1.1 自动测试系统的基本概况

1.1.1 自动测试系统和通用接口的基本概念

与传统的专用测试仪器不同，自动测试系统强调在计算机的控制下，由若干可程控的通用设备共同完成测试任务。这里最常用的通用设备是各种形式的可程控信号源、可程控数据采集器（包括数字表、示波器、频谱分析仪等）、可程控多路通道开关和可程控输出设备（打印机、绘图仪等）。

如图1-1所示，这是一个用于检查放大器线性度的的自动测试系统。测试激励信号由程控信号源发出，接入被测设备的输入端。程控数字万用表在多路通道开关的切换作用下，依次测量被测设备的输入端和输出端，然后用计算机算出结果（增益系数），再由程控绘图仪画出误差关系曲线。这里采用比较法，同时测量被测设备的输入和输出是为了充分发挥数字万用表的精度优势，从而降低对信号源本身精度的要求。注意，尽管该系统中的程控信号源、数字万用表、多路通道开关、绘图仪和微计算机仍然分别起到激励、测量、通道、记录和数据处理的传统作用，然而当它们之间能够在一个系统控制器（通常为一台PC）的指挥下实现相互通信后，系统就形成一个能够完成新任务的有机整体。

设备之间的通信需要协议，要对通信网络的构型、信号传递的方式、接口的电气/机械和功能特性做出明确的规定。然而在通用接口技术出现以前，这一切工作都需要系统的组建者自己完成。系统组建者要为系统中各组成设备设计专用的接口来适应计算机控制的要求，为此往往需要较高的技术和较长的时间，以致接口问题一度成为组建自动测试系统的主要障碍。于是人们设想建立一种通用的标准化接口，试图让全世界所有的厂家都按照同一种标准设计可程控设备的接口。这样，当用户组建自己的测试系统时，只需用一根标准的无源电缆将带有这种接口的设备与计算机连接起来。

接口系统的这一革命是由当时美国的HP公司率先提出的，因其基本构型为总线式结构，故称HPIB（Hewlett-Packard Interface Bus）。这项技术在欧洲推广后，又被称为GPIB（General Purpose Interface Bus），即通用目的接口总线。美国电气与电子工程师学会（IEEE）在1975年通过了正式文件，将其命名为IEEE488，国际电工委员会（IEC）表决后形成IEC-625文件。从此这项技术就成为组建自动测试系统的国际标准，目前国际上几乎所有的仪器厂家都为自己的仪器配上了这种通用接口。以这种接口总线为基础组建自动测试系统，人们可以不分厂家、国别，只是根据测试的需要在全世界范围选用最合适的设备，然后直接用一条标准电缆将它们依次连接起来，就可以编写测试软件，灵活地完成各种复杂的测试任务。

1.1.2 GPIB接口的基本概况

GPIB接口技术的实质是为自动测试系统中各设备之间相互通信建立一个协议。在GPIB总线的16根信号线中，有8根信号线作为数据线，以串行字节的方式传递信息，被称为多线消息。而另外8根信号线各起各的作用，被称为单线消息。其中3根线为握手线（HandShake），即在每一次多线消息传递的过程中，都要通过它们做一次“三线握手”的工作，以确保多线消息准确无误、毫不含糊地完成异步通信的任务。每个GPIB设备使用一个0-30的地址作为设备的基本标识方法，这个地址通常由设备后面板上一个按8421编码的指形拨动开关设置。从图1-2给出的某GPIB仪器的后面板中，可以看到GPIB接口插座的样式和地址开关的形式。

GPIB系统通常包括若干具有听、讲接口功能的设备，作为控制器的计算机还需要接口支持控者功能（也称控功能）。其典型的工作过程是由控制器的系统控者功能初始化总线上所有的设备，并使它们进入“远地控制”状态，由控制器的责任控者功能任命总线的一个仪器设备为讲者，另一个或另几个仪器设备为听者，然后使进入讲者作用状态和听者作用状态的设备在“三线握手”的保证下，一个字节一个字节地通过数据总线传递仪器消息。目前，大多数GPIB测试系统的控制器是在PC中配置必要的GPIB接口卡和相应软件实现的，通过总线中的一条专用信号线的单线状态将其多线消息的命令分为接口消息和器件消息，前者可以用来配置接口功能，如任命讲者、听者，后者则可具体实现测试数据的传输。

