將LXI、USB、PXI Express及其它標準整合至混合測試系統中

採用USB和LAN including LXI等商用匯流排的儀器控制標準漸漸出現，開發人員面對一個問題：如何將這些儀器整合到他們的系統中。獨立儀器繼續不斷地運用更新型的匯流排及標準（例如USB和LXI）發展，讓使用者獲得多種儀器連接能力，而且各有各的優點。在此同時，你的測試系統可能需要模組化儀控匯流排（例如PXI或PXI Express），供需要軟體彈性、低延遲性及高資料通量的應用程式使用。因此，基於各種原因，你可能必須將額外的匯流排結合至測試系統中。透過運用混合測試系統（結合多種平台的元件）的優勢，你可以輕易地將新的匯流排整合至現有的測試系統中，以滿足設計的考量、運用各種可用的技術，以及延長系統的壽命。要將PXI、PXI Express、VXI、GPIB、USB、LAN/LXI以及序列埠等平台整合至一個系統中，所使用的軟體架構非常重要──它是確保成功整合以及輕鬆配合儀器匯流排的變動進行調整的關鍵要素。 若需要更詳細的技術資訊，請參加使用最新匯流排技術連接你的儀器 線上講座。

混合測試系統

在設計測試系統時，開發人員往往要在許多考量之間取得平衡。為了滿足系統的需求，你可以建立混合系統(hybrid system)，讓你得以利用各種測試平台的優勢。舉例來說，你的系統可能需要模組化儀控匯流排（例如PXI或PXI Express，以及PCI Express）的軟體變通性及高資料通量，以及獨立儀器（例如使用USB或具備LXI規格之區域網路的儀器）的專業功能。混合測試系統將來自多種ATE平台的元件（例如PXI、PCI、GPIB、VXI、USB，或LAN/LXI）結合至一部系統中。此外，透過運用混合系統，工程師可以輕鬆地將新元件整合至現有的系統中，不需要重新設計系統。建立這類混合測試系統的關鍵在於使用可延伸的層級式技術來建構系統，有助於使維護和升級更加流暢。

透過設計具備五層技術的混合多平台測試系統（如圖一），開發人員可以將硬體和軟體清楚地分隔開來。這樣可以簡化多種平台的整合工作，而且使維護和升級更加容易，只需在特定的層級上進行細微的修改，而不需要重新設計整個系統，就可以容納新的元件。這個架構從最底層的設備I/O層(Device I/O Layer)開始，其中包括所使用的個別儀器，它們可以使用多種儀控匯流排，包括PXI、VXI、USB，或是LAN/LXI。架構向上移動，運算層(Computing Layer)包括用於控制模組化儀器及連接至不同之獨立匯流排的嵌入式及遠端控制器；再上面是測量及控制服務層(Measurement and Control Services Layer)，內含硬體及儀器驅動程式，將硬體與軟體橋接起來。第四層是應用程式層(Application Layer)，由個別化的測試程式（例如數位萬用電表測量或頻譜分析）所構成。架構中的最後一層是系統管理層(System Management Layer)，它提供一個框架來呼叫測試程式，以及記錄資料、產生報告，並管理使用者。

 
圖一：使用層級化技術，讓開發人員得以彈性地結合多種平台（例如PXI、USB、以及LAN/LXI），並使用新技術擴充系統。

獨立儀控匯流排：GPIB、USB，以及具備LXI規格的LAN

獨立儀器可以使用多種儀控匯流排，包括GPIB、USB、具備LXI規格的LAN，以及序列埠。不同的儀控匯流排擁有不同的長處，使得某些匯流排更加適合特定的應用環境。利用GPIB，使用者得益於已獲得實用證明的儀控匯流排技術，以及種類繁多的儀器；使用USB時，開發人員則可以善用USB的普遍性及簡易的連接能力。透過LAN/LXI，使用者可以支援分散式需求，滿足遠距離的需要。多樣化的儀控匯流排允許使用者根據各種因素（包括測量功能、頻寬、延遲、效能及連接能力等等）選擇適當的儀器以滿足其需要。

GPIB
針對測試及測量以及儀器控制應用而設計的General Purpose Interface Bus (GPIB) 是一個堅固而穩定的通訊匯流排，已經有三十年的歷史，而且仍然屹立不搖。運用平行匯流排，GPIB為使用者提供一個低延遲的儀控匯流排。IEEE 488.2-1987更版強化這項標準，明確定義控制器和儀器如何透過GPIB來進行通訊。此外， IEEE 488.1-2003更版則定義了一個高速資料傳輸模式，使頻寬提高八倍，使用者可以獲得8 Mbytes/s頻寬來進行GPIB儀器控制。GPIB並非PC業界匯流排，很少出現在PC上。使用者通常使用介面卡（例如PCI-GPIB）或是外接轉換器（例如GPIB-USB），為其PC加入GPIB儀器控制功能。GPIB提供廣泛的儀控選項，及市面上將近一千萬種設備，早已成為獨立儀器領域很普遍和受信賴的通訊匯流排。

