測試測量儀器的市場、總線和趕超

　　摘要： 本文回顧近年來測試測量儀器業(yè)的市場變化，介紹幾種關(guān)鍵儀器總線的發(fā)展趨勢，以及探討我國測試測量儀器的趕超問題。

　　關(guān)鍵詞： 測試測量;儀器;總線;LXI;PXI;USB

　　測試測量儀器國際市場

　　新千禧年起點的2000年，全球電子市場一片興旺，測試測量業(yè)也迎來開門紅，年銷售額增長20%，與過去10年的平均年增長率5%~10%相比，業(yè)績非常突出。但好景不長，從2001年年中開始，全球信息業(yè)受網(wǎng)絡泡沫破滅的影響，使包括測試測量儀器業(yè)在內(nèi)的相關(guān)市場全部受到重挫，銷售額連續(xù)三年下跌，大小公司均受到不同程度的沖擊。測試測量儀器業(yè)經(jīng)過三年的調(diào)整和重組，直到2004年下半年市場開始復蘇，終于迎來新一輪的增長周期。

　　2004年至2007年測試測量業(yè)市場開始緩慢、穩(wěn)定的回升，根據(jù)市場調(diào)研公司 Frost & Sullivan的最新分析資料，2006年測試測量儀器市場的銷售額是17.7億美元，預測2013年上升到23.3億美元，年均復合增長率(CAGR)約6%。另一家全球工業(yè)分析公司(GIA)的預測更為樂觀，認為2010年測試測量儀器業(yè)的市場銷售額可達到45億美元。應該注意，上述的測試測量儀器業(yè)是指傳統(tǒng)的通用測試測量議器制造商，如Agilent、Tektronix、Advantest 等公司的一部分業(yè)務，故2006年的全球市場銷售額只有17.7億美元。實際上，這些傳統(tǒng)測試測量公司幾十年來業(yè)務范國已有很大發(fā)展。例如，Agilent 公司的業(yè)務范圍涵蓋測試測量儀器、半導體自動測試設(shè)備(ATE)、半導體制程檢測設(shè)備、生物化學分析儀器, 2006年的銷售額就達到60多億美元。

　　測試測量儀器業(yè)發(fā)展過程最初從通用儀器開始，逐步發(fā)展成ATE、半導體制程檢測、印刷電路板檢測等專用儀器系統(tǒng)。由于半導體器件和電子產(chǎn)品市場的不斷擴大，帶動這些專用測試測量設(shè)備的銷售攀升，其市場份額早已超過通用測試測量儀器, 因而，出現(xiàn)獨立的 ATE 公司和印刷電路板檢測設(shè)備公司。解讀各市場調(diào)研公司發(fā)表的測試測量儀器市場統(tǒng)計資料時，往往出現(xiàn)兩種不同的數(shù)字，一些公司只統(tǒng)計傳統(tǒng)、通用測試測量儀器市場和預測，另一公司發(fā)表包括通用和專用測試測量儀器市場在內(nèi)的統(tǒng)計數(shù)字和預測。前者2006全球(小)市場只有17多億美元，后者全球(大) 市場高達160多億美元，兩者相差約10倍。2005/2006年測試測量儀器業(yè)大市場10強的銷售額見表1。

　　在表1中，Agilent的數(shù)字不包括生物化學分析儀器的銷售額, 通用測試測量儀器、ATE、半導體制程檢測設(shè)備的銷售總額超過30億美元，是業(yè)界最強勢的公司。Advantest是同時銷售通用儀器和ATE 的公司，而且成長很快，近年來后來居上，攀升至第二位，遙遙領(lǐng)先其它對手。Teradyne是專營ATE設(shè)備的公司，而且曾多年在 ATE業(yè)界領(lǐng)先，近五年來被 Advantest 趕上并超越。Tektronix長期以通用測試測量儀器為主，特別在數(shù)字示波器領(lǐng)先其它對手，成為銷售額超過10億美元的公司。Fluke也是10億美元銷售額的公司，以手持測量測試儀最具特色，表中數(shù)字不包括網(wǎng)絡儀器部分的銷售額。Anritsu以微波測試測量儀器為主要產(chǎn)品，銷售額超過7億美元。Verigy是在2006年從Agilent拆分出來的公司，原來是Agilent的半導體制造檢測設(shè)備部。NI一直在測試測量儀器軟件方面領(lǐng)先，近年加強硬件業(yè)務，銷售額超過5億美元。Aeroflex 以微波通用測試測量儀器為主，銷售額剛超5億美元。Credence的主要產(chǎn)品是 ATE設(shè)備。

