USB總線及其在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、http:/www.paper.USB 總線及其在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用12崔琳莉李力1. 電子科技大學通信與信息工程學院，成都 610054；2.電子科技大學自動化學院，成都 610054E-mail： c_摘 要：USB 總線是一種支持熱插拔、即插即用、傳輸速率最高可以達到 480Mbps 的串行總線；第三代自動 測試系統(tǒng)強調(diào)以計算機為中心設(shè)備，基于標準總線技術(shù)聯(lián)接外部儀器/設(shè)備來構(gòu)建系統(tǒng)。本文從 USB 總線 和自動測試系統(tǒng)的自身特點出發(fā)，討論了基于 USB 總線來構(gòu)建自動測試系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提出了系統(tǒng)構(gòu)建過 程中需要注意的問題及其解決方法。關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)；USB 總線；虛擬儀器技術(shù)中

2、國分類號：TP274.51、自動測試系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)是指那些利用計算機控制并實現(xiàn)自動化測試的系統(tǒng)1，它的出現(xiàn)滿足了科學技術(shù)發(fā)展過 程中，對電子測量所提出的測試參數(shù)繁多、測試對象復雜、測試速度快、測試精度高等要求。自動測試系統(tǒng)將計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、智能儀器、總線與接口技術(shù)等有機的結(jié)合在一起，它的發(fā)展 經(jīng)歷了從專用型向通用型發(fā)展的過程。121)早期的自動測試系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，是針對某項具體測試任務(wù)而設(shè)計的，通常稱為第一代自動測試系統(tǒng)。它主要側(cè)重于自動測試設(shè)備本體的研制，系統(tǒng)適應(yīng)性不強，缺乏通用性。2)第二代自動測試系統(tǒng)是在標準的接口總線（如 GPIB）基礎(chǔ)上，各設(shè)備按積木的形式連接從而組 建的系

3、統(tǒng)。系統(tǒng)中的各個設(shè)備（包括計算機、可程控儀器、可程控開關(guān)等）均為傳統(tǒng)的臺式測試 設(shè)備，每臺設(shè)備均配有符合接口標準的接口電路。組建系統(tǒng)時，將所有的設(shè)備堆疊在標準 19 英 寸機柜內(nèi)，并用標準的接口總線電纜將系統(tǒng)所含的各臺設(shè)備連在一起構(gòu)成系統(tǒng)，通過標準接口實 現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)儀器與計算機之間的通信。第二代自動測試系統(tǒng)具有組建靈活、方便、可靠性好等優(yōu)點， 但是傳輸速率較低、測試系統(tǒng)規(guī)模較小、設(shè)備資源冗余量較大。3)第三代自動測試系統(tǒng)是以計算機為中心設(shè)備，基于標準總線技術(shù)，主要由卡式/模塊化的儀器/設(shè) 備所組成的自動測試系統(tǒng)，儀器、設(shè)備或嵌入式計算機以插卡的形式出現(xiàn)，并通過標準總線實現(xiàn) 互連。第三代自動測試系

4、統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、體積小、重量輕、系統(tǒng)組建靈 活、擴展容易、資源復用性好、標準化程度高等眾多優(yōu)點，是當前先進的自動測試系統(tǒng)，特別是1http:/www.paper.軍用自動測試系統(tǒng)的主要組建方案。在構(gòu)建測試系統(tǒng)的過程中，測試系統(tǒng)本身所采用的接口總線的能力直接影響系統(tǒng)的總體水平。從自動 測試系統(tǒng)的發(fā)展看，自動測試水平的提高，在很大程度上是由于總線技術(shù)的不斷升級換代的結(jié)果，可以說， 接口總線技術(shù)發(fā)展的水平標志著自動測試發(fā)展的水平。從早期的 RS232、GPIB 到近期的 VXI、MXI、PCI、 PXI、CompactPCI、IEEE1394（Firewire）、USB 等總線，

