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标  题: 色彩缤纷的测量和仪器总线
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 计算机自动测量与控制
COMPUTER AUTOMATED MEASUREMENT & CONTROL
1999年 第1期 No.1 1999
  

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色彩缤纷的测量和仪器总线

孙　续　吴北玲

　　摘要　本文论述了常用测量和仪器总线，分析了它们的主要特点及与计算机总
线的联系。
　　关键词　测量和仪器总线　计算机总线

Colourful Measurement and Instrument Buses

　　Abstract：This paper presents the frequently used measurement and 
instrument buses,and analyzes their major features and relations with 
computer buses.
　　Key Words：Measurement and instrument buses　Computer buses

与计算技术结合是测量仪器发展的主潮流

　　计算机和网络技术正改变着人类的生存空间。“数字地球”的概念，提出要充
分利用数字信息，促进社会的进步和发展。信息时代离不开信息的采集、传输和处
理，其中信息采集的重要手段或者说信息获取的源头，主要靠测量和仪器；信息传
输的主要手段靠通信和网络；信息处理的主要手段靠计算技术和数字信号处理技术
。这些技术相互配合、共同发展，为21世纪描绘着绚丽的蓝图。
　　微计算机的问世，从一开始就改变着测量和仪器领域的面貌，目前PC的年销量
已达八、九千万台，正向一亿台进军，并在软硬件方面积累了丰富的经验，创造了
众多的资源，这些都是任何测量仪器无法比拟的。微计算机的很多成果都很快反映
到测量和仪器领域，例如不断提高速度、图形化用户界面、分布式处理方式、网络
功能等等，都很快移植到仪器和测试系统中。微机的影响使测量和仪器增加了功能
，提高了性能，形成了众多方便实用的自动测试系统，与计算机的结合成为测试和
仪器发展的主潮流。
　　微计算机得到快速发展的一个重要原因在于它的可扩展性，它通过总线扩展槽
、接口卡或装置舱(Device Bay)把微机总线与外部设备连接起来，以增加功能或运
用于新的领域。例如增加网卡后可作为网络信息终端，插入DVD播放卡可作为DVD播
放机使用，插入不同仪器插卡可实现多种仪器功能等等。因此，在讨论测量仪器与
微机的结合，特别是讨论测试系统的发展时，就往往需要讨论使用的总线及这些总
线与微机总线间的联系。

GPIB是台式仪器的主流接口总线

　　GPIB是由HP公司在70年代初创建的台式仪器通用接口总线，后被IEEE和IEC确
认为IEEE 488和IEC 625标准。这种系统是在微机上插入一片GPIB接口卡，通过24
或25线电缆连至仪器端的GPIB接口。当微机的总线变化，例如采用ISA或PCI等不同
总线时，插入微机的GPIB接口卡也有所变更，但其余部分可以保持不变，这使
GPIB系统能适应微机总线的快速变化。
　　在长期使用中，GPIB被证明是一种适用的系统，但它本身也有一些技术改进。
特别是80年代后期发布了IEEE 488.2，从编码、格式、规程、语法、数据结构和公
用命令等方面对系统的软件进行了标准化。稍后发布的可程控仪器标准命令
(SCPI)，对器件消息的程控命令进行了详细规范，使GPIB系统更加标准化，互换性
和互操作性更强。
　　由于GPIB系统是在PC出现的初期问世的，从而带有一些因此产生的缺憾。例如
它只有8条数据线，数传率的上限只有1Mbytes/s(虽然有人提出快速挂钩方式来提
高数传率，但对这种方式是有争议的)等等。尽管如此，GPIB仍然是台式仪器的主
流接口总线。
　　首先，世界上已经存在并仍继续生产着大量装有GPIB接口的台式仪器，它的品
种和数量都明显多于倍受青睐的VXI仪器。其次，在目前应用的VXI系统中，与
GPIB混合应用的比例颇大。并有相当数量采用外主控计算机控制的VXI系统，其计
算机通过GPIB电缆和GPIB-VXI接口进行控制。以PCI为基础的PXI系统，也都具有
GPIB接口。另外，考虑市场对GPIB系统的需求，涉及自动测试的众多标准，大多直
接可用于GPIB系统，不但SCPI规范就是为包括GPIB在内的各种可程控仪器制定的，
就是VXI即插即用系统联盟(VXI plug & play)制定的关于驱动程序、I/O软件标准
VASA(虚拟仪器软件结构)等等，也都明确其内容可用于GPIB系统。可见，在相当长
的时间内，GPIB系统都会继续发挥作用。笔者虽然热心推广VXI系统，但并不赞成
有了先进的VXI系统就可淘汰GPIB系统的观点，而是主张根据需要、资金和已有设
备等具体条件，在多种总线中进行选择或使他们相互配合使用。

