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测试测量仪器的市场、总线和赶超

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作者:特约撰稿人 李仪时间:2007-12-07来源:电子产品世界

  摘要: 本文回顾近年来仪器业的市场变化,介绍几种关键仪器的发展趋势,以及探讨我国仪器的赶超问题。

  关键词;仪器;;LXI;PXI;USB

  测试国际市场

  新千禧年起点的2000年,全球电子市场一片兴旺,测试测量业也迎来开门红,年销售额增长20%,与过去10年的平均年增长率5%~10%相比,业绩非常突出。但好景不长,从2001年年中开始,全球信息业受网络泡沫破灭的影响,使包括测试业在内的相关市场全部受到重挫,销售额连续三年下跌,大小公司均受到不同程度的冲击。测试业经过三年的调整和重组,直到2004年下半年市场开始复苏,终于迎来新一轮的增长周期。

  2004年至2007年测试测量业市场开始缓慢、稳定的回升,根据市场调研公司 Frost & Sullivan的最新分析资料,2006年测试测量仪器市场的销售额是17.7亿美元,预测2013年上升到23.3亿美元,年均复合增长率(CAGR)约6%。另一家全球工业分析公司(GIA)的预测更为乐观,认为2010年测试测量仪器业的市场销售额可达到45亿美元。应该注意,上述的测试测量仪器业是指传统的通用测试测量议器制造商,如Agilent、Tektronix、Advantest 等公司的一部分业务,故2006年的全球市场销售额只有17.7亿美元。实际上,这些传统测试测量公司几十年来业务范国已有很大发展。例如,Agilent 公司的业务范围涵盖测试测量仪器、半导体自动测试设备(ATE)、半导体制程检测设备、生物化学分析仪器, 2006年的销售额就达到60多亿美元。

  测试测量仪器业发展过程最初从通用仪器开始,逐步发展成ATE、半导体制程检测、印刷电路板检测等专用仪器系统。由于半导体器件和电子产品市场的不断扩大,带动这些专用测试测量设备的销售攀升,其市场份额早已超过通用测试测量仪器, 因而,出现独立的 ATE 公司和印刷电路板检测设备公司。解读各市场调研公司发表的测试测量仪器市场统计资料时,往往出现两种不同的数字,一些公司只统计传统、通用测试测量仪器市场和预测,另一公司发表包括通用和专用测试测量仪器市场在内的统计数字和预测。前者2006全球(小)市场只有17多亿美元,后者全球(大) 市场高达160多亿美元,两者相差约10倍。2005/2006年测试测量仪器业大市场10强的销售额见表1。

  在表1中,Agilent的数字不包括生物化学分析仪器的销售额, 通用测试测量仪器、ATE、半导体制程检测设备的销售总额超过30亿美元,是业界最强势的公司。Advantest是同时销售通用仪器和ATE 的公司,而且成长很快,近年来后来居上,攀升至第二位,遥遥领先其它对手。Teradyne是专营ATE设备的公司,而且曾多年在 ATE业界领先,近五年来被 Advantest 赶上并超越。Tektronix长期以通用测试测量仪器为主,特别在数字示波器领先其它对手,成为销售额超过10亿美元的公司。Fluke也是10亿美元销售额的公司,以手持测量测试仪最具特色,表中数字不包括网络仪器部分的销售额。Anritsu以微波测试测量仪器为主要产品,销售额超过7亿美元。Verigy是在2006年从Agilent拆分出来的公司,原来是Agilent的半导体制造检测设备部。NI一直在测试测量仪器软件方面领先,近年加强硬件业务,销售额超过5亿美元。Aeroflex 以微波通用测试测量仪器为主,销售额刚超5亿美元。Credence的主要产品是 ATE设备。

  表1只列出上市公司的销售额,并按销售额大小排名。由于R&S属于非上市的私人公司,专门生产通用测试测量仪器,2006年稍售额13亿欧元(约16亿美元),实际上排名应在10强的第3名。10强占有整个测试测量仪器市场80%的份额,10强以外的公司大部分销售额在1亿美元以下。虽然测试测量仪器业的市场达到160亿美元,与半导体业的2800多亿美元的市场相比,仍然只占较小的份额。但是,测试测量仪器和设备在整个国民经济中的重要作用,是难以用销售额的大小来衡量的。

  仪器发展趋势

  测试测量仪器业从1960年代制定第一个仪器总线标准GPIB,大约每10年增添一种新的仪器总线,相继推出VXI、PXI和 LXI,近年来还有从PC外设总线直接移植作为仪器总线的USB。由于GPIB将由LXI替代,而VXI所占份额陆续减少,以下只介绍PXI、 LXI和USB三种仪器总线的发展趋势,以及它们对测试测量仪器的影响。