5、盡管技術(shù)特性不盡相同（如表 1 所示），但都被 廣泛應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上逐漸形成和發(fā)展了多總線融合的自動測試系統(tǒng)。表 1 當今幾種流行現(xiàn)代測試總線的比較12 34總線類型結(jié)構(gòu)速率傳輸 距離容量價格性能應(yīng)用VXI模塊化、體 積小40Mb/s256 個高信息吞吐量高，可 靠性強，靈活組建 系統(tǒng)較廣泛GPIB通 用 并 行 接口總線1Mb/s20m15 個低采用三線掛鉤，性 能可靠，技術(shù)成熟較廣泛MXI多 點 并 行 單 電 纜 通 訊鏈20Mb/s20m8 個較高性能高，開放性的 工業(yè)標準VXIbus 多機箱系 統(tǒng)外部計 算機 和 VXI 系統(tǒng)間的高 速通訊PCI并行 I/O 總 線132MB/s或

6、528MB/s256 個低提供即插即用缺 乏統(tǒng)一的測試總 線規(guī)范PC 平臺總線Compact PCI模 塊 化 并 行總線132MB/s或528MB/s每組 8 個 插槽，可 擴展適中提供即插即用與 熱插拔，有較好的 兼容性和擴展性越來越廣泛PXI模 塊 化 并 行總線132MB/s或264MB/s每組 8 個 插槽，可 擴展較高有較好的兼容性 和擴展性，具有測 試總線的基本特 性推廣應(yīng)用中USB通 用 串 行 總線480Mb/s3-5m127低通用 PC 外設(shè)接口 總線在測試系 統(tǒng)中 有 待推廣應(yīng)用Firewire串 行 通 訊 總線400Mb/s4.5m64 個較高性能優(yōu)越，使用簡 單計算

7、機系統(tǒng) 高速通訊以上幾種流行的現(xiàn)代測試總線構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)可以歸并為兩大類：基于標準 PC 總線結(jié)構(gòu)：計算機采用普通 PC 或筆記本電腦，儀器設(shè)備通常為卡式或臺式，直接 插入計算機內(nèi)部插槽或放置在計算機附近，以 ISA、PCI、USB、IEEE1394 等 PC 總線方式實現(xiàn) 計算機單元與儀器設(shè)備之間的聯(lián)系。此類測試系統(tǒng)造價低廉，不具備標準儀器的部分功能，適合于工業(yè)測控、現(xiàn)場排故等場合?；趯Ｓ脺y試總線結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)需要符合總線要求的機箱和背板，計算機通常采用符合總線要求的 專用計算機或筆記本電腦總線轉(zhuǎn)換模塊，儀器設(shè)備為卡式模塊或臺式，插入專用機箱中或放置 在計算機附近，以 GPIB、VXI、P

8、XI/Compact PCI 等專用測試總線方式實現(xiàn)計算機單元與儀器設(shè) 備之間的聯(lián)系。此類測試系統(tǒng)造價較高，儀器設(shè)備與標準儀器完全相同，適合于產(chǎn)品驗收、質(zhì)量2http:/www.paper.檢驗等場合。2、USB 總線簡介通用串行總線 USB 是由 COMPAQ、DEC、IBM 等七家公司共同提出的一種新的外設(shè)連接技術(shù)，目前 的最新版本是 USB2.0 規(guī)范，支持低速率的 1.5Mbps、全速的 12Mbps 和高速的 480Mbps 三種速度。USB 設(shè)備傳輸速率快、支持熱插拔、易于連接、提供+5V/500mA 電源，可為低功耗外部設(shè)備提供電源電壓。數(shù) 據(jù)傳輸過程中，USB 驅(qū)動器、接收器和

9、電纜等硬件消除了可能引起數(shù)據(jù)錯誤的噪聲，同時在協(xié)議中使用了 數(shù)據(jù)錯誤的檢測并能通知發(fā)送者實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新發(fā)送，有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。一個USB系統(tǒng)是由USB主機、USB設(shè)備、USB互聯(lián)三個方面組成的。USB主機與USB設(shè)備之間通過USB 總線進行連接，其物理連接是一個星型結(jié)構(gòu)，集線器位于每個星型結(jié)構(gòu)的中心，每一段都是主機和某個集 線器，或某一功能設(shè)備之間的一個點到點的連接，也可以是一個集線器與另一個集線器或功能模塊之間的 點到點的連接。1 5圖 1 總線的拓撲結(jié)構(gòu)3、USB 總線在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1 USB 總線在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用USB 以其易插拔，無需配置，真正的即插即用等