GPIB接口采用一种猪脊型的24芯专用连接器，对于16根信号线以外的其他连接线被用做接地线和屏蔽绞线。连接器装在连接电缆的两端，由一个插头和一个插座背靠背地组装而成。因此当把其插头插入仪器的接口插座时，也同时自然地将另一个插座提供给其他连接电缆。图1-3给出了连接器的外形和连接形式。

为了确保通信的可靠性，同时使连接在GPIB总线上的仪器被限制在15台以下，通信距离限制在20m内，目前通信速度的上限可达1MB/s。

从IEEE于1975年、IEC于1977年公布有关GPIB的标准以后，经过十几年的实际推广，得到了全世界范围各国主要仪器制造业的认同和响应。以GPIB总线接口为基础建立的测试系统遍布各行各业的各个领域，这种发展给广大测试工作者组建系统带来极大的方便，也使他们逐步熟悉了GPIB技术，从而提出了更高的要求。这些要求集中表现在对编码、格式、通信协议、程控命令方面的标准化。在这种背景下，IEEE在1989年公布的IEEE488.1和IEEE488.2两个文件以及SCPI规范，及时地解决了这一问题。IEEE488.1的名称是“对于可程控仪器的标准数字接口”, IEEE488.2的名称是“使用可程控仪器IEEE标准数字接口时的编码、格式、规程和通用指令”。前者的内容与IEEE488的内容基本相同，仍为通用接口在电气、机械和功能上的规定；后者则主要针对仪器消息的传递，对消息交换的控制操作、消息描述的语法、通用指令的设置、通用状态的描述、同步执行的实现和仪器地址的自动组态等方面，在原先文件的基础上进行了较大的修订和扩充。同时SCPI还对各类仪器的程控命令做了详尽的规定，从而使新的GPIB系统不仅在接口功能的工作方式上得到了统一，而且在仪器控制的工作方式上也得到了统一。

GPIB接口总线技术是相当成功的，30年经久不衰，至今仍在自动测试领域发挥着重要的作用。但该技术也存在两个比较明显的缺点：其一是受8位数据线的限制，在一些场合显得传输速率不够快；其二是系统由分开的台式仪器设备组成，占用了较大的工作空间。

1.1.3 VXI仪用总线的基本概况

针对GPIB在工作速度和占用空间等性能上的限制，特别是军事上对测试系统的更高要求，促使人们开始进一步的探讨。1987年，惠普、泰克、雷卡、Colorado Data和Wavetek等5家著名测试和仪器公司的工程技术代表组成了一个联合体，推出一种在VME总线基础上扩展而成的模件化仪器的公用系统结构，命名为VXI。经过几度修改后，于1992年被美国电气与电子工程师学会批准，成为IEEE1155标准。从此符合VXI总线规范标准的仪器及系统被称为VXI仪器及VXI仪器系统。1993年又进一步制定了VXI即插即用（VXI Plug & Play, VPP）标准，并成立了VPP系统联盟。1996年，VXI总线系统实现了全球标准化，VXI市场也形成了一定的规模。VXI模件和系统的销售额开始以每年递增30%～40%的高速度发展，这种情况远远超过了同时期其他仪器的增长率。

VXI总线是VMEbus eXtensions for Instrumentation的缩写，即VME总线在仪器领域的扩展。VME总线是一种在工业控制领域中获得广泛应用的高性能微机总线，其32位字长、高达40MB/s的传输速率和多种数据传输协议显然能够为高速、高精度、高可靠性的现代测试任务提供很好的硬件基础。同时，针对自动测试系统仪器模件之间同步、触发以及电磁兼容和供电电源的特殊要求，VXI增加了10MHz和100MHz的时钟线、用于判别卡式仪器的模件识别线、8条并行的TTL触发线和2～6条并行的ECL触发线、用于模块间准确定时的“星形触发”线、50欧终端模拟相加线、12～36条连接相邻模件的本地总线，并提供了±2V、+5V、±12V、±24V和-5.2V的完整电源功能。