VXIbus是模块式仪器最重要的总线

　　1987年VXI总线模块化仪器系统问世，12年来得到了高速的发展。VXI总线直接
源于工业微机的VME总线，并在此基础上扩展了仪器需要的链式和星形两种触发总
线、时钟和时钟同步总线、本地总线、模块识别线及模拟和线，还补充了仪器需要
的几种供电电源。VXI本身就是由VME bus在仪器领域的扩展(VME bus 
eXtensions for Instrumentation)缩写而来。应该说VXI系统是综合了计算技术、
GPIB技术、PC仪器技术、接口技术和模块化结构技术等多种技术成果后提出的，它
是一种在世界范围内完全开放的、适用于多供货厂商的、标准化、模块化仪器系统
，它于1992年被IEEE组织以IEEE 1155规范所确认。
　　VXI系统最多可包含256个器件(装置)，可组成1至多个子系统，通常每个子系
统最多包含13个插入式模块，插于一个机箱内。VXI系统的突出优点在于它的灵活
性，机箱和模块都可以在不同的系统中重复使用，可像积木一样组成多种系统。由
于标准化程度高、互换性和互操作性好，可把多供货商的产品方便地集成在一个系
统中。另外，这种系统体积小、便携性强。1998年8月新修订的VXI 2.0版本规范采
用了VME总线的最新进展，提供了64位扩展能力，数传率最高可达80M Bytes/s。标
准化程度高也是VXI系统的重要优点，在该系统中围绕机械、电气、控制方式、通
信协议、冷却、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O控制等很多方面都制定了标准
规程，从各方面保证了系统的兼容性。
　　VXI系统的最初倡导者就是HP、Tektronix等著名仪器公司。VXI联盟和VXI 
plug & play系统联盟两大组织团结了众多厂商，不但制定了众多标准、推动了
VXI的发展，而且及时吸取了信息产业的诸多新技术。例如，制定支持网络功能的
TCP/IP仪器规范，采用64位数据传送，吸收1998年8月成立的可互换虚拟仪器
(IVI)基金会的有关规范，采用IEEE 1394(火线)接口、电缆和0槽实现外主控计算
机对VXI机箱的控制等等，这些都使VXI系统充满了生机。
　　VXI系统问世以来发展很快。销售额保持15%～20%的增长率，应用领域不断拓
宽。虽然它的价格一降再降，但在有些应用中价格还是显得偏高，致使这种系统主
要定位在国防、航空航天、通信和其它需要高性能、高质量、大批量或高产值产品
的生产环境，或者实验室及研究开发领域。