　　表1只列出上市公司的銷售額，并按銷售額大小排名。由于R&S屬于非上市的私人公司，專門生產(chǎn)通用測試測量儀器，2006年稍售額13億歐元(約16億美元)，實際上排名應在10強的第3名。10強占有整個測試測量儀器市場80%的份額，10強以外的公司大部分銷售額在1億美元以下。雖然測試測量儀器業(yè)的市場達到160億美元，與半導體業(yè)的2800多億美元的市場相比，仍然只占較小的份額。但是，測試測量儀器和設(shè)備在整個國民經(jīng)濟中的重要作用，是難以用銷售額的大小來衡量的。

　　儀器總線發(fā)展趨勢

　　測試測量儀器業(yè)從1960年代制定第一個儀器總線標準GPIB，大約每10年增添一種新的儀器總線，相繼推出VXI、PXI和 LXI，近年來還有從PC外設(shè)總線直接移植作為儀器總線的USB。由于GPIB將由LXI替代，而VXI所占份額陸續(xù)減少，以下只介紹PXI、 LXI和USB三種儀器總線的發(fā)展趨勢，以及它們對測試測量儀器的影響。

　　LXI 總線

　　2004年9月成立的以Agilent公司為首的 LXI 總線聯(lián)盟，2005年發(fā)布LXI標準1.0版本，并推出第一批 LXI 模塊，從2005至2007年的兩年間，LXI 儀器銷售額共2億美元。對于兩年內(nèi)取得如此業(yè)績，LXI 聯(lián)合體主席 Bob Rennard 認為，值得為此高興和受到鼓舞，這種新儀器標準是成功的，其他總線儀器都要經(jīng)過多年后才能達到這樣水平的銷售額。LXI聯(lián)盟同時宣布，目前聯(lián)合體會員擁有48家公司和機構(gòu)，包括Agilent、Elgar、Keithley、Pickering、 R&S、VXI Technology 等儀器公司，NI也通過收購加入其中，產(chǎn)品達到419種，包括開關(guān)子系統(tǒng)、頻譜分析儀、信號分析儀、電源、電力分析器、波形發(fā)生器、示波器、數(shù)字化器等等。

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　　LXI總線的基礎(chǔ)設(shè)施是以太網(wǎng)，通過高速以太網(wǎng)實現(xiàn)儀器系統(tǒng)從局域至廣域的全球連網(wǎng)，依靠 IEEE1588精確定時協(xié)議獲得整個儀器系統(tǒng)的全球定時同步。目的是以簡單、經(jīng)濟、高速、實用的硬件和軟件構(gòu)建新一代的測試測量系統(tǒng)，代替已使用四十年的IEEE488(或稱GPIB)總線。因為測試測量儀器業(yè)和最終用戶都具有使用互聯(lián)網(wǎng)的熟練經(jīng)驗，對利用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡載體并無異議。但是對于 IEEE1588協(xié)議的軟件定時同步存在疑問，因為測試測量儀器業(yè)通用的 GPIB 、VXI 、PXI 總線 都便用電纜和微帶線的硬線互連方式，獲得準確的極短的定時同步和延時。LXI 標準中對 IEEE1588的軟件定時同步的說明又比較籠統(tǒng)，給出的數(shù)字是約100ns~1ms。顯然與其他總線的定時同步小于10ps 至10ns 的數(shù)字相差甚遠，提出是否LXI 只適用在低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)而不能用在高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)的問題。

　　今年9月在美國 AutotestCon(自動測試大展)上，Agilent 推出E5818A LXI觸發(fā)器，它可將LXI C級模塊儀器和 GPIB儀器提升到IEEE1588協(xié)議具有的精確定時同步能力。E5181A的特點是：

