自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)之測(cè)試總線(xiàn)

微電子、計(jì)算機(jī)、傳感器和信息處理技術(shù)等現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件，奠定了新一代ATS的基礎(chǔ)，成為推動(dòng)其體系結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATS)的研究，已成為世界各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)。目前，在ATS技術(shù)方面，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)化的總線(xiàn)技術(shù)是ATS發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，目前在自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，多總線(xiàn)技術(shù)并存，呈現(xiàn)出“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”的局面。主要的測(cè)試總線(xiàn)有VXI、PXI、LXI和AXIe等。

1 VXI和PXI總線(xiàn)

VXI總線(xiàn)規(guī)范于1992年9月被IEEE標(biāo)準(zhǔn)局批準(zhǔn)為IEEE-1155-1992標(biāo)準(zhǔn)。VXI總線(xiàn)是測(cè)試儀器模塊化的卓越代表，它擁有穩(wěn)定的電源、強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI／EMI屏蔽。具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確等特點(diǎn)，適用于組建大、中規(guī)模的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和對(duì)速度、精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。VXI主要用于大型的ATE系統(tǒng)、航空、航天等國(guó)防軍工領(lǐng)域。

以NI公司為首的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟成立于1997年9月。PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)不僅是一個(gè)總線(xiàn)技術(shù)，同時(shí)也是一個(gè)基于PC技術(shù)的模塊化I／O的標(biāo)準(zhǔn)，為基于PC的自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng)架構(gòu)添加了集成的定時(shí)和同步功能、工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固設(shè)計(jì)、以及更多的通道數(shù)。

2 LXI和AXIe總線(xiàn)

2004年9月，以安捷倫公司為首的LXI總線(xiàn)聯(lián)合體成立，2005年發(fā)布LXI標(biāo)準(zhǔn)1．0版本，并推出第一批LXI模塊。LXI總線(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施是以太網(wǎng)，通過(guò)高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)從局域至廣域的全球連網(wǎng)，依靠IEEE1588精確定時(shí)協(xié)議獲得整個(gè)儀器系統(tǒng)的全球定時(shí)同步。目的是以簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高速、實(shí)用的硬件和軟件構(gòu)建新一代的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，其目的是代替已使用40年的GPIB總線(xiàn)。

2009年11月，安捷倫科技有限公司、艾法斯公司和Test Evolution公司聯(lián)合成立AXIe聯(lián)盟，旨在開(kāi)發(fā)和推廣AXIe系列標(biāo)準(zhǔn)。AXIe在制定之初參考了AdvancedTCA、PXI、LXI和IVI等現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)以AdvancedTCA為基礎(chǔ)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)由元器件、模塊和儀器組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，推動(dòng)通用儀器和模塊化測(cè)試的發(fā)展。AXIe標(biāo)準(zhǔn)可提供最大的可擴(kuò)展性，滿(mǎn)足各種平臺(tái)的需求，包括通用機(jī)架堆棧式系統(tǒng)、模塊化系統(tǒng)、半導(dǎo)體ATE系統(tǒng)，以及工作臺(tái)和模塊化插件。

3 PXI、LXI和AXIe的比較

PXI總線(xiàn)擁有較高的總線(xiàn)帶寬，同時(shí)擁有非常低的傳輸延遲，這一點(diǎn)是其他總線(xiàn)所無(wú)法比擬的，同時(shí)PXI通過(guò)升級(jí)到PXI Express總線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)更高的速度和更大的帶寬，但是PXI總線(xiàn)的模塊化設(shè)計(jì)限制了其向更大規(guī)模、更廣局域的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

LXI總線(xiàn)基于以太網(wǎng)，因此其擴(kuò)展能力較強(qiáng)，但由于其采用儀器化設(shè)計(jì)，在成本上不具備優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在軟件開(kāi)發(fā)和傳輸速率上有一定的局限性。

與VXI和PXle總線(xiàn)技術(shù)相比，AXIe可提供更大PCB尺寸、輸出功率、高效散熱、高速靈活的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)，以及AdvancedTCA標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，同時(shí)還能與AdvancedTCA標(biāo)準(zhǔn)兼容。其主要特點(diǎn)為面積為900 cm2的模塊電路板；多達(dá)62個(gè)通道的本地總線(xiàn)可使相鄰模塊數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到600 Gbit·s-1；低時(shí)延和高速PCI總線(xiàn)使儀器至計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10 Gbit·s-1；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和靈活的LAN通信以及可用于儀器同步的總線(xiàn)和徑向分布式計(jì)時(shí)和觸發(fā)。