USB
通用序列匯流排USB 成為獨立儀器上很普遍的通訊匯流排選擇，是因為它在PC上的普遍性、它的隨插即用簡易使用性，以及高頻寬能力。由於電腦上普遍具備USB連接埠，工程師可以運用這種簡便的連接性和組態功能，迅速地將USB儀器整合至系統中。USB 2.0的發表，更建立了一種新型態的高速設備，最大傳輸速率可高達480 Mbits/s，且將最低延遲時間從1 ms降低到250 us。此外，USB Test and Measurement Class (USBTMC)規格也滿足了廣泛的測試及測量設備的通訊需求，從簡單的感測器到具備多種測量功能的大型主機皆具。USBTMC設定一項建立在USB之上的通訊協定，允許採用類似GPIB的方式與USB通訊，因此從使用者的角度來看，USB設備的行為就像GPIB設備一樣。舉例來說，你可以使用VISA Write函數，發出“*IDN?”查詢，再使用VISA Read函數取得回答。USBTMC通訊協定支援服務查詢、觸發器，以及其它GPIB特有的操作。

具備LXI規格的LAN
LAN（區域網路）是一項成熟的技術，通常應用在不具測量能力的測試系統中，包括一般性的網路作業和遠端資料儲存。LAN適用於分散式系統及遠端監督。由於在現代的電腦上很普遍，因此區域網路漸漸成為獨立儀器經常使用的通訊匯流排。由於LAN可以使用交換器、路由器及訊號加強器來支持長電纜，因此使用者不需要將儀器放在同一個地點，而且可以將一個系統中的獨立儀器分置於各處。此外，VXI-11規格提供一組標準的通訊協定，用於透過TCP/IP和訊息式儀器進行通訊。VXIbus規格中的一部份──VXI-11規格，定義一個網路儀器通訊協定，用於在TCP/IP網路上進行控制器與設備間的通訊。LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)標準定義以區域網路為基礎的儀器類別(class)並且包括以IEEE 1588為基礎的選擇性同步化功能，以及使用LXI觸發器匯流排的選擇性觸發器規格。LXI儀器是LAN獨立儀器的子集。在套用LXI標準的這些額外規格時，使用者可以在低頻分散式及遠端監督系統中加入一個計時和同步化的層級。

即使有這些儀控匯流排，使用者仍然面對和使用獨立儀器時一樣的挑戰。雖然獨立儀器可能在提供專門化的功能或效能方面佔有優勢，但是這些儀器都是廠商定義的專利儀器。因此，開發人員只能獲得有限的整合性和擴充性，而且被迫採用專利軟體模式。若需要更詳細的技術資訊，請參加使用最新匯流排技術連接你的儀器 線上講座。

 

模組化儀控匯流排：PCI、PXI、PCI Express，以及PXI Express

利用模組化儀器，開發人員可以利用多廠商支援的開放性標準及軟體彈性的優勢，建立由使用者定義的解決方案，以滿足其特殊應用需求。透過使用模組化技術和開放標準，使用者可以輕鬆地將多家廠商的元件整合至一個系統，並依需求擴充系統。藉由提供高資料通量、低延遲性，以及軟體彈性，開發人員可以建立由使用者定義的系統，能夠滿足許多應用效能的需求。和獨立儀控匯流排比較起來，模組化儀器提供較佳的資料通量及延遲性表現，讓使用者得以滿足許多應用需求，例如高速資料串流。運用開放軟體模式和PC處理能力的優勢，使用者可以將所有必要的測量工作從模組化儀器提供的資料中抽取出來，讓使用者得以彈性地設計所需要的系統，而且只購買應用所需的元件。

PCI及PXI
PCI於1900年代初期推出，最初作為晶片與晶片彼此聯接的管道，以取代漸漸不合時宜的ISA匯流排。PCI匯流排帶來一些優於過去的匯流排的優勢，包括不倚靠處理器、有緩衝區的隔離(buffered isolation) 、匯流排控制(bus mastering)，以及真正的隨插即用操作。通常PCI不會直接用於儀器控制，而是作為週邊匯流排，用於連接GPIB或序列設備以進行儀器控制。同時，由於它的高頻寬，PCI也作為模組化儀器的載體匯流排，將I/O匯流排建置於量測設備內。

PXI結合PCI電子匯流排功能與CompactPCI堅固、模組化的Eurocard機械封裝，然後加入專業級的同步化匯流排和關鍵軟體功能。這樣的組合使它成為高效能、低成本的佈署平台，可應用於測試、測量及控制系統。這些系統可應用於製造測試、軍事及航台、機器監督、汽車、以及工業測試。藉由採用PCI進行通訊，PXI擁有低延遲性和高資料通量(132 Mbytes/s)。此外，PXI提供額外的計時和觸發功能，具備10 MHz參考時脈、八線路的觸發匯流排、以及星狀觸發線路，提供專用的觸發器線路，模組間的偏移(skew)在1 nanosecond以內。PXI獲得大量採用作為模組化儀控的平台，透過輕巧而高效能的量測硬體設備及整合時脈及同步化資源，成為傳統獨立儀器之外另一項極具吸引力的選擇。