10、特性在 PC 中獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著虛擬儀器技術(shù) 的發(fā)展，USB 總線在自動測試系統(tǒng)領(lǐng)域也逐漸煥發(fā)出強大的生命力，已經(jīng)出現(xiàn)了基于 USB 總線的邏輯分 析儀、I/O、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等儀器設(shè)備，也出現(xiàn)了一系列的自動測試系統(tǒng)。例如 NI 公司推出的 CompactDAQ 便攜式測試儀器就采用了 USB 總線，它為各種傳感器提供了簡單方便的即插即用 USB 連接，以及工作臺、 現(xiàn)場和生產(chǎn)線上的電子測量方案?；?USB 總線來構(gòu)建自動測試系統(tǒng)時，計算機作為整個系統(tǒng)中的 HOST 設(shè)備，負責監(jiān)測總線上的 USB 設(shè)備并分配相應(yīng)的系統(tǒng)資源，并可按照測試程序要求調(diào)用儀器設(shè)備完成相關(guān)操作；而儀器設(shè)備則是 U

11、SB 總線上的一個個 Device 設(shè)備，儀器自身通常不再自帶鍵盤面板和顯示器等人機交互界面，而是通過 USB 總線接收操作命令返回測試結(jié)果。由于一臺計算機自身所帶的 USB 接口有限，同時 USB 總線的電纜長度3http:/www.paper.一般不超過 5m，因此儀器設(shè)備和計算機之間的互聯(lián)一般是通過集線器來實現(xiàn)。在利用計算機、集線器和USB 儀器搭建起測試硬件平臺后，就可以在計算機上運行測試程序完成相應(yīng)的測試操作。3.2 USB 總線應(yīng)用到自動測試系統(tǒng)中的優(yōu)勢采用 USB 總線來構(gòu)建自動測試系統(tǒng)，具有以下幾方面優(yōu)點：系統(tǒng)組建靈活、快捷USB 總線支持熱插拔、無需配置，是真正的即插即用。組

12、建系統(tǒng)時可根據(jù)系統(tǒng)測試需要，選擇適當?shù)?設(shè)備連接到計算機即可，操作系統(tǒng)能自動檢測到插入系統(tǒng)的 USB 設(shè)備，載入合適的驅(qū)動軟件，而不需要 用戶指定端口地址、中斷分配等配置內(nèi)容，系統(tǒng)組建靈活、方便、快捷；當系統(tǒng)中有儀器設(shè)備出現(xiàn)故障時， 既不需要關(guān)閉計算機，也不需要打開機箱，直接更換設(shè)備即可，此時操作系統(tǒng)會自動檢測并為設(shè)備使用做 好準備，有效縮短了測試系統(tǒng)的平均維護時間。由于 USB 接口本身可提供+5V/500mA 的電源，已經(jīng)可以滿足某些低功耗的儀器設(shè)備需要。利用這樣 的設(shè)備構(gòu)建的簡單系統(tǒng)，只需要一臺筆記本電腦加上相關(guān)設(shè)備即可完成工作，而不需要再單獨配備外部電 源，可滿足某些特殊環(huán)境的測試需要

13、。軟、硬件技術(shù)成熟、資源豐富USB 是由 Compaq、DEC、IBM、Intel、NEC、Microsoft 以及 Northern Telecom 等七家公司于 1994 年11 月共同提出并正在逐步完善，在以上幾家大型的計算機軟硬件廠商的支持下，軟硬件資源豐富、技術(shù)成 熟。目前，Cypress、Microchip、Motorola、Atmel、Philips 等大型的芯片制造商都提供成熟的 USB 接口芯 片以及配套的開發(fā)設(shè)備和驅(qū)動程序模板，開發(fā)者只需要稍做修改就可以完成設(shè)計。USB 設(shè)備的使用還需要操作系統(tǒng)的支持，以實現(xiàn)檢測 USB 設(shè)備連接到系統(tǒng)或從系統(tǒng)中撤出；與新連 接設(shè)備通信，實

