——基于Thunderbolt的雷电测试总线

摘要：仪器总线作为应用于测试测量领域中的总线技术，承担着数据传输和控制的重要功能，被喻为测试测量系统的“神经中枢”，其每一次变革都推动着测试测量技术迈向新的台阶，走进新的应用领域。本文对仪器总线的发展历程进行了梳理，分析了便携式测试测量的要求和挑战，重点介绍了Thunderbolt 3总线的特点以及基于Thunderbolt 3的新一代TXI总线模块仪器产品。

Abstract：The instrument bus takes the important function of data transmission and control in the field of test and measurement,. It is called the “nerve center” of test and measurement system, and every change drives the test and measurement technology to a new level and opens new application area. This paper introduces the development history of instrument bus, analyzes the requirements and challenges of portable test and measurement, and focuses on the characteristics of Thunderbolt 3 bus and introduces the new generation of Instrument bus products based on Thunderbolt 3: name as Thunderbolt eXtension for Instrumentation, in short TXI.

关键词：仪器总线；便携式；测试；Thunderbolt 3；TXI

提到便携式测试测量设备，基于USB的数据采集卡或者USB模块仪器是大多数测试工程师当前的主要选择。但随着便携式测量对仪器参数的要求越来越高，测试采集产生的数据量越来越大，传统基于USB总线的便携测试设备在数据带宽和数据传输速度上已经无法满足要求。为填补这一空白，上海简仪科技开创性地将Thunderbolt 3雷电总线技术引入到测试测量领域，并从软硬件两方面进行研发设计，向市场推出了Thunberbolt eXtention for Instrumentation（以下简称TXI）的新型便携式模块仪器总线，可广泛应用于便携式数据采集、监测和数据流盘等常用的测试应用场景。本文将从仪器总线发展概览，便携式测试测量的要求和挑战，Thunderbolt 3（雷电3）总线的特点介绍以及TXI产品四个方面向测控工程师介绍这一由中国提出的新型测试总线技术。

1     仪器总线发展概览

自1972年GPIB纳入国际标准成为最早的仪器总线以来，纵观过去40年的历史，我们可以清晰地看到计算机技术的发展对仪器技术的引领和推动作用。30年前，VME总线为VXI仪器结构的建立奠定基础，20年前PCI总线的诞生推动了PXI技术的发展，直到近10余年我们拥有了由PCIe衍生而来的PXIe这样强大的仪器总线架构。仪器技术的革新一直都在紧随计算机技术的发展。

而今，由英特尔（Intel）公司发布的thunderbolt（雷电）总线正在为便携式模块仪器总线技术的发展带来新变革。从2011年Intel公司发布thunderbolt接口，到2018年Intel公司开始在CPU上集成Thunderbolt 3的主控并免费技术授权。可以预见，未来Thunderbolt 3技术的发展将呈迅猛之势。2018年，基于Thunderbolt 3技术的TXI总线应运而生，为便携式模块仪器的发展注入了新动能。

1.1  VME与VXI总线

VXI总线是1987年推出的用于测量和测试的新型标准仪器结构，其开发初衷是为了满足便携式应用的要求。VXI总线提供了一个标准的模块化结构，这种结构既可集成于GPIB的测试系统中，也可单独构成测试系统。VXI总线来源于VME总线结构，VME总线的数据传输速率为40Mbps，在30年前，用这样的总线结构来构成高吞吐量的仪器系统是非常理想的。

然而，由于VXI体积庞大，价格昂贵且基于过时的VME总线，现代计算机已经不支持这种总线结构。伴随着PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）总线的推出，VXI的市场份额逐步减少，而PXI的增长却势不可挡，早已在数年前超过VXI成为模块化测试测量的主流技术。

1.2  PCI与PXI总线

PCI是Intel公司于1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡，最大数据传输率为132MB/s。基于PCI的PXI仪器总线规范于1997年推出，它将CornpactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。当前，PXI由PXI系统联盟（PXISA）管理，该联盟7多家公司联合起来一起推进该标准的发展、保证互操作性，并维护PXI规范。因为PXI是一种开放的标准，所以任何设备商都可以生产PXI产品。