　　*LXI聯(lián)合體認證的第一臺 LXI C級觸發(fā)器;

　　*具有 IEEE1588的13ns的定時同步精度;

　　*點對點和多點的通信能力，在不同模塊傳輸大量數(shù)據(jù)時可縮短測試時間;

　　*連接方便，可通過 Web瀏覽器配置參數(shù)和升級;

　　*為兩臺外接議器( LXI C級或 GPIB 儀器的任意組合)提供 LXI B 級儀器的定時同步能力, 為5 000個事件提供時戳。

　　E1518A的推出說明，LXI測試測量儀器系統(tǒng)可通過IEEE1588協(xié)議實現(xiàn) 10ns 級的時間同步，而且可與GPIB儀器兼容工作。最近一家集成電路公司宣布制成基于 IEEE1588精確定時協(xié)議的以太網(wǎng)收發(fā)器芯片，使以太網(wǎng)器件之間的定時同步達到8 ns。同時IEEE1588工作組將在2007年底討論1.0版的升級問題，提高定時同步精度至1ns級。這樣一來，LXI B級測試測量系統(tǒng)將具有很高的定時同步能力，達到完全成替代GPIB總線的目標。Agilent是生產(chǎn) LXI儀器最多和配套能力最強的供應商，頻率覆蓋至20 GHz以上，也是業(yè)界第一家推出微波合成儀器(SI) 測試系統(tǒng)的公司。

　　PXI總線

　　NI公司為首的 PXISA(PXI系統(tǒng)聯(lián)盟)成立于1997年9月，今年正好是十周年大慶。在PXISA誕生的同時，公布了PXI總線標準1.0版本和演示第一臺簡單配置的PXT儀器。 2000年推出 PXI 2.0版本, 現(xiàn)今PXISA已有70個成員，1500種產(chǎn)品，覆蓋從直流至6GHz頻段的各種儀器。根據(jù) Frost & Sullivan公司的資料，PXI儀器市場在2004年達到1.18億美元，每年有兩位百分數(shù)的增長率，預測至2012年仍以23%的年均復合增長率增加，大大超達整個測試測量儀器市場的5%的年均復合增長率。

　　眾所周知，PXTSA得到 NI公司的全力支持，而LXI總線聯(lián)合體由Agilent作強大后盾，兩種總線各自發(fā)展，相互交流不多。近年 Agilent公司亦看好PXI市場，2006年底并購兩家 PXI儀器公司，第一家是專門生產(chǎn)PXI 高速光電和電子模塊的PXIT公司，笫二家是生產(chǎn)各種插卡和PCI/ PXI數(shù)字化器的 Acquiris 公司，擴大已有的 PXI產(chǎn)品線，正式加加盟 PXI系統(tǒng)聯(lián)盟。

　　在PXISA成立時，將 PXI儀器市場定位在中等價位的中、小型儀器系統(tǒng)，避開 GPIB、 VXI 具有優(yōu)勢的大型儀器系統(tǒng)市場?，F(xiàn)今，GPIB總線將由LXI 總線替代, VXI 儀器雖然還在生產(chǎn)，但市場已經(jīng)縮小，新模塊新產(chǎn)品推出不多。為了將 PXI 總線產(chǎn)品推進到更高價位的大型系統(tǒng)，PXISA 及時采取新措施，一是保留原有的3U 板卡和機箱, 再增加6U板卡和機箱，二是隨著 PCI 總線升級到PCIExpress總線，保留 PXI 總線并擴充成 PXIExpress 總線。

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　　這樣一來，PXI儀器既有更大尺寸的模塊、機箱和系統(tǒng)，還將總線線寬提高到64位、帶寬提高42倍和數(shù)據(jù)傳輸速度達到600 MB/s 。加上NI 公司的 LabVIEW圖形編程軟件升級到效率更高的8.5版本，可以預期，PXI 儀器將有更大的發(fā)展，包括進入綜合儀器測試系統(tǒng)。在這種背境下，Agilent擴大 PXI產(chǎn)品線成為擁有GPIB、PXI、LXI、USB多種總線的儀器公司。

