GPIB：挑戰與商機並存

IEEE 488標準有一個廣為人知的名字：通用介面匯流排(GPIB)。這是一種很受歡迎的介面，用於連接測試測量儀器和電腦，以構成一套ATE(自動測試設備)。GPIB最初由惠普開發，並在1978年被確認為IEEE標準。自那時起，IEEE於1978年和1987年分別發佈了定義GPIB硬體規格(包括電氣參數、機械參數和基礎協議參數)的IEEE 488.1標準和定義相關軟體規格的IEEE 488.2標準。數十年來，GPIB受到了儀器廠商的廣泛接受和採用。可以說，GPIB是目前在電腦和測試測量儀器連接中使用最多的介面。

GPIB面臨的挑戰

PCI I/O匯流排的革命性改變(如數據吞吐率更高、佔位面積更小)推動了傳統ISA匯流排以及更成熟的PCI匯流排標準的普及。這些匯流排標準在傳輸速度上遠遠超過RS-232。其中，最出色的是USB和LAN介面，它們被證實具有比其他介面更高、更快、更全面的性能。由於它們性價比高而且連接方便，所以現有PC都配備了這兩種介面。同時，不計其數的傳統GPIB設備在經歷了30多年的改進和大範圍的發展之後，如今也支援熱插拔功能和遠端接取。因為GPIB的這些創新，更新和更快的I/O介面(例如USB或LAN)就很難完全取代GPIB在ATE產業中的地位。

由於GPIB在這一市場上的地位穩固，主流儀器製造商開發了由GPIB到USB或LAN的橋接通訊協議。這充分保護了用戶過去在GPIB介面儀器上的投資，同時也使用戶受益於USB和LAN介面的靈活性和高數據吞吐率優勢。橋接通訊協議以GPIB到USB/LAN配接器、GPIB-LAN網路閘道和轉換器的形式實現。橋接通訊協議及相關技術趨勢顯示，GPIB介面仍將佔有一席之地。

從硬體角度說，GPIB與USB/LAN介面的互通性因為無需再在擴展插槽上安裝ISA/GPIB卡，實現了更快速的整合和更便利的維護，降低了測試系統的成本和複雜度。

從軟體角度來說，GPIB與USB/LAN的組合很有優勢。因為大多數主流作業系統都能監控LAN或USB埠的狀態，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之類的高度整合環境也能自動識別連接上的儀器，並為其分配專用的軟體資源，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：你希望用於連接儀器的首選實體介面是哪一種：GPIB、USB還是LAN？軟體的要求、規格、能力和性能如何？根據所選的軟體應用，您將採用那種軟體開發環境來控制儀器並與其通訊？

假設用戶決定採用GPIB作為儀器的控制介面，那麼下一步就是確定與儀器通訊的I/O套裝軟體。這些I/O軟體工具被視為位於整合應用設計與連接儀器之實體介面之間的軟體層。製作自動測試應用有兩種方法：利用本地驅動程式API或透過高階儀器驅動程式。

第一種方法涉及本地驅動程式的API約定。這些API約定通常由大多數配接器廠商以ANSI C函數的方式提供。建議那些需要進行複雜儀器控制並希望達到最大系統吞吐率的用戶採用帶SCPI字符指令的驅動程式API。

而對於希望避免編寫複雜儀器指令的用戶而言，VISA或IVICOM等高階儀器驅動程式則是理想的方案。VISA是一種軟體介面，為電腦與測量儀器的通訊提供標準輸入輸出函數。

而高階儀器庫則可為各類型連接介面提供透明的軟體相容性，同時提供的函數也大多數與所使用的設備介面相獨立。不論你是準備透過RS-232、GPIB、USB還是LAN介面存取測量儀器，在改變通訊匯流排類型時，高階儀器驅動程式都不會增加修改軟體程式碼的負擔。最後，高階儀器驅動使你擁有更多時間專注於軟體開發，同時也讓用戶程式在以後的重新整合中具備更大的延展性。

確定了軟體I/O層後，下一步將是選擇最合適的ADE(應用開發環境)。ADE與軟體工具套件的結合十分關鍵，會直接影響總開發成本和應用的完工時間。因此，對軟體的價格以及學習或訓練所需的時間都必須謹慎考慮。同時，程式設計師可能還需要考慮採用軟體開發套件來加速測試系統的開發。軟體開發有兩種方式：圖形化開發和文件化開發。

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，很適合初學程式設計師使用。容易上手的圖形化編程環境使用戶可以迅速地製作測試系統原型，並有效處理幾個平行活動之間的數據串流。圖形化環境所支援的直接編程方式遠比利用文件編程來製作程式簡單。此外，在圖形化編程環境下，程式設計師無需熟悉複雜的語法，因為它能幫助程式設計師更輕鬆地學習和分享預定義程式碼。

文件化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式設計師有足夠的經驗。幸運的是，圖形化編程和文件化編程在執行性能間的差異最近正不斷縮小。



圖1：GPIB介面卡的開發流程及工具。

GPIB與其他介面的比較

對儀器製造商和用戶而言，快速可靠的連接是最重要的。隨著商用桌上型電腦和筆記型電腦的性能日益提高，PC與儀器之間的通訊也出現了演變。儘管GPIB仍是連接儀器的實際標準，PCI匯流排也仍是工業控制和測量的標準I/O介面，但新一代USB和乙太網路也開始闖進儀器控制領域。因此，有必要評估和比較這些介面標準。下表比較了不同標準在關鍵規格上的差異。理論頻寬與匯流排的吞吐率並不相同，它取決於主電腦的處理器速度、所安裝的設備，以及數據區塊大小的突發變化。

在搭建ATE時，選擇I/O介面是第一步。你可以選用帶純GPIB介面的傳統儀器，也可以選用帶LAN或USB介面的新型儀器。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援VISA等高階驅動程式，那麼你就可以體會到高階驅動程式在製作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匯流排控制器是GPIB的關鍵組件，它通常是一顆ASIC。生產這種元件的供應商不多，因此基於ASIC的GPIB價格昂貴。儘管元件製造商確信基於ASIC的GPIB比用FPGA實現的GPIB性能更出色，但其性價比卻沒有後者高，尤其是在原型驗證或小規模生產時。

隨著EDA工具的發展，FPGA提供了一種取代昂貴ASIC實現GPIB的選擇。同時，隨著越來越多FPGA問世，以及經驗證的IP核心可輕易透過網際網路取得，人們已開始把GPIB協議嵌入FPGA，這為測試和測量應用提供了一個非常有希望的發展商機。

從前文可以看出，GPIB作為一種可靠的I/O介面，仍將在大量現有儀器中繼續使用。同時，GPIB也提供了一種方便管理複雜硬體握手的方式。然而，決定性的上市時間因素迫使GPIB介面的硬體設計師與儀器製造商盡可能早地發佈產品。而謹慎選擇主控制器與遠端設備間的通訊協議，並充分瞭解GPIB的電訊號，就能緩解上市時間所帶來的壓力。這些因素越早得到滿足，產品開發的速度就越快。