如图1-4所示，VXI在结构上与GPIB台式仪器及叠层机架方式不同，VXI采用卡式仪器配置机箱的方式。完整的VXI测试系统由一个或多个VXI子系统组成，每个子系统由配置了电源、0槽控制器和有关卡式仪器模件的VXI机箱组成。VXI总线仪器没有传统意义的操作面板，对VXI仪器的操作与显示，通常都需借助PC主机完成。VXI机箱与PC主机之间的数据通信可采用不同方式，如IEEE488、RS-232C、IEEE1394、USB等标准总线，以及诸如MXI等专用总线。系统组成包括主计算机、机箱、卡式仪器模件、软件等。

VXI总线的主要特点表现在以下几个方面：

（1）性能优越。系统传输速率快，VXI总线背板数据传输速率达40MB/s以上，增扩的本地总线则达100MB/s。而且不同等级器件优先权中断的使用，更能高效地利用数据总线。VXI总线采用公用电源、公用冷却和高效的CPU管理，结构设计紧凑，缩小了测试系统的体积。机箱及模件设计遵循军用标准，一般模件的平均无故障时间在104h以上。

（2）系统配置灵活方便。国际上有几百个厂家共生产配套产品几千种，数字多用表、信号源、示波器等传统仪器均有相应的VXI总线模块化产品。机箱可通过MXI扩充，并可灵活选用外置PC或嵌入式主机，容易满足测试系统的更新要求。VXI系统采用虚拟仪器面板，易于满足用户的不同要求。

（3）软件标准化程度高、开发环境好。VXI总线系统不但可以兼容IEEE488.2的可程控仪器接口操作方式和SCPI的标准程控命令，而且还可直接使用诸如语言编程开发软件Lab-Windows/CVI和图形编程的开发软件VEE、Labview等软件开发工具。

（4）系统维护简单、升级容易。自检后可及时发现故障模件，故可自行处理。用VXI组建较小系统时最初投资可能较高，但扩展系统功能时所增模件的投入要比通常增添传统仪器的开销少得多。

1.1.4 VPP软件规范概况

为了使VXI仪器易于使用，并在系统级上使VXI总线系统成为一个真正开放的系统结构，1992年9月，NI、泰克等公司组成了一个开放式测试系统联盟组织（OMS），着手解决虚拟仪器软件结构统一定义与规范的问题。1993年9月，在OMS组织的基础上，NI、泰克、雷卡等5家公司联合成立了VXI总线即插即用（VPP）系统联盟，通过定义和推行一些标准化准则和操作规程，来解决VXI总线规范中尚未包含的系统级问题。VPP系统联盟内部由生产厂家联合会与用户协会两大部分组成，生产厂家联合会成员共同承担组织费用，而用户则可免费申请加入。联盟通过Internet网络论坛、E-mail通信与学术研讨会等多种形式，进行系统开发与应用的经验交流与意见反馈，进一步维护和完善VPP规范。

VPP规范的目的是为了解决不同生产厂家的VXI产品在系统中可能出现的易操作性与互操作性问题，并为最终用户提供进行系统维护与再开发的能力。VPP不仅着眼于VXI仪器硬件模块与软件模块的设计，更注重于结构化、模块化的虚拟仪器系统设计。系统中总线的I/O接口控制软件、仪器驱动程序与应用程序自下而上地构成了虚拟仪器系统的软件结构：I/O接口软件驻留在主计算机中，作为仪器驱动程序的底层函数，支持对总线的操作；每个仪器模件都有自己的仪器驱动程序，用于完成特定仪器的各种功能，它是应用程序实现仪器控制的桥梁；系统应用程序直接面对用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，完成各种自动测试任务。VPP规范强调了用户在仪器系统开发与维护过程中的重要作用，VXI即插即用规范不仅对仪器生产厂家开放，也对用户开放，它不仅是虚拟仪器系统的设计指导规范，也是虚拟仪器系统的应用指导规范。VPP系统的核心是一个统一的I/O接口软件（VISA）规范，不仅适用于VXI卡式仪器，也适用于GPIB台式仪器、RS-232串行接口支持的多种设备。这样，就为不同接口在同一平台中运行提供了统一的基础，在VISA基础上编写的仪器驱动程序和软面板程序也都成为统一格式的标准软件模块。