　　PXISA由于得到有測試測量儀器業(yè)巨頭的加盟, 又有最大儀器軟件公司的支持, PXI儀器的功能和性能將得到更大提高，例如頻率覆蓋超過6GHz ,更容易構(gòu)建微波合成儀器(SI)測試系統(tǒng)。 PXI儀器已經(jīng)具有可與LXI 儀器一比高低的潛力,預期 PXI 儀器市場也將獲得擴展。

　　USB

　　USB(通用串行總線)作為PC機的外設(shè)總線，由于具有串行傳輸、即插即用、可熱插拔、配置方便、線纜和連接器簡單、兼有直流供電、傳輸率最高480Mb/s、價格大眾化等優(yōu)點而被廣泛使用。每部臺式機和筆記本都至少配備1~2個USB接口，加上大量視頻、移動電話、消費電子產(chǎn)品亦廣泛使用USB 接口,現(xiàn)在USB每年的裝機數(shù)已超過20億套，成為最普及的、也是成本最低的 PC外設(shè)接口。

　　測試測量儀器的 VXI 、PXI總線都是借助電腦的通用外設(shè)總線擴展而成，因為這類總線應用面廣、性能價格比高，擴大到儀器應用具有事半功倍的效益。VXI 、PXI 總線的目標是實現(xiàn)由模塊儀器組成的通信網(wǎng)絡,它們用于單臺儀器并不具有優(yōu)勢。在USB 總線未推出之前，單臺儀器與 PC 機的通信曾使用并行、串行、AT/XT 、PCI 、IEEE1394等總線接口，它們都不夠經(jīng)濟實用。當前USB 已被測試測量儀器供應商和用戶認可，將 PC外設(shè)總線直接用作儀器總線,而無需擴展的一個成功范例。

　　最初只有掌上式的功能簡單或頻率較低的 USB儀器出現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字示波器、數(shù)字多用表等 PC 附件式儀器，因為 USB 設(shè)備之間的通信必須通過 PC主機來實現(xiàn)，USB的直流供電電流只有500 mA，不能滿足復雜儀器的供電。后來USB附屬條文On-The-Go解決了設(shè)備之間設(shè)備相互對話問題，接著 USB標準1.0版本開級至2.0 , 新標準的數(shù)據(jù)傳輸率從 12 Mb/s增加至480Mb/s, 準備增加直流供電電流，連接器和集線器微型化等，USB 2.0版本極大地促進了USB儀器的發(fā)展。

　　近兩年來，USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道數(shù)和取樣率大幅度提高，中檔的臺式儀器開始采用 USB總線, 借助星型連接組成的無同步要求的 USB儀器網(wǎng)絡獲得好評。例如示波器巨頭Tektronix公司的幾種經(jīng)濟型數(shù)字示波器(最高帶寬200MHz的TDS1000B和TDS2000B系列) 使用 USB接口，實現(xiàn)即插即用的與 PC的無縫連接,簡化數(shù)據(jù)收集、捕捉、分析的工作進程，達到降低儀器成本、使儀器輕巧、提高生產(chǎn)效率的要求。

　　數(shù)字示波器還提供外接設(shè)備的 USB 接口，可連接閃存和打印機,作數(shù)據(jù)儲存、交換和現(xiàn)場升級之用。當前還有采用 USB接口的單通道微波功率計、中等特性的頻譜分析儀、光譜分析儀、取樣率1 MS/s 的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等更多測試測量儀器出現(xiàn)。

　　USB總線特性還在提高，值得注意的有，一是無線 USB (WUSB) 標準己經(jīng)通過，將可實現(xiàn)無線纜的儀器互連;二是 USB的供電電流將從500mA/SV 提高到6A/SV，便于更大功耗儀器的供電;三是再提高傳輸率，加快存儲媒體的數(shù)據(jù)交換能力。顯然，USB總線儀器將在中、小測試測量儀器中擴大應用范圍。