14、現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；提供上層軟件驅(qū)動 USB 硬件以及訪問 USB 硬件的機制。目前，Microsoft 公 司的 Windows98/2000/XP、蘋果公司的 iMac、Linux、FreeBSD 以及 NetBSD 等操作系統(tǒng)均支持 USB。性價比高利用 USB 總線結(jié)構(gòu)構(gòu)建自動測試系統(tǒng)時，無須購買專用的計算機和機箱，只需要提供帶有 USB 接口 的普通 PC 或筆記本電腦加上擴展用的集線器即可，外部設(shè)備通過 USB 總線與計算機相聯(lián)。測試系統(tǒng)軟件 通過調(diào)用 USB 總線設(shè)備的驅(qū)動程序，實現(xiàn)相應(yīng)的測試操作，從而完成測試任務(wù)。3.3 需要注意的問題利用 USB 總線結(jié)構(gòu)來構(gòu)建自動測試系統(tǒng)的過程中，

15、還需要充分認識到 USB 自身的特性，考慮以下三 個方面的問題。設(shè)備供電4http:/www.paper.由于 USB 總線自身只能提供給外設(shè)5v/500mA 的電源，因此在設(shè)計時需要充分考慮設(shè)備的功耗要求，如果 USB 總線提供的電源不能完全滿足設(shè)備功耗要求時，需要考慮專門為外設(shè)提供外部供電。靜電防護USB 設(shè)備支持即插即用，但是沒有提供類似 Compact PCI 總線使用的靜電放電槽，因此在插入設(shè)備的 瞬間，可能出現(xiàn)由于 USB 設(shè)備積累大量電荷而瞬時放電，導致燒毀設(shè)備或主板的南橋芯片；外部供電的 USB 設(shè)備在使用時，如果存在外設(shè)與計算機不共地的情況，同樣可能燒毀設(shè)備或主板的南橋芯片。

16、針對以 上兩種情況，建議在使用時，強制將設(shè)備外殼與計算機外殼接地，以保證兩者之間始終共地，不會有較大 的壓差或積累電荷存在，從而確保設(shè)備在熱插拔過程中的安全。軟件設(shè)計 測試系統(tǒng)軟件的開發(fā)通常是建立在虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，上層應(yīng)用軟件的開發(fā)是基于 VXI plug& play 驅(qū)動器或 VISA/SICL/SCPI 命令的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對儀器設(shè)備的操作和控制的。而 USB 設(shè)備通常只提供硬件驅(qū)動程序，軟件開發(fā)人員需要以文件操作的方式對其進行訪問，這對測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)而言就顯得 不甚方便。因此在開發(fā) USB 總線設(shè)備時，建議按照 VPP-3.2 儀器驅(qū)動程序開發(fā)規(guī)范要求對 USB 硬件驅(qū)動 進行

17、二次封裝，生成符合規(guī)范要求的儀器驅(qū)動程序，提供初始化函數(shù)、配置函數(shù)、作用/狀態(tài)函數(shù)、數(shù)據(jù)函 數(shù)、關(guān)閉函數(shù)等控制儀器特定功能的軟件模塊，以及模塊特定功能決定的完整的測試和測量操作函數(shù)，這 將為上層應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來莫大的方便。參 考 文 獻1 李行善，左毅，孫杰 自動測試系統(tǒng)集成技術(shù) 電子工業(yè)出版社，20042 孫續(xù) 自動測試系統(tǒng)與可程控儀器 電子工業(yè)出版社，19943 陳長齡，田書林，師奕兵，黃建國 自動測試及接口技術(shù) 機械工業(yè)出版社 20054 張毅剛，彭喜元，姜守達，付平 自動測試系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學出版社 20015 張念淮，江浩 USB 總線接口開發(fā)指南 國防工業(yè)出版社 2001USB

18、 Bus and Its Application in an Auto-test SystemCui Linli1, Li Li21.School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science andTechnology of China, Chengdu 610054,China;2.School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)Abstract: USB bus is a serial bus, supporting hot swap, plug and play, and the highest transfer rate up to 4805http:/www.paper.Mbps. The third generation ATS emphasizes the computer for central equipment, based on standard bus