但随着用户对模块仪器总线带宽的要求越来越高，基于PCI总线的PXI系统已满足不了用户的需求。10年后，人们迎来了带宽更高、传输速率更快的PXIe总线。

1.3  PCIe与PXIe总线

2005年底，Intel公司将总线技术从PCI演进到PCI Express（PCIe），提高了总线的可用带宽。PCIe采用了串行互联的方式，以点对点的形式进行数据传输，每个设备都可以单独地享用带宽，从而大大提高了传输速率，而且也为更高的频率提升创造了条件。PXI随之将PCIe集成到PXI标准中，形成PXI Express（PXIe）仪器总线。利用PCIe技术，PXIe的可用带宽提高了45倍多，即从132MB/s提高到6GB/s，同时可维持与PXI模块间的软硬件兼容性。

PXIe系统由于其总线和架构的特殊性，仅能兼容PXI及PXIe总线的板卡，且体积较大，价格昂贵。基于对带宽、设备体积和性价比的综合考量，测试测量领域迫切需要一种新的计算机技术为其带来新的架构。

1.4  Thunderbolt 3与TXI总线

Intel公司于2011年推出的Thunderbolt技术为仪器技术的发展带来了新契机。Thunderbolt 3作为第三代Thunderbolt技术，数据传输速率最高可达40Gb/s。用户还能以菊花链的方式，将多达6部Thunderbolt设备连接至单个端口，而无需使用集线器或交换机。

为了将Thunderbolt在带宽和数据传输等方面的巨大优势引入测试测量领域，简仪科技与聚星仪器在2018年联合发布了基于Thunderbolt 3的TXI总线技术。TXI仅需使用含有Thunderbolt 3接口的电脑主机和TXI机箱即可完全替代PXI的机箱和控制器，体型小巧、便携并且具有出众的价格优势。TXI可兼容USB、PCIe及PXIe总线的板卡。借助Thunderbolt 3高达40Gbps的传输速率，TXI可以轻松地完成高速数据采集和高速流盘。基于菊花链的扩展和GPS时钟同步技术，TXI可便捷地实现分布式数据采集。由于具备高带宽、高传输速率、更好兼容性和更强大的扩展性等特性，测试工程师可以利用TXI更好地应对日益复杂的测试工作。

2    便携式测试测量要求和挑战

伴随着5G、工业物联网和人工智能等新兴技术的发展，工业自动化、航空航天、网络通信、交通和能源等领域正在加速技术创新和产品迭代。企业和科研机构的测试需求正在变得日益复杂化和多样化，测试采集产生的数据量也随之变得越来越大，要求模块化仪器和测试设备拥有更高的数据吞吐量、低延迟和高功率工作等特性，以提高研发和测试效率，加快产品上市，抢占技术制高点。基于传统总线的便携测试设备在数据带宽和数据传输速度上已经无法满足要求，TXI总线技术也由此应需而生。

作为基于Thunderbolt 3的新一代的便携式模块仪器总线，TXI采用了多种先进的软硬件技术，其高性能离不开Thunderbolt 3的多项关键技术。

3   Thunderbolt 3（雷电3）总线介绍

3.1  Thunderbolt的发展历程

Thunderbolt（雷电接口）是2011年Intel公司发布的实验室产品代号为“Light Peak”的一种技术。Thunderbolt的研发初衷是为了替代并统一目前电脑上数量繁多且性能参差不齐的扩展接口，比如SCSI、SATA、USB、FireWire和PCI Express。

图1 Thunderbolt技术发展历程

第一代产品Thunderbolt于2011年2月正式推出，与苹果公司的Mini DisplayPort接口集成。2015年6月发布的第三代产品Thunderbolt 3则改为与USB Type-C结合，总带宽最高可达40Gbps，并能提供电源。为了推动Thunderbolt的普及，Intel公司于2018年开始在CPU上集成Thunderbolt 3的主控，这意味着主板上不再需要额外的芯片即可支持该功能，厂商的制造成本得到了极大降低，并且技术授权也免费。

