集成傳統(tǒng)測(cè)試儀器與模塊化儀器

硬件標(biāo)準(zhǔn)包括VXI，PXI和AXIe模塊。LXI標(biāo)準(zhǔn)定義的以太網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)，為傳統(tǒng)測(cè)試儀器廣泛采用，IVI標(biāo)準(zhǔn)定義的是儀器軟件。本文將介紹如何使用這些標(biāo)準(zhǔn)，集成模塊化儀器和傳統(tǒng)測(cè)試儀器，成為一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)是控制器接口和所需軟件。

過多的標(biāo)準(zhǔn)好像增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，從某些方面，這些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上融合為兩類主要接口：LAN和PCIe，盡管GPIB仍在廣泛使用并將持續(xù)，傳統(tǒng)臺(tái)式儀器已經(jīng)開始轉(zhuǎn)移到LAN，采用LXI協(xié)議傳輸命令和數(shù)據(jù)。同時(shí)，三種模塊標(biāo)準(zhǔn)VXI，PXI和AXIe正在融合到基于PCIe作為其控制器和儀器之間的主要接口：VXI總線聯(lián)盟最近采納了VXI 4.0規(guī)范，允許基于PCIe的通訊，PXI已經(jīng)升級(jí)到PXIe很多年，AXIe也采用PCIe作為其主要接口。從控制和軟件角度，采用PCIe與這三種模塊化儀器的通信非常相似，而對(duì)于系統(tǒng)控制器來講幾乎是透明的。

第三類產(chǎn)品--某一個(gè)廠商專賣的模塊化系統(tǒng)--不遵從于這三種模塊化規(guī)范。雖然形式是模塊化，這種系統(tǒng)的典型表現(xiàn)更像采用LXI接口的傳統(tǒng)儀器。本文中，把它們歸于其他傳統(tǒng)儀器一類。

如果決定采用哪種：傳統(tǒng)儀器，還是模塊化儀器，抑或兩者結(jié)合時(shí)，工程師們必須考慮幾個(gè)因素。傳統(tǒng)儀器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，幾乎任何類型的產(chǎn)品都有，編程接口易用，可以作為手動(dòng)操作的臺(tái)式儀器使用。開放的模塊化系統(tǒng)通常尺寸更小，靈活性更大，速度更快。符合VXI，PXI和AXIe標(biāo)準(zhǔn)的開放系統(tǒng)可以在同一塊機(jī)架上集成不同廠商的模塊化產(chǎn)品。

例如，假定某用戶選擇在基于PCIe模塊機(jī)架上，PXI或AXIe，集成兩種傳統(tǒng)LXI儀器。

上圖所示，一臺(tái)控制器用LAN與傳統(tǒng)儀器連接，用PCIe與模塊機(jī)架連接。這是邏輯模型，不需要物理模型。在模塊化系統(tǒng)中，控制器可以被安裝在機(jī)架上。為了軟件繼承，我通常先考慮外部接口模型，以后再回到嵌入式控制器的特例。

兩種接口的回顧

LXI是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的一系列協(xié)議。LXI儀器有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ-45連接器并提供10Mbps,100Mbps,1Gbps以太網(wǎng)速度。考慮到8比特是1字節(jié)，以及因以太網(wǎng)協(xié)議損失的一些帶寬，相應(yīng)的速率約為1Mbyte/s,10Mbyte/s和100Mbyte/s，盡管儀器上的接口使用與計(jì)算機(jī)LAN口相同的以太網(wǎng)規(guī)范，儀器很少不用中間路由器或交換機(jī)而直連。

PCIe是計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線，主要設(shè)計(jì)用于嵌入式計(jì)算機(jī)外設(shè)和擴(kuò)展槽（筆記本/臺(tái)式機(jī)/安裝在機(jī)架上的控制器）。其本質(zhì)上是一個(gè)高速串行總線，代替舊的PCI和PCI-X總線，對(duì)所有外設(shè)采用共享地址和數(shù)據(jù)傳輸線。一個(gè)PCIe鏈接范圍從1到32路。4路鏈接是模塊化儀器系統(tǒng)中常用的，盡管一些儀器插槽可以支持更多。典型4路鏈接在Gen-1（Generation 1）提供1Gbyte/s傳輸速率，在Gen-2上速率翻倍。為了連接到外部，PCIe必須通過專用接口卡緩沖。

早期PXI使用外設(shè)PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。隨著PCIe的演進(jìn)，PXI標(biāo)準(zhǔn)也隨之更新，利用更高速率和獨(dú)立路徑的優(yōu)勢(shì)。PXI規(guī)范使用了更聰明的架構(gòu)，使得早期PXI模塊和新PXI Express模塊能集成在同一個(gè)系統(tǒng)中。所有AXIe系統(tǒng)都采用PCIe作為其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文后面將PXIe,AXIe和VXI 4.0的產(chǎn)品都稱為基于PCIe的產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈冞壿嬌虾芟嗨啤?/p>

基于消息和基于寄存器的儀器

PCIe比LXI提供更高帶寬，重要的是理解每個(gè)接口通用協(xié)議導(dǎo)致的真實(shí)速率差別。基于消息的儀器和基于寄存器的儀器的差別導(dǎo)致了在易用性和速率之間的重要的折中。

基于消息的儀器通信是通過高層，類似英語的命令，以串行方式從控制器發(fā)給儀器。最廣泛使用的命令語言是SCPI，采用文本方式發(fā)送命令給儀器并接受響應(yīng)。IVI底層管理SCPI，設(shè)計(jì)同類功能，由不同廠商不同儀器采用相同的命令語法來執(zhí)行。

基于寄存器的儀器完全不同。儀器被視為一系列寄存器位于控制器的共享內(nèi)存空間。向這些地址里讀取或?qū)懭胧沟脙x器執(zhí)行特定功能。通常是很復(fù)雜的操作，包括很多內(nèi)存讀寫，并且通常使用位映射寄存器和二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這些復(fù)雜操作等同于基于消息的儀器接收SCPI命令后執(zhí)行的操作。因?yàn)檫@一復(fù)雜性，基于寄存器的儀器通常帶有軟件驅(qū)動(dòng)可以執(zhí)行儀器功能。

幾乎沒有例外，LXI和GPIB儀器是基于消息的設(shè)備，采用SCPI命令，而PXI和AXIe儀器是基于寄存器的設(shè)備，需要軟件驅(qū)動(dòng)。VXI儀器可能是基于消息的，也可能是基于寄存器的。實(shí)際上，基于消息和基于寄存器的定義最早出現(xiàn)在VXI規(guī)范中。本文中，假定所用PCIe儀器都是基于寄存器的。