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仪器通讯接口简史

wKevin

1960`，个人电脑还只在科幻书籍中的年代，当年的惠普主营业务还是电气领域。

1965 年，惠普在成立 26 年的时候，收购了宾西的 F&M 科技公司，跻身于分析仪器领域，同年推出了 HP-IB(HP Interface Bus)接口规范，应用在自己的医疗和测量仪表中，这是个像串口、I2C、PIC 一样的物理接口协议。但在随后的几年里，HP 也对仪表领域的雄心壮志一发不可收拾，HP-IB 也逐渐被 HP 推广成了 IEEE 的标准，直到后来的安捷伦成立。

HP-IB 成为业内既成规范之后，改了个更高大上的名字 GPIB(General-Purpose Interface Bus)，但仍是个物理层+链路层的协议，规定了总线电平、双向异步、并行比特、支持级联…… 当年仪表里面还没有操作系统，还叫做下位机，操作仪表的设备叫做上位机，上位机里的软件还是用 BASIC 语言编写的…… 就像现在的功放（PA），控制功放的 TR 板只用一根 I2C 总线就把 PA 搞定了。另外，I2C 和 GPIB 有个共同点：都能够级联，URAT 就不行了。

学过《计算机组成原理》的同学可能还记得 Motorola 的一款经典 CPU：68k，那是 1979 年的作品，32 位的总线和寄存器、big-ending，应用在 PDP-11、VAX 等这种庞然大物的工作站中，放在研究所、高校里面给教授们搞科研。68k 众多创新中有一条：VMEbus，这种 CPU 对外扩展接口的 16bit 总线，搭着 68k 的顺风车迅速成长为主板和扩展卡之间、主板与主板之间的通用通信接口，后来也发展出了 32bit、64bit。

80 年代，个人计算机（PC）时代来了，世界的各个角落都能放一台 PC，插一个卡来控制仪表了，也能用 C 语言开发驱动了。1987 年 6 月，Colorado Data System,Hewlett Packard,Racal Dana, Tektronix 和 Wavetek 等 5 家公司成立VXIbus 联盟，在 VMEBus、IEEE488 等标准基础上制定“具有开发体系结构的仪器总线标准”,VXI(VME eXtensions for Instrumentation) 名字中就能看出 VME 的身影。1987 年 7 月，VXIbus 联盟发布了第一个版本：VXI-1，几乎就是 VME 的克隆，但你注意了没有，Motorola 并没有在这个 VXI 联盟中，所以 VXI-1 和 VME 只能做孪生兄弟，不能合并归一。这种事情并不少见，ANSI C & ISO C 也是缠的难舍难分。

时间过的很快，转眼 90 年代了，但其实对仪表接口来说，发展的还是相当缓慢，毕竟还是在摩尔定律的前期。一个大得的进展就是 1990 年的 SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments) 了，这是 IEEE 搞的一套树状分层结构的命令集，其实就是定义了若干个操作的 ASCII 字符串，比如，通用的命令，如配置仪器参数的命令 CONFigure，测量命令 MEASure 等。SCPI 在 ISO 7 层结构中属于应用层，没物理层和链路层啥事，所以这些做物理层的仪表厂家们都乐得其所，让 IEEE 来干吧。IEEE 也喜欢干些有一定现实基础的，风险不是很高的规范性工作，比如 92 年 9 月，IEEE 又将 VXI 升华为自己的 IEEE-1552 标准。

把 SCPI 字符串发给仪表的 PC 驱动（windows dll 库等）还都是由各自厂家开发的，IEEE 控制不了也不想控制，但确实用起来受限制，如果能安装一个库就能向所有仪表发送 SCPI 命令就好了，其实这并不难，几个厂家从驱动团队中各抽一人，很快就能搞定。1993 年 NI、Tektronics、Racal 等著名仪器公司成立了 VPP(VXI plug & play)联盟，并制定了 VPP 规范，目标只有一个：为 VXIbus 开发通用的驱动，即插即用 —— 就像 C 语言标准库接口（19 个头文件，定义了百来个宏定义和函数），用这个 VPP 编程接口发送 SCPI 命令字符串就能控制仪表了——全世界这么多厂家能够做到这一步，好像真的不容易啊。