3.2  Thunderbolt 3的特点

Thunderbolt 3的数据传输速率最高可达40Gb/s，是Thunderbolt 2的2倍，USB 3的8倍，可为各种基座、显示屏或设备提供高速连接。它还与USB-C 整合，在获得 Thunderbolt 速度的同时，更加便捷易用，打造出一个真正通用的端口。它支持用户以菊花链的方式，将多达6部 Thunderbolt设备连接至单个端口，而无需使用集线器或交换机。Thunderbolt 3还可以为设备提供更强的供电，支持100W电力供给。

图2 Thunderbolt 3技术的优势

3.3  Thunderbolt 3的带宽

Thunderbolt 3占用的PCIe总线数是4条，用于传输数据的带宽为32Gbps，其中TB3的USB3.1有10Gbps的独占带宽，所以剩余可用带宽为22 Gbps。

图3 Thunderbolt 3的带宽与USB相比得到巨大提升

4  TXI总线及产品介绍

TXI是简仪科技与聚星仪器于2018年联合发布的基于Thunderbolt 3的测试测量仪器总线技术。

TXI是Thunderbolt eXtensions for Instrumentation的简称，是基于雷电接口的测试测量仪器，TXI系统包含三个核心组成部分：TXI机箱、TXI支持的模块板卡及时钟同步与扩展。

图4

4.1  TXI机箱

TXI作为新一代便携式模块仪器总线，支持把所有PCIe的数据采集卡和模块仪器通过特别设计的机箱转换成雷电接口，并针对测试测量优化。

TXI机箱由外壳、PCIe主板、转接板（PCIe转Thunderbolt3）以及风扇组成。通过该机箱，用户可以连接PCIe和PXIe总线的板卡到任何配有雷电3接口的电脑上。机箱可以直接插入PCIe总线的板卡，如用户希望在TXI机箱内使用PXIe总线的板卡，可以通过转接器将其转换为PCIe的接口再插入机箱。机箱与机箱之间允许使用菊花链的方式来扩展，最多可扩展6套TXI系统。

简仪推出的TXI-2801机箱即是基于Thunderbolt 3技术的便携式雷电测试机箱。TXI-2801机箱通过提供PCIe Gen3x4的插槽，可以完成高带宽的资料传输工作，同时支持热插拔功能。TXI-2801体积更小（长24.6 cm x宽6.8 cm x高14.3 cm），资料传输速度更快（Thunderbolt 3的数据传输速率最高可达40Gb/s）。在I/O接口方面，TXI-2801具备2个Thunderbolt 3.0接口，1个DC Power 接口，1个x8 插排和1个x1 插排PCIe 总线接口。

图5 基于Thunderbolt 3技术的便携式雷电测试机箱TXI-2801

4.2  TXI可兼容板卡

TXI系统可兼容的板卡类型包括：数字化仪(Digitizer)、数据采集卡(DAQ)、动态数据采集卡(DSA)、信号发生器（AWG）、高速DIO及工业DIO以及HDD/SSD高速数据存储模块。

为加快TXI对产业的推动作用，简仪科技在2018年发布TXI总线技术后，已经陆续推出了包括：TXI-69852雷电高速数字化仪、TXI-62214雷电多功能数据采集仪、TXI-69529动态数据采集卡、TXI-67360雷电高速数字IO等多个系列的TXI雷电测试产品。它们的软硬件都可以无缝结合到TXI-2801最新的雷电3总线便携式测试机箱，同时具备高性能和高数据传输带宽的特点，是性价比高于USB的便携式测试方案。

TXI-69852雷电高速数字化仪是一款具备14位分辨率、200 MS/s采样率的双通道高速PCI Express接口数字化仪/示波器，支持最大达90 MHz的高频率模拟输入和大动态范围信号。TXI-69852提供了±0.2 V、±2 V或±10 V的多种输入档位选择，可利用软件选择高阻抗或50Ω的输入阻抗、多元的同步触发选项。TXI-69852具备PCI Express总线和高达1Gb的内置内存，可以轻松地管理双通道同步的数据流。基于14位高分辨率模拟数字转换器与高稳定内置参考，TXI-69852同时提供了高采样率低失真及优异的动态范围表现。TXI-69852通过搭载强大的平均信号技术，确保了目标信号的真实度，因此适用于长时间、高速且连续性的数据采集量测应用，以及背景多噪声且重复的信号采集应用，如分布式光纤温度感测、雷达信号采集、大气科学研究等应用。