4 基于AXIe總線(xiàn)的ATS設(shè)計(jì)

AXIe采用分層體系結(jié)構(gòu)，建立在AdvancedTCA標(biāo)準(zhǔn)(PICMG 3．0和3．4)的基礎(chǔ)上，可提供大型PCB、LAN、PCIe和系統(tǒng)管理等特性?；贏dvancedTCA的AXIe1．0標(biāo)準(zhǔn)適用于通用儀器，并添加了核心觸發(fā)功能、定時(shí)功能和高速本地總線(xiàn)。AXIe1．0是在背板1區(qū)和2區(qū)連接器上實(shí)現(xiàn)上述功能的，無(wú)需指定后面板連接器或使用模塊或背板3區(qū)的接口。AXIe1.0還可針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，例如半導(dǎo)體測(cè)試(AXIe3.1)，并可包括關(guān)于模塊后面板連接的規(guī)定。

AXIe儀器可在典型的機(jī)架堆疊式配置中與基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)PXI、LXI和IVI的儀器實(shí)現(xiàn)集成。例如，PXI儀器能夠在機(jī)架中垂直安裝并使用機(jī)架式安裝、嵌入式或臺(tái)式控制器。在同一機(jī)架中水平安裝的AXIe模塊可作為虛擬PXI或LXI儀器使用。機(jī)架中還可添加LXI綜合儀器。

基于PCIe的AXIe儀器模塊可像PGIe模塊一樣充當(dāng)控制計(jì)算機(jī)，其工作方式與PXI儀器模塊相同。基于LAN的AXIe儀器模塊可像網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一樣充當(dāng)控制計(jì)算機(jī)，其工作方式與LXI儀器相同。所有這些儀器均能使用符合IVI標(biāo)準(zhǔn)、可在所有應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境中運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)程序。

基于AXIe總線(xiàn)的某型地面測(cè)試設(shè)備故障診斷自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

軟件系統(tǒng)包括測(cè)試診斷平臺(tái)、用戶(hù)界面、數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)及在線(xiàn)幫助等功能模塊。測(cè)試診斷平臺(tái)根據(jù)操作人員輸入的診斷步驟、模擬激勵(lì)、數(shù)據(jù)激勵(lì)、信號(hào)類(lèi)型、測(cè)試節(jié)點(diǎn)、儀器操作等完成測(cè)試診斷程序?qū)Ρ粶y(cè)儀器設(shè)備進(jìn)行故障診斷和定位，同時(shí)提供自動(dòng)監(jiān)測(cè)和信息提示功能；用戶(hù)界面生成診斷執(zhí)行界面的顯示內(nèi)容，完成人機(jī)界面的交互設(shè)置；數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)完成設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)和板級(jí)故障統(tǒng)計(jì)分析、故障趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)故障診斷測(cè)試、信息分析反饋的融合。測(cè)試軟件采用LabVIEW開(kāi)發(fā)。LabVIEW軟件提供了對(duì)AXIe設(shè)備的良好支持，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接。瀏覽界面采用測(cè)試軟件構(gòu)成，如圖2所示。

5 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)PXI、LXI和AXIe等測(cè)試總線(xiàn)比較可以看出，對(duì)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其最終的目的是提供高速、高度自動(dòng)化、高兼容性的測(cè)試設(shè)備和程序，其發(fā)展趨勢(shì)將繼續(xù)沿著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化方向發(fā)展，同時(shí)加大采用新型系統(tǒng)總線(xiàn)、高性能計(jì)算機(jī)、人工智能與專(zhuān)家系統(tǒng)等各種新技術(shù)的力度，進(jìn)一步改善ATE／ATS的綜合性能。同時(shí)ATS設(shè)備將向小型化、便攜化和通用化方向發(fā)展。為降低成本，測(cè)控系統(tǒng)將大量采用COTS技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的互換性和互操作性，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性、和穩(wěn)定性，注重綜合診斷支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，向故障診斷和測(cè)試一體化系統(tǒng)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)發(fā)展。測(cè)控總線(xiàn)將呈現(xiàn)多總線(xiàn)并存的特點(diǎn)，但是測(cè)控總線(xiàn)最終的結(jié)果是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)技術(shù)的統(tǒng)一。