VPP 包括以下几部分：

  • VPP-1 ： Charter Document
  • VPP-2 ： System Frameworks Specification
  • VPP-3.x ： Instrument Driver Specifications，仪器驱动程序设计
  • VPP-4.x ： VISA Virtual Instrument Software Architecture Specifications
  • VPP-6 ： Installation and Packaging Specification
  • VPP-7 ： Soft Front Panel Specification，软面板
  • VPP-8 ： VXI Module/Mainframe to Receiver Interconnection
  • VPP-9 ： Instrument Vendor Abbreviations

VPP 就像 POSIX 接口一样，是个系统级的工程，其中的 VPP-4 规范出的 VISA(The Virtual Instrument Software Architecture) 就主要描述了 I/O API，如果要编程的话，仔细看 VISA 的文档，就跟写 C 语言要仔细看 Standrd C，写 C++要仔细看 MFC 一样。

编程接口很快就写好了，谁来实现是个问题，就像几个科室联合写了个方案，具体落实谁来出人开发是另外一回事了，项目经理可以点名：那个谁谁谁，听说你 linux 熟，这个模块就交给你来了。但 VPP 的实现可没有项目经理，还好，大厂勇敢的挑起了重担，NI 实现了一把（NI-VISA），安捷伦实现了一把（Agilent IO），我猜罗德、泰克和安利应该也有，只不过用的少，你想这又何必呢，用 Agilent IO 已经能够和几乎所有仪表通信了，谁还再多安装一个呢。

一切看来都在向好的方向发展，物理层和链路层统一了：VXI 联盟的 VXIbus；高层控制命令统一了：IEEE 的 SCPI；PC 上的函数接口统一了：VPP 联盟的 VPP 规范。但还没完…… 因为 90 年代是计算机界的大航海时代！

1998 年 8 月，由九个公司成立的 IVI（Interchangeable Virtual Instruments）基金会，致力于推动仪表的统一编程和开发，为的是响应快速增长的 PC 上开发仪表控制的需求。要知道，基金会（foundation）和联盟（alliance）的玩法是不一样的，联盟有立场，比如二战的盟军（allied forces），为的是联手干翻对手；基金会则是庄家出钱但不参与基金会运营，基金会大多从事公益、慈善活动。从另一角度来说，名称和玩法的改变也是时代进步的选择，再弄些联盟的冷战字眼会显得很扎眼。

IVI 基金会制定的 IVI 规范 很快取得了一片喝彩和认同，不论是迫于无奈，还是心甘情愿，SCPI 和 VPP 都在 2002 年并入和 IVI 基金会，成为 IVI 规范中的一部分。

IVI 成了包含驱动、指令集（SCPI）、函数编程接口（VISA）等各个门派的武功大全，唯独物理层的少林派（南少林 VXIbus/北少林 VMEbus）还没有被他收至麾下。

少林派在释长老的带领下与时俱进，自我蜕变:

  • VXI 发展出 VXI-11，从 SCPI 终于过度到 TCP/IP
  • 2004 年 Agilent 和 VXI Technology 两公司建立的 LXI 联盟，LXI（LAN eXtension for instrumentation） 意思是 VXI 扩展到 LAN 局域网上，所以可以用 LXI 的驱动与 LXI 的仪表通信，也可以使用 VXI-11 的驱动与 LXI 的仪表通信。

好了，故事讲完了，再来整理一下关键词：

  • 物理层/链路层：VMEbus(by Moto) --> VXIbus(by VXI 联盟) --> LXIbus(by LXI 联盟)
  • 控制命令：SCPI(by IEEE) --------_
  • 驱动和编程接口：VPP(by VPP 联盟) --> IVI(by IVI 基金会)