  LXI 总线

  2004年9月成立的以Agilent公司为首的 LXI 总线联盟,2005年发布LXI标准1.0版本,并推出第一批 LXI 模块,从2005至2007年的两年间,LXI 仪器销售额共2亿美元。对于两年内取得如此业绩,LXI 联合体主席 Bob Rennard 认为,值得为此高兴和受到鼓舞,这种新仪器标准是成功的,其他总线仪器都要经过多年后才能达到这样水平的销售额。LXI联盟同时宣布,目前联合体会员拥有48家公司和机构,包括Agilent、Elgar、Keithley、Pickering、 R&S、VXI Technology 等仪器公司,NI也通过收购加入其中,产品达到419种,包括开关子系统、频谱分析仪、信号分析仪、电源、电力分析器、波形发生器、示波器、数字化器等等。

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  LXI总线的基础设施是以太网,通过高速以太网实现仪器系统从局域至广域的全球连网,依靠 IEEE1588精确定时协议获得整个仪器系统的全球定时同步。目的是以简单、经济、高速、实用的硬件和软件构建新一代的测试测量系统,代替已使用四十年的IEEE488(或称GPIB)总线。因为测试测量仪器业和最终用户都具有使用互联网的熟练经验,对利用以太网作为网络载体并无异议。但是对于 IEEE1588协议的软件定时同步存在疑问,因为测试测量仪器业通用的 GPIB 、VXI 、PXI 总线 都便用电缆和微带线的硬线互连方式,获得准确的极短的定时同步和延时。LXI 标准中对 IEEE1588的软件定时同步的说明又比较笼统,给出的数字是约100ns~1ms。显然与其他总线的定时同步小于10ps 至10ns 的数字相差甚远,提出是否LXI 只适用在低速数据系统而不能用在高速数据系统的问题。

  今年9月在美国 AutotestCon(自动测试大展)上,Agilent 推出E5818A LXI触发器,它可将LXI C级模块仪器和 GPIB仪器提升到IEEE1588协议具有的精确定时同步能力。E5181A的特点是:

  *LXI联合体认证的第一台 LXI C级触发器;

  *具有 IEEE1588的13ns的定时同步精度;

  *点对点和多点的通信能力,在不同模块传输大量数据时可缩短测试时间;

  *连接方便,可通过 Web浏览器配置参数和升级;

  *为两台外接议器( LXI C级或 GPIB 仪器的任意组合)提供 LXI B 级仪器的定时同步能力, 为5 000个事件提供时戳。

  E1518A的推出说明,LXI测试测量仪器系统可通过IEEE1588协议实现 10ns 级的时间同步,而且可与GPIB仪器兼容工作。最近一家集成电路公司宣布制成基于 IEEE1588精确定时协议的以太网收发器芯片,使以太网器件之间的定时同步达到8 ns。同时IEEE1588工作组将在2007年底讨论1.0版的升级问题,提高定时同步精度至1ns级。这样一来,LXI B级测试测量系统将具有很高的定时同步能力,达到完全成替代GPIB总线的目标。Agilent是生产 LXI仪器最多和配套能力最强的供应商,频率覆盖至20 GHz以上,也是业界第一家推出微波合成仪器(SI) 测试系统的公司。

  PXI总线

  NI公司为首的 PXISA(PXI系统联盟)成立于1997年9月,今年正好是十周年大庆。在PXISA诞生的同时,公布了PXI总线标准1.0版本和演示第一台简单配置的PXT仪器。 2000年推出 PXI 2.0版本, 现今PXISA已有70个成员,1500种产品,覆盖从直流至6GHz频段的各种仪器。根据 Frost & Sullivan公司的资料,PXI仪器市场在2004年达到1.18亿美元,每年有两位百分数的增长率,预测至2012年仍以23%的年均复合增长率增加,大大超达整个测试测量仪器市场的5%的年均复合增长率。

  众所周知,PXTSA得到 NI公司的全力支持,而LXI总线联合体由Agilent作强大后盾,两种总线各自发展,相互交流不多。近年 Agilent公司亦看好PXI市场,2006年底并购两家 PXI仪器公司,第一家是专门生产PXI 高速光电和电子模块的PXIT公司,笫二家是生产各种插卡和PCI/ PXI数字化器的 Acquiris 公司,扩大已有的 PXI产品线,正式加加盟 PXI系统联盟。

  在PXISA成立时,将 PXI仪器市场定位在中等价位的中、小型仪器系统,避开 GPIB、 VXI 具有优势的大型仪器系统市场。现今,GPIB总线将由LXI 总线替代, VXI 仪器虽然还在生产,但市场已经缩小,新模块新产品推出不多。为了将 PXI 总线产品推进到更高价位的大型系统,PXISA 及时采取新措施,一是保留原有的3U 板卡和机箱, 再增加6U板卡和机箱,二是随着 PCI 总线升级到PCIExpress总线,保留 PXI 总线并扩充成 PXIExpress 总线。

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  这样一来,PXI仪器既有更大尺寸的模块、机箱和系统,还将总线线宽提高到64位、带宽提高42倍和数据传输速度达到600 MB/s 。加上NI 公司的 LabVIEW图形编程软件升级到效率更高的8.5版本,可以预期,PXI 仪器将有更大的发展,包括进入综合仪器测试系统。在这种背境下,Agilent扩大 PXI产品线成为拥有GPIB、PXI、LXI、USB多种总线的仪器公司。