图6 TXI-69852雷电高速数字化仪

TXI-62214作为一款高性价比的雷电多功能数采仪，可通过不同的增益设置和扫描序列来采样多达16个AI通道，采样率最大可达250KS/s，是在不同输入范围内利用不同采样速度处理模拟信号的理想选择。它还为8个AI通道提供了差分模式，以实现最大程度的降噪。除了提供模拟输入功能外，TXI-62214还支持2通道12位模拟输出以产生波形。TXI-62214具备模拟及数字触发、24通道可编程数字I/O线及2通道16位通用定时器/计数器。它可通过SSI（系统同步接口）总线来实现多卡同步。由于具备自动校准功能，TXI-62214可把增益及偏移调节至指定的精度范围内，而不必使用可调电位器来校准板卡。

图7 TXI-62214雷电多功能数据采集仪

TXI-69529雷电动态信号采集仪是一款高性能、高密度的动态信号采集模块，它提供了8通道24位模拟输入通道，同步采样率最高可达204.8kS/s，并支持110dB的动态采集范围，是高密度、多通道信号量测的理想选择。TXI-69529针对振动测试做了特别的优化，如提供低至0.5Hz的交流耦合截止频率，并且所有的输入通道都包含了4mA的激励电流，用于加速规和麦克风的IEPE信号调节，因此非常适合机械状态监控、NVH 和相控阵的数据采集应用。

图8 TXI-69529雷电动态信号采集仪

TXI-67360雷电高速数字IO是带32 通道双向并行I/O线的高速数字I/O卡。数据传输率可达400 MB/s，时钟频率高达100 MHz（内部时钟）或200 MHz（外部时钟），非常适合于数字图像采集、视频播放及IC 测试等高速大规模数字量数据采集或交换应用。

图9 TXI-67360雷电高速数字IO

4.3 时钟同步与扩展

每个TXI机箱上会有2个Thunderbolt3的接口，利用其中任意一个接口可完成最多6台TXI系统的菊花链扩展。

单个TXI机箱目前可最多容纳3张PCIe板卡，在单个机箱可以使用RTSI/SSI总线进行板卡间的同步。使用RTSI/SSI总线，可以在多块PCI板卡之间共享和交换时钟以及触发信号，通常被用做同步。同步时钟由板卡晶振决定。

不同TXI机箱之间可通过外接GPS模块进行同步。GPS模块通过GPS 卫星星历和历书数据精确定时和定位。星历是详细的卫星轨道信息（标明卫星在指定时间的预定位置）。历书数据描述卫星整体健康情况（例如，接收机绝不能使用标记为不健康的卫星信号）及粗略的轨道信息。GPS模块同步可实现最高PPS精度达±100ns。

4.4  TXI的软件支持

TXI系统驱动仅需要安装机箱内TXI板卡的驱动，无需安装其他任何驱动。TXI系统支持目前市面上主流的开发平台和软件，同时支持主流的编程语言， 推荐使用开源免费的锐视开发软件SeeSharp。

5  结语

总结来说，作为新一代的便携式模块仪器总线技术，TXI具有带宽高、数据传输速度快、体积小、兼容性好、价格低、即插即用、便于分布式数据采集等诸多优势，可以帮助测控工程师快速、安全、低成本、高效率地构建测试系统，完成测试工作。此外，TXI是一款自主创新的测试硬件技术，通过利用TXI，中国工程师可以在完全自主可控的平台上完成测试研发工作。TXI的出现为便携式模块仪器的发展打开了一扇新的大门，必将全面提升便携式测试测量设备的技术水平，为工程师和科学家的研发创新提供更经济且高速的测试引擎。