　　我國測試測量儀器的差距和趕超

　　上世紀五六十年代，我國測試測量儀器業(yè)與國際水平的差距不大，“兩彈一星”能夠成功發(fā)射就是最好的證明。當時我國受國際禁遠和封鎖，高級精密儀器無法引進，完全依靠自力更生來完成機械、電子、光學等多種測試測量儀器的研發(fā)。由于眾所周知的原因，在1960~1970年代，國民經(jīng)濟體系受到不同程度的破壞，測試測量儀器業(yè)與其它工業(yè)部門一樣，科研、生產(chǎn)受到嚴重干擾，與國際水平的距離開始拉大。此時，先進工業(yè)國家的測試測量儀器業(yè)正好完成從分立的真空器件電路到集成的半導體電路的過渡，以及從模擬電路向數(shù)字電路的發(fā)展。儀器的機械調(diào)控由電調(diào)取代，廣泛使用印制電路和小型封裝元件，引入計算機控制和運算，制定開放式總線標準，推廣硬件的軟件化，使測試測量儀器儀器進入智能化階段。此時，測試測量儀器業(yè)面貌一新，更新?lián)Q代加快，從小型公司發(fā)展成為全能企業(yè)，出現(xiàn)惠普等國際性的儀器公司。

　　1970年代后期我國迎來開放改革的大好時光，可惜測試測量業(yè)不能適應從計劃經(jīng)濟向市場經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，主管部門沒有充分認識到 測試測量業(yè)儀器業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要作用，沒有從研發(fā)經(jīng)費和生產(chǎn)環(huán)節(jié)作有利于該產(chǎn)業(yè)的政策傾斜。我國整體工業(yè)得到良性發(fā)展，但是測試測量儀器業(yè)變成了被遺忘的角落，與國際水平的差距繼讀拉大。

　　經(jīng)過二十多年的努力，“中國制造”的許多工業(yè)產(chǎn)品走向全球，在高科技的電子、信息、電信業(yè)中亦擁有全球著名的品牌，如晶圓代工業(yè)的中芯國際公司、電腦業(yè)的聯(lián)想集團、電信業(yè)的大唐集團等等?？墒菧y試測量儀器業(yè)并無“中國制造”的高技術(shù)含量的高、中檔產(chǎn)品，只有數(shù)字表頭、穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表等技術(shù)含量較低的儀表。目前我國中高檔儀器市場大部分由外國廠商占領(lǐng)，最高檔的儀器還受到生產(chǎn)國的出口限制而不易引進，對我國科研、生產(chǎn)等高科學技術(shù)的發(fā)展形成瓶頸。

　　產(chǎn)生這種情況的根本原因在于，主管部門對測試測量儀器業(yè)在我國科學技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中的重要意義認識不足。我國古代學者很早就認識到“欲善其事，先利其器”，秦統(tǒng)一中國后立即制訂“度量衡” 標準，這也是有歷史記載的最早計量標準?，F(xiàn)代先進的工業(yè)國家對測試測量儀器和計量標準都非常重視，美國“國家標準技術(shù)研究所”既研發(fā)計量技術(shù)，也提供國際最準確的計量標準、測試測量儀器和測量方法。它比原有“國家標準局”更著重新測試技術(shù)的研發(fā)，以適應科技發(fā)展的需要。根據(jù)它多年積累的經(jīng)驗，認為測試測量儀器業(yè)的總產(chǎn)值只占全國工業(yè)總產(chǎn)值的4%，但是對國民經(jīng)濟的影響卻達到60%。

　　我國經(jīng)歷了三十年的高速發(fā)展，積累許多成功的經(jīng)驗，也有不少失誤的教訓。我們過去對測試測量儀器業(yè)的重要性認識不足，相關(guān)管理部門重視不夠，現(xiàn)在應該從戰(zhàn)略高度上對測試測量業(yè)儀器業(yè)作出長遠和近期規(guī)劃的時候了。值得高慶的是，今年我國有關(guān)部委、高等院校、工業(yè)集團、學術(shù)團體、出版?zhèn)髅秸匍_多次會議，對加速測試測量儀器的發(fā)展有了共識。我們相信，制定和落實新措施后，將走出一條具有中國特色的發(fā)展測試測量儀器業(yè)的道路?！爸袊圃臁钡母咚綔y試測量儀器與“中國制造”的其它高科技含量產(chǎn)品一同出現(xiàn)在國際市場上，將指日可待，為時不遠了。