采用计算机技术的混合I/O测试系统发展趋势

2001年09月15日

摘要:随着测试和测量领域中计算机技术的不断渗透,仪器系统中将更多地采用目前流行的总线类型,如通用接口总线(GPIB)和串行接口总线,以及新近出现的以太网、USB和IEEE 1394等通信总线,本文介绍这个领域的发展趋势。

采用结构化的仪器系统可以很方便地将目前甚至将来的I/O总线集成在一起,因此可以很好地保护已有的软硬件投资。提供这种通用结构的关键在于软件。利用一些工业标准软件如虚拟仪器软件结构(VISA)和可互换虚拟仪器(IVI)可以将不同的I/O总线集成到一个系统中,并提供抽象层以升级到新的总线,而这一切对用户来说是透明的。采用这种先进结构不仅可以使先期投资继续发挥效能,还能在无需了解低层细节的基础上充分利用最新技术。

利用现有常用总线来拓展连接性能

GPIB和RS-232串行总线一直是多年来被广泛采用的通用I/O接口总线。仪器厂商在他们数千万的仪器仪表中应用GPIB接口(主要用于仪表控制设备)的历史已经有几十年。调制解调器和打印机中广泛应用的串行通信规范RS-232也同样被广泛用于各种仪表控制设备。这两种接口的不同点在于:采用GPIB总线的每个控制器最多能够控制14个仪器,而通过RS-232接口只能连接和控制一个设备。

新型总线的优越性能

最近越来越多的独立式仪器开始采用以太网、USB或IEEE1394作为可选的通信接口。基于以太网的仪器控制设备利用了这种总线的独一无二的优越性,比如可以实现对仪器的遥控,甚至不同用户可以在不同地点实现对仪器的共享访问。通过以太网实现对仪器的控制已有专用的协议(VXI-11)可供使用。

每种总线都有其特点。USB总线是一种即插即用型总线,主机可以对连接到这种总线上的设备进行自动检测和自动配置,因此通过USB接口可以方便地将一些外围设备如键盘和鼠标等连接到PC机上。由于目前USB接口已经成为PC机的标准配置,因此应用人员无需再去购买专用的控制器。另外值得一提的是,由于通过USB进行仪器控制还没有现成的协议可以利用,因此需要从仪器制造商处获得专门的处理设备。

IEEE1394是苹果公司开发的一种高性能串行总线,虽然微软的视窗98/2000支持该总线,但Intel的PC外围芯片目前仍未配备支持该总线的电路,因此在大多数情况下PC机仍要采用IEEE1394控制器。IEEE1394行业协会已经定义了通过1394控制仪器所需的整套协议。

保护投资的桥

由于在采用新型总线方面仪器制造商总要比PC制造商来得慢,因此除了在仪器上直接增加新型总线外,桥的应用成为可行的第二种选择方案。桥本身是一种硬件产品,它提供二种总线类型,主要完成总线间信号的转换,因此原有设备利用桥就能方便地提供新型总线功能。桥能保护人们在硬件、软件方面作出的投资,并能节省大量时间,因此成为一种较佳的透明解决方案。举例来说,如果希望用“以太网到GPIB总线桥”替代GPIB插入式控制器,那么原来用于GPIB插入式控制器的那些代码仍可以不作任何修改地加以利用。

创建灵活的软件结构

A. VISA标准基础知识

为了实现工业化软件的兼容性,VXI即插即用系统联盟开发了专用于I/O软件的标准VISA。当该联盟在1993成立之时,业界就存在许多与VXI、GPIB和串行接口有关的非标准实用商业I/O软件。对于这些总线来说,VISA提供了一个公共的基础平台,用于高层多供应商系统软件组件的开发、传送与互通,比如仪器驱动器(driver)、软面板以及应用软件等。虽然VXI联盟定义了这样的VISA标准,但在实现具体的VISA程序的过程中,不同供应商有不同的实现方法。

由于VISA定义了用于仪器通信的应用编程接口(API),因此当需要升级到新的接口总线或采用混合I/O系统时,可以很好地保护软件方面的已有投资。比如NI-VISA标准就不仅能兼容VXI、GPIB和串行总线,还可兼容PXI和以太网接口。

B. 利用通口模型简化VISA实现

过去的模型存在一个问题,那就是每个供应商设计的VISA标准都是针对厂商自身的控制器开发的,它们不能用于其它厂商的控制器产品。另外,为了适应新接口的需要,不得不安装一套完整的VISA库,有时,来自于不同供应商的VISA库就不能兼容已有接口。

为了解决上述问题,国家仪器公司(NI)采用“通口(passport)”插入式模型重新开发了VISA标准,它对每种不同的总线定义了不同的通信端口或通口。核心VISA库包含各种流行的高层VISA API,NI通口模型负责从核心VISA库中分离出用于连接总线的专用通信装置。采用这一模型后,每种不同的总线都需要通过相应的通口才能连接核心VISA引擎,因此在不影响现有接口的情况下能方便地提升新型总线的兼容性。

另外, 利用这一模型能够实现多供应商和多接口系统。与其它仍依赖于组件对象模型(COM)技术的解决方案相比,多平台ANSI-C技术仍将是这种通口模型的基础。除了VISA目前所支持的接口类型外,NI公司承诺将在VISA中增加所有将流行于测试和测量设备的其它兼容性总线接口。

C. IVI的多功能性

IVI组织正在积极为建立在VISA基础上的仪器驱动器(反映了底层通信细节的软件模型)定义合适的标准,以期提供一个功能强大的高性能易用仪器通信协议。这些根据基本标准创建的仪器驱动器包含高层函数,如配置测量或读取波形的函数,这些函数内部已包含了底层的VISA读写功能。结合VISA的功能特点,IVI提供了一种功能强大的体系结构,在此基础上能够较好地实现多供应商多平台的混合I/O测试系统。

D. 软件架构提高互连的性能

随着多供应商多接口系统的普遍应用,人们急需一种能够轻松处理这些系统以及能最大化软件复用的软件架构,而基于VISA的软件架构恰好能满足这方面的要求,并具有以下优点:

1. 可兼容多种连接总线,能方便地设计出包含新旧总线在一起的系统。另外,插入式模型还能提供升级到未来总线的最佳途径,其中也可能包括蓝牙技术。

2. 能够有效地保护硬件投资,并且利用桥产品顺利地将现有硬件合并到原系统中去。采用多接口结构后,无需更换所有仪器或等待它们提供新型总线功能就能轻松地使用新型总线技术。

3. 保护系统中技术含量最高的软件投资。在应用桥产品升级到新的控制总线后,可以在不修改代码的情况下控制原有设备。对于仅工作于新型总线的仪器来说,采用VISA的系统仍能照常工作。

4. 无需再学习过程。虽然采用新型总线对仪器进行编程可能需要设计人员学习全新的API技术,但类似的API仍能与VISA通口模型一起工作。

5. 能兼容目前最流行的仪器操作平台。VISA API目前能很好地工作于Windows、Linux、Macintosh、Solaris等多种平台。

本文总结

未来的测试系统将由测试硬件加上混合I/O接口组成。在系统的有效寿命期间,保护软硬件投资的最佳途径就是采用一个稳定的能够与多供应商、多接口和多平台系统协同工作的软件架构。有关VISA的详细信息请访问:。

作者:Dany Cheij

Vanessa Trujillo

仪器互连产品经理