PC仪器与PXI仪器面临机遇

　　早在80年代初，就有人直接利用PC总线，加上某些软件和必要的硬件，实现传
统仪器的功能，这种仪器称为PC仪器、个人仪器或者PC plug in仪器。近年来由于
计算机软硬件资源的极大丰富，数字信号处理技术、图形化界面技术和自动生成程
序等技术的提高，使得操作者不但可以在PC荧光屏上像操作传统仪器一样操作虚拟
面板，而且可以简化操作、变换显示方式，直接经由PC存储或打印输出测试结果。
亦可由PC对数据进行处理或将数据传至网络，以供遥测或资源共享。这种主要是利
用PC技术，只是添加数采(A/D)及D/A变换等少许硬件和应用软件的仪器也称为虚拟
仪器。但是虚拟仪器并不只有利用PC插卡一种形式，例如VXI系统就是一种非常利
于实现虚拟仪器的平台。
　　虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在PC和少量附
加硬件的基础上，可由用户定义仪器功能。因为它的运行主要依赖软件，所以修改
或增加功能、改善性能都非常灵活，也便于利用PC的软硬件资源和直接使用PC的外
设和网络功能。虚拟仪器不但造价低，而且通过修改软件可增加它的适应性，进而
延长它的生命周期，是一种具有很好发展前景的仪器。
　　直接把某些硬件卡插入PC扩展槽构成仪器的方式有一定的局限性。例如，缺乏
触发信号线、定时及同步时钟线等仪器需要的总线，PC扩展槽对仪器供电和冷却能
力往往不足，缺乏抗电磁干扰环境等。正是在这种背景下出现了PXI仪器系统。实
际上前面介绍的VXI系统就是工业微机VME总线在仪器领域的扩展，在VME总线之后
出现了PCI微机总线，其速度上限为132M Bytes/s和264M Bytes/s，不但显著高于
以前常用的ISA总线，而且比VME总线还高，因此用PCI总线扩展成仪器系统就很合
乎逻辑了。
　　PCI总线有12种规范，其中Compact PCI(坚实的外围设备互联)总线是PCI总线
中市场占有率最高的。它像VME总线一样利用了成熟的欧洲卡装配技术，具有抗振
颤和利于散热等特点。1997年NI公司利用这种总线扩展成PXI系统，PXI就是PCI 
eXtension for Instrumentation的缩写。
　　由NI公司提出的PXI系统的外形与VXI系统有些相似，一个PXI系统需要一个机
箱，其背板上除PCI总线外，还补充了触发总线、参考时钟、本地总线和星形触发
线。插入机箱的模块通过标准连接器与背板相连。PXI系统也具有良好的电磁兼容
和冷却性能，通常系统中提供与GPIB、VXI、USB(通用串行总线)的联系手段，VXI
系统的大量软件规范一般都可用于PXI系统之中。
　　通过以上讨论，读者可总结出VXI与PXI系统的不少相似之处。实际上它们的类
似点还有很多，例如均为开放式规范，均采用标准机箱并可形成多机箱系统，均可
使用嵌入式控制器，都能利用多种优秀的操作系统和开发工具等等。
　　两种系统也有一些不同之处。PXI系统的优势在于机箱和模块体积更小，数传
速度更快，价格较低，售价通常介于PC仪器与VXI系统之间。与VXI系统相比，PXI
系统也有明显的不足，例如由于它推出的时间尚短，虽然广大Compact PCI制造商
及相关组织的成员均可视为它的支持者，但真正生产PXI产品的厂家还不太多，还
缺乏仪器领域最有影响厂家的充分支持，产品的品种还不够丰富。另外PXI机箱插
槽数目、电源品种和提供的最大功率均不敌VXI系统的上限值。PXI系统虽然已制定
了完全开放的规范，但尚未被IEEE定为正式标准。
　　尽管PXI系统还需要一个成熟的过程，但与VXI系统类似，它直接利用微机总线
与仪器结合，吸纳微机行业的各种优势，采用了开放式规范及模块化结构，这些大
方向是完全正确的。也许正因如此，PXI仪器平台成为美国《T&MW》杂志所评1998
年最佳测试奖的获奖产品之一。笔者认为，如果它市场定位恰当，并能在一定时间
内联合更多的厂家，以更多的产品供用户选择，这种系统就具有较好的发展前景。
但是如果抓不住时机，不能在一定时间内销售出足够的商品，随着IEEE 1394总线
和USB逐渐取代PCI总线，那时若用户手中的PXI产品再不多，这种系统的前景就很
难讲了。

IEEE 1394总线及USB有望成为新的亮点

　　IEEE 1394及USB是两种颇有前途的串行总线。在讨论它们之前首先介绍一下装
置舱扩展槽的简单概念。本文开始已经讨论过微机高速发展的一个重要原因在于它
的可扩展性，但以前使用PC总线扩展槽往往比较麻烦。通常要断开电源，打开机箱
插入插卡，对非即插即用产品还要设置外设使用的资源，然后关闭机箱，接通电源
。这个过程对非专业用户或不允许PC断电的用户来说都是很不方便的，也是PC进入
家庭的一大障碍。于是PC行业提出“装置舱”技术，希望能取代PCI或ISA的总线扩
展槽，能在PC运行状态下不需切断电源及打开机箱，而直接进行扩展插卡或外围设
备的插拔。
　　装置舱扩展槽概念是1996年由康柏、因特尔和微软三家公司提出的，1997年制
定了相应规范，1998年已开始大力实施。在装置舱扩展槽内要分别装IEEE 1394及
USB接口各两个。
　　从长远看，如果普及了装置舱，PCI扩展槽就没有意义了。但考虑有些和PC配
套的装置目前还使用PCI总线接口，所以PC内部的PCI总线还要暂时保留。图1以
IEEE 1394所连外设为例，示出当前和以后装置舱的构成。在PC一侧它需要USB控制
电路、装置舱控制电路、IEEE 1394链接层及物理层四种LSI，在外设一侧需要提供
IEEE 1394与外设的连接电路。图(a)为当前情况，英特尔公司已将USB控制电路置
入主板的外围芯片组中，另三种LSI与暂时保留的PCI总线联系。在外设侧，对采用
ATAPI(AT辅助封装接口)的现有外设，通过一个称为Tailgate(尾板)的芯片将
IEEE 1394信息包变换成ATAPI信息包。在2000年以后，如果按现有计划和进行情况
，能将IEEE 1394的数传率提高到1.6或3.2G bits/s，并成功地完成所需LSI，则可
在PC机一侧把上述4种芯片全部置于主机板的外围芯片组中，也可只留出一片
IEEE 1394物理层芯片(见图b)，以简化PC外围芯片组的设计并给PC厂家带来一定的
灵活性，当装置舱进入普及阶段，外围设备会装备IEEE 1394接口的LSI，自然不再
需要通过Tailgate芯片进行变换了。
 