PCI Express
隨著PC應用環境需要的頻寬越來越高，PCI匯流排在許多狀況下到達其實體的限制。因此，制定PCI的標準組織PCI-SIG推出PCI Express，主要目標是提供一個具有擴充性的低價位介面，能夠應用於不同的市場，並且在軟體層方面與現有的PCI介面卡驅動程式及軟體相容。此規格確保所有現有之應用程式和驅動程式運作方式不變，以維持和PCI定址模式的相容性。PCI Express是PCI的革命性發展，在x1的應用環境下，於各方向提供250 Mbytes/s的基本通訊管道(lane)，最高可在x16的應用下提供4 Gbytes/s的資料通量。此外，只要將每一個PCI Express插槽連接到一個交換核心(switch fabric)，PCI Express就可以為每個插槽提供獨立的頻寬，而不像PCI一樣共享頻寬。由於在設計時即考慮到相容性的問題，因此PCI Express使用一個設計良好的層級技術，確保和未來世代的相容性，以及和PCI的軟體相容性。就像PCI一樣，通常PCI Express並未直接用於儀器控制，而是作為週邊匯流排，用於將GPIB設備連接至PC，以進行儀器控制。由於它極快的速度，PCI Express可以做為模組化儀器的載體匯流排。

PXI Express
就和PCI被應用在通訊底板上促進了PXI的迅速獲得採用一樣，PXI也可以將PCI Express結合至PXI標準中，以滿足更多的應用需求。透過在底板中使用PCI Express技術，PXI Express將PXI的可用頻寬從132 MB/s提高至6 GB/s，頻寬提高45倍以上，同時仍然維持與PXI模組的軟體和硬體相容性。運用這種強化的效能，PXI可以進入新的應用領域，其中有許多原本只能使用昂貴的專利硬體。透過PCI Express的軟體相容性，PXI所提供的標準軟體架構可以繼續引用於PXI Express中。為了提供硬體相容性，新的CompactPCI Express規格制定一個新的混合插槽，讓工程師得以在一個插槽裡安裝PCI或PCI Express架構的模組。利用這種技術，工程師和廠商可以透過軟體和硬體的相容性，保留目前在PXI系統和產品方面的投資。

 

軟體架構的重要性

混合系統可以結合使用模組化儀控匯流排及商用匯流排介面（供獨立儀器使用），因此使用者可以獲得模組化儀控的高速度及彈性，並使用現有或專業化的獨立儀器。為了確保這些不同平台能夠順利整合至一個系統中，並且確保能夠輕易地配合不斷改變的儀控匯流排，所使用的軟體架構至關重要。隨著商用匯流排的成長，混合技術的軟體層變得更加重要。由於商用匯流排在本質上即非常快速地變動，因此軟體層能否提供一個抽出來的層級，以期適應及跟隨不斷變動的商用匯流排，顯得更形重要。

軟體架構中有一個重要部份，即測量及控制服務層(Measurement and Control Services Layer)，其中包括具彈性的設備驅動程式，用於連接硬體及軟體，並簡化組態設定和硬體與測試程式的整合。為了能夠完美地將硬體整合至軟體中，工程師需要能夠提供高效能、程式設計彈性、以及一致和可擴充之應用程式界面(API)的驅動程式。Virtual Instrumentation Software Architecture (VISA)標準提供一個和驅動程式軟體通訊的共同API，不受所使用的儀控匯流排影響。VISA提供一組標準函數組合，可以和使用PXI、VXI、GPIB、LAN/LXI等匯流排的儀器通訊。藉由提供控制器的互換能力及匯流排的互換能力，VISA讓開發人員得以將所使用的控制器互換。此外，儀器驅動程式是應用程式中的一項關鍵元件，因為它們以適當方式將儀器的功能抽取出來，以便應用在程式開發環境中。Interchangeable Virtual Instrument (IVI)是儀器驅動程式的一項標準，它的驅動程式很適合用於儀器更換，因為它允許工程師將系統中的儀器互換，而不需要為了專門用途的儀器（例如示波器或交換器）而修改測試軟體。類屬於這些類型的IVI儀器驅動程式可以用屬於同類型的另一種儀器加以取代，無論廠商為何或使用的匯流排。舉例來說，透過使用IVI驅動程式，開發人員可以使用同樣的測試碼和PXI、VXI、GPIB或LAN/LXI儀器通訊。

 

摘要

混合測試系統讓使用者得以結合模組化儀控匯流排和獨立儀器使用的專利型匯流排。為了運用新的儀控匯流排（例如PXI和PXI Express或USB及LAN/LXI）儀器，開發人員可以使用混合測試系統，將多種平台整合至一部系統中。由於能夠混合平台，開發人員可以運用模組化儀控匯流排的高速度、彈性、及可自訂功能的軟體，配合獨立儀器使用。要成功地將PXI、USB或LAN/LXI匯流排的儀器整合至系統中，關鍵在於運用VISA和IVI之類工具所提供的軟體技術及抽取功能。利用這類軟體，即使商用匯流排有所變動，使用者仍然擁有一個抽出層，將匯流排改變的影響力減到最低。

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