IEEE 488標準有一個廣為人知的名字,叫GPIB(通用接口總線)。這是一種很受歡迎的接口,用于連接測試測量儀器和計算機,以構成一套ATE(自動測試設備)。GPIB最初由惠普開發,并在1978年被確認為IEEE標準。自那時起,IEEE于1978年和1987年分別發布了定義GPIB硬件規范(包括電氣參數、機械參數和基礎協議參數)的IEEE 488.1標準和定義相關軟件規范的IEEE 488.2標準。數十年來,GPIB受到了儀器廠商的廣泛接受和采用。可以說,GPIB是當今在計算機和測試測量儀器連接中使用最多的接口。

GPIB面臨的挑戰

PCI I/O總線的革命性改變(例如數據吞吐率更高、占位面積更小)推動了傳統ISA總線以及更成熟的PCI總線標準的普及。這些總線標準在傳輸速度上遠遠超過RS-232。其中,最出色的是USB和LAN接口,它們被證實具有比其他接口更高、更快、更全面的性能。由于它們性價比高而且連接方便,所以現有PC機都配備了這兩種接口。同時,不計其數的傳統GPIB設備在經歷了30多年的改進和大范圍的發展之后,如今也支持熱插拔功能和遠程接入,以不落后于測試工程師們更熟悉的基于IP的儀器。因為GPIB的這些創新,更新和更快的I/O接口(例如USB或LAN)就很難完全取代GPIB在ATE行業中的地位。

由于認識到GPIB在這一市場上的地位穩固,主流儀器制造商開發了由GPIB到USB或LAN的橋接通信協議。這充分保護了用戶過去在GPIB接口儀器上的投資,同時也使用戶受益于USB和LAN接口的靈活性和高數據吞吐率的優勢。橋接通信協議以GPIB到USB/LAN適配器、GPIB-LAN網關和轉換器的形式實現。橋接通信協議及相關技術趨勢顯示,GPIB接口仍將占有一席之地。

從硬件角度說,GPIB與USB/LAN接口的互通性因為無需再在擴展插槽上安裝ISA/GPIB卡,實現了更快速的集成和更便利的維護,從而降低了測試系統的成本和復雜度。

從軟件角度來說,GPIB與USB/LAN的組合同樣很有優勢。因為大多數主流操作系統都能監控LAN或USB端口的狀態,所以任何新連接上的儀器都能被系統自動檢測和識別。諸如Agilent I/O Library Expert之類的高度集成環境也能自動識別連接上的儀器,并為其分配專用的軟件資源,因此不需對已連接設備進行手動搜索、識別和初始化。

GPIB應用需知

在開始實現一套ATE之前,用戶首先應試著回答以下幾個問題/事項:

你希望用于連接儀器的首選物理接口是哪一種:GPIB、USB還是LAN？

軟件的要求、規范、能力和性能如何？

根據所選的軟件應用,您將采用那種軟件開發環境來控制儀器并與其通信？

假設用戶決定采用GPIB作為儀器的控制接口,那么下一步就是確定與儀器通信的I/O軟件包。這些I/O軟件工具被視為位于集成應用設計與連接儀器的物理接口之間的軟件層。創建自動測試應用有兩種方法:利用本地驅動程序API或通過高級儀器驅動程序。

圖1:GPIB接口卡的開發流程及工具。

第一種方法涉及本地驅動程序的API約定。這些API約定通常由大多數適配器廠商以ANSI C函數的方式提供。建議那些需要進行復雜儀器控制并希望達到最大系統吞吐率的用戶采用帶SCPI字符指令的驅動程序API。

而對于希望避免編寫復雜儀器指令的用戶而言,VISA或IVICOM等高級儀器驅動程序則是理想的方案。VISA是一種軟件接口,為計算機與測量儀器的通信提供標準輸入輸出函數。

而高級儀器庫則可為各類型連接接口提供透明的軟件兼容性,同時提供的函數也大多數與所使用的設備接口相獨立。不論你是準備通過RS-232、GPIB、USB還是LAN接口訪問測量儀器,在改變通信總線類型時,高級儀器驅動程序都不會給你增加修改軟件代碼的負擔。最后,高級儀器驅動使你擁有更多時間專注于軟件開發,同時也讓用戶程序在以后的重新集成中具備更大的延展性。