图1　装置舱示意图

　　IEEE 1394与USB均为串行总线，与并行总线比较，更适于连接多外设的需要。
它们已被PC业界接受为以后PC必备的接口总线。其中IEEE 1394是80年代苹果公司
提出的，1995年被IEEE接受，当前的最高数传率为400M bits/s，以后还要按800M
、1.6G及3.2G bits/s分段提高，它具有两对信号线一对电源线，可以用任意方式
连接63个装置。由于采用非归零的低电平差分信号传输可以得到很高的数传率，可
以等步或异步传递，特别适用于动态画面等视频信号的传输。
　　USB与IEEE 1394的工作原理大致相同，能连接127个装置。它的电缆更加简单
，只有一对信号线和一对电源线，工作于最高12M bits/s的中等速度，它轻巧简便
、价格便宜，比较适用于传递文件数据和音响信号，目前不少新生产的PC已装配了
这种接口。它与IEEE 1394工作于不同频率范围，可相互配合相得益彰。
　　以上两种总线的突出优点是具有热插拔性，可以自动识别、自动组态，实现即
插即用，还可以连接众多的装置。目前已有一些测量仪器使用了这两种总线。例如
已往在采用外主控制器的VXI系统中常采用GPIB和MXI总线控制，但前者数传率低，
后者电路复杂、体积大、价格高。目前惠普和NI公司推出采用IEEE 1394的PC-VXI
接口，性能好价格也便宜。例如惠普的HP 8491A，包括IEEE 1394/PCI卡、电缆和
带IEEE 1394的VXI 0槽，价格不到2500美元，约为采用MXI的一半，确实引人注目
。此外，Keithley公司的Smart Link网络型数采系统、NI公司的PXI系统等不少仪
器都采用了USB接口。随着装置舱的普及，这两种总线有望成为测量仪器总线的新
亮点。作为接口，这两种总线在PC、外设、家电、仪器等跨越多种行业引起热烈关
注，这也是极为少见的。 
结 束 语

　　以上讨论了测量与仪器中最主要的常用总线，实际上还有CAMAC、RS 
232/485/422串行总线、各种现场总线、多种微机总线等都用于仪器中。尽管仪器
总线种类繁多、色彩缤纷，但测量和仪器向PC靠拢是一种必然趋势。在讨论测量仪
器总线时，就要注意它与微机的关系及如何随微机而变化。例如PC中的ISA总线，
因有一些不足已逐渐被PCI取代，仪器行业就应该尽量避免研制和选购单纯基于
ISA总线的产品。IEEE 1394和USB支持的仪器目前数量还不太多，但应看到它的发
展前景，注意它的动向并抓住相应机遇。
　　与PC行业相比，测量和仪器行业市场容量和产品更新速度都相对小些，只能逐
步适应PC行业的变化。例如，GPIB系统通过更换与PC的接口适应微机变更，VXI系
统已设法增加64位数传、开发由IEEE 1394总线控制的产品等等。同时考虑已有产
品所占市场的份额，各种总线的仪器都要尽可能提供与其它产品的连接方式及组成
混合系统的方案。笔者认为，在测量和仪器领域，至少在相当长的时间内，是一种
多种总线并存，在不少系统内混合使用，并不断发展创新的局面。

作者单位：孙　续　吴北玲(北方交通大学　北京　100044)

收稿日期　1999-01-11
 

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真理往往朴素，以致人们不相信它。
                    ————列瓦尔特

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