以上故事大多猜测、杜撰，如有错误，不吝指正。

VMEbus (Versa Module Europa bus)​

VXI(VME eXtension for Instrumentation)​

The VXIbus specification combines VMEbus with GPIB features

  • 1987 年 6 月，Colorado Data System,Hewlett Packard,Racal Dana, Tektronix 和 Wavetek 等 5 家公司成立委员会（VXIbus 联盟），在 VMEBus、IEEE488 等标准基础上制定“具有开发体系结构的仪器总线标准”。
  • 1987 年 7 月，VXIbus 联盟发布了第一个版本。
  • 1992 年 9 月，IEEE 批准为 IEEE-1552 标准。

VXI 规范目前包括 3 个文档：

  1. VXI-1 : VXIbus System Specification
  2. VXI-10: Fast Data Channel Specification
  3. VXI-11: TCP/IP Instrument Protocol Specification

VPP(VXI plug & play)​

1993 年 NI、Tektronics、Racal 等著名仪器公司成立了 VXIplug&play 联盟并制定了 VXIplug&play 规范，简称 VPP 规范。目标是为 VXIbus 开发通用的驱动。

VPP 包括以下几部分：

  • VPP-1 Charter Document

  • VPP-2 System Frameworks Specification

  • VPP-3.x Instrument Driver Specifications，仪器驱动程序设计

  • VPP-4.x VISA Virtual Instrument Software Architecture Specifications

  • VPP-6 Installation and Packaging Specification

  • VPP-7 Soft Front Panel Specification，软面板

  • VPP-8 VXI Module/Mainframe to Receiver Interconnection

  • VPP-9 Instrument Vendor Abbreviations

  • VISA(Virtual Instrument Software Architecture)

    • Wiki
    • The Virtual Instrument Software Architecture (VISA) is a standard for configuring, programming, and troubleshooting instrumentation systems comprising GPIB, VXI, PXI, Serial, Ethernet, and/or USB interfaces. VISA provides the programming interface between the hardware and development environments such as LabVIEW, LabWindows/CVI, and Measurement Studio for Microsoft Visual Studio.
    • 发起人：
      • Agilent Technologies
      • Anritsu
      • Bustec
      • Keysight Technologies
      • Kikusui
      • National Instruments
      • Rohde & Schwarz
      • Tektronix
    • 实现：
      • NI-VISA:
        • software libraries, interactive utilities such as NI I/O Trace and the VISA Interactive Control, and configuration programs through Measurement & Automation Explorer for all your development needs.

SCPI​

2002 年，SCPI 并入 IVI 基金会

IVI​

1998 年 8 月，由九个公司成立的 IVI（Interchangeable Virtual Instruments）基金会。 2002 年合入 VPP 后，在 VPP 的基础上为仪器驱动程序制定了新的编程接口标准，使应用程序可以实现完全独立于硬件，独立于接口，并增加了仪器仿真、状态缓存等机制，大大提高了仪器驱动程序的执行效率。 IVI 基金会制订的仪器驱动程序规范将仪器分成基本功能和扩展功能两部分，并将所有的仪器进行分类。更换同类仪器的时候，只要修改或更换那些特殊功能的代码，也就是具体的驱动程序，而不必改动类驱动程序。 已经公布了九类仪器的规范：示波器、开关、任意波形发生器/函数发生器、数字电压表、电源、射频信号发生器、频谱分析仪、功率计和数字 I/O 仪器。

IVI 协议包括几部分：

  • Architecture （IVI-3.x）：IVI/IVI-C/IVI-COM/IVI-NET 等驱动
  • Instrument Classes （IVI-4.x）：针对示波器、信号源……等仪表分别描述 Class
  • HiSLIP Network Protocol Specifications（IVI-6.x）：告诉网络协议说明
  • SCPI：继承并增强 SCPI
  • VISA（VPP-4.x）：继承并增强 VPP
  • Instrument Driver（VPP-3.x）：继承并增强 VPP

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)​

http://www.lxistandard.org/

可以使用 VXI-11 的接口与 LXI 的仪表通信

Many LXI instruments communicate via the LAN through one of two protocols, VXI-11 and HiSLIP