入,总线性能将不断优化。深入开展测试总线理论和应用研究，具有重要意义，将对自动测试系统的发展产生巨大影响。