確定了軟件I/O層后,下一步將是選擇最合適的ADE(應用開發環境)。ADE與軟件工具包的結合是十分關鍵的,會直接影響總開發成本和應用的完工時間。因此,對軟件的價格以及學習或訓練所需的時間都必須謹慎考慮。同時,程序員可能還需要考慮采用軟件開發包來加速測試系統的開發。軟件開發有兩種方式:圖形化開發和文本化開發。

目前,符合測試和測量工程學的圖形化編程環境有很多。其中,最受歡迎的是Agilent公司的VEE和NI公司的LabVIEW,兩者都具備友好的GUI和編程方法,因而很適合初學程序員使用。容易上手的圖形化編程環境使用戶可以迅速地創建測試系統原型,并有效處理幾個并行活動之間的數據流。圖形化環境所支持的直接編程方式遠比利用文本編程來創建程序簡單。此外,在圖形化編程環境下,程序員無需熟悉復雜的語法,因為它能幫助程序員更輕松地學習和分享預定義代碼。

文本化ADE編程則適合在開發大規模應用和提高系統吞吐率時使用。但這種編程方式要求程序員有足夠的經驗。幸運的是,圖形化編程和文本化編程的運行時間性能之間的差異最近正不斷縮小。

表1:表中比較了不同標準在關鍵規范上的差異。理論帶寬與總線的實際流量并不相同,它取決于主計算機的處理速度、上面安裝的設備,以及突發數據塊的大小變化。

GPIB與其他接口的比較

對儀器制造商和用戶而言,快速可靠的連接是最重要的。隨著商用臺式機和筆記本電腦的性能日益提高,PC與儀器之間的通信基礎也出現了演變。盡管GPIB仍是連接儀器的實際標準,PCI總線也仍是工業控制和測量的標準I/O接口,但新一代USB和以太網也開始闖進儀器控制領域。因此,有必要評價和比較一下這些接口標準。下表比較了不同標準在關鍵規格上的差異。理論帶寬與總線的吞吐率并不相同,它取決于主計算機的處理器速度、所安裝的設備,以及數據塊大小的突發變化。

在搭建ATE時,選擇I/O接口是第一步。你可以選用帶純GPIB接口的傳統儀器,也可以選用帶LAN或USB接口的時新儀器。而結合了GPIB和USB/LAN的全面方案則能滿足各種要求。前面提到,如果所選擇的儀器均支持VISA等高級驅動程序,那么你就可以體會到高級驅動程序在創建混合式高性能測試系統時的靈活優勢。

用FPGA實現GPIB控制器

GPIB總線控制器是GPIB的一個關鍵組件,它通常是一塊ASIC。生產這種組件的供應商不多,因此基于ASIC的GPIB價格昂貴。盡管組件制造商確信基于ASIC的GPIB比用FPGA實現的GPIB的性能更出色,但其性價比卻沒有后者高,尤其是在原型驗證或小規模生產時。

隨著EDA工具的發展,FPGA提供了一種替代昂貴的ASIC實現GPIB的選擇。同時,隨著越來越多的FPGA標準的出現,以及經驗證的IP內核可以很容易地通過互聯網獲得,人們已開始把GPIB協議嵌進FPGA,這為測試和測量應用提供了一個非常有希望的發展機遇。

從前文可以看出,GPIB作為一種可靠的I/O接口仍將在大量現役儀器中繼續使用。同時,GPIB也提供了一種方便的管理復雜硬件握手的方式。然而,決定性的上市時間因素迫使GPIB接口的硬件設計師與儀器制造商盡可能早地發布產品。而謹慎地選擇主控制器與遠程設備之間的通信協議,并充分理解GPIB的電信號,上市時間所帶來的壓力可以立即得到緩解。這些因素越早得到滿足,產品開發的速度就越快。

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作者:Andre Hsieh

高級應用工程師

ADlink Technology公司