  PXISA由于得到有测试测量仪器业巨头的加盟, 又有最大仪器软件公司的支持, PXI仪器的功能和性能将得到更大提高,例如频率覆盖超过6GHz ,更容易构建微波合成仪器(SI)测试系统。 PXI仪器已经具有可与LXI 仪器一比高低的潜力,预期 PXI 仪器市场也将获得扩展。

  USB

  USB(通用串行总线)作为PC机的外设总线,由于具有串行传输、即插即用、可热插拔、配置方便、线缆和连接器简单、兼有直流供电、传输率最高480Mb/s、价格大众化等优点而被广泛使用。每部台式机和笔记本都至少配备1~2个USB接口,加上大量视频、移动电话、消费电子产品亦广泛使用USB 接口,现在USB每年的装机数已超过20亿套,成为最普及的、也是成本最低的 PC外设接口。

  测试测量仪器的 VXI 、PXI总线都是借助电脑的通用外设总线扩展而成,因为这类总线应用面广、性能价格比高,扩大到仪器应用具有事半功倍的效益。VXI 、PXI 总线的目标是实现由模块仪器组成的通信网络,它们用于单台仪器并不具有优势。在USB 总线未推出之前,单台仪器与 PC 机的通信曾使用并行、串行、AT/XT 、PCI 、IEEE1394等总线接口,它们都不够经济实用。当前USB 已被测试测量仪器供应商和用户认可,将 PC外设总线直接用作仪器总线,而无需扩展的一个成功范例。

  最初只有掌上式的功能简单或频率较低的 USB仪器出现,例如数据采集器、数字示波器、数字多用表等 PC 附件式仪器,因为 USB 设备之间的通信必须通过 PC主机来实现,USB的直流供电电流只有500 mA,不能满足复杂仪器的供电。后来USB附属条文On-The-Go解决了设备之间设备相互对话问题,接着 USB标准1.0版本开级至2.0 , 新标准的数据传输率从 12 Mb/s增加至480Mb/s, 准备增加直流供电电流,连接器和集线器微型化等,USB 2.0版本极大地促进了USB仪器的发展。

  近两年来,USB 数据采集系统的通道数和取样率大幅度提高,中档的台式仪器开始采用 USB总线, 借助星型连接组成的无同步要求的 USB仪器网络获得好评。例如示波器巨头Tektronix公司的几种经济型数字示波器(最高带宽200MHz的TDS1000B和TDS2000B系列) 使用 USB接口,实现即插即用的与 PC的无缝连接,简化数据收集、捕捉、分析的工作进程,达到降低仪器成本、使仪器轻巧、提高生产效率的要求。

  数字示波器还提供外接设备的 USB 接口,可连接闪存和打印机,作数据储存、交换和现场升级之用。当前还有采用 USB接口的单通道微波功率计、中等特性的频谱分析仪、光谱分析仪、取样率1 MS/s 的多通道数据采集系统等更多测试测量仪器出现。

  USB总线特性还在提高,值得注意的有,一是无线 USB (WUSB) 标准己经通过,将可实现无线缆的仪器互连;二是 USB的供电电流将从500mA/SV 提高到6A/SV,便于更大功耗仪器的供电;三是再提高传输率,加快存储媒体的数据交换能力。显然,USB总线仪器将在中、小测试测量仪器中扩大应用范围。

  我国测试测量仪器的差距和赶超

  上世纪五六十年代,我国测试测量仪器业与国际水平的差距不大,“两弹一星”能够成功发射就是最好的证明。当时我国受国际禁远和封锁,高级精密仪器无法引进,完全依靠自力更生来完成机械、电子、光学等多种测试测量仪器的研发。由于众所周知的原因,在1960~1970年代,国民经济体系受到不同程度的破坏,测试测量仪器业与其它工业部门一样,科研、生产受到严重干扰,与国际水平的距离开始拉大。此时,先进工业国家的测试测量仪器业正好完成从分立的真空器件电路到集成的半导体电路的过渡,以及从模拟电路向数字电路的发展。仪器的机械调控由电调取代,广泛使用印制电路和小型封装元件,引入计算机控制和运算,制定开放式总线标准,推广硬件的软件化,使测试测量仪器仪器进入智能化阶段。此时,测试测量仪器业面貌一新,更新换代加快,从小型公司发展成为全能企业,出现惠普等国际性的仪器公司。

  1970年代后期我国迎来开放改革的大好时光,可惜测试测量业不能适应从计划经济向市场经济的转型,主管部门没有充分认识到 测试测量业仪器业在国民经济中的重要作用,没有从研发经费和生产环节作有利于该产业的政策倾斜。我国整体工业得到良性发展,但是测试测量仪器业变成了被遗忘的角落,与国际水平的差距继读拉大。

  经过二十多年的努力,“中国制造”的许多工业产品走向全球,在高科技的电子、信息、电信业中亦拥有全球著名的品牌,如晶圆代工业的中芯国际公司、电脑业的联想集团、电信业的大唐集团等等。可是测试测量仪器业并无“中国制造”的高技术含量的高、中档产品,只有数字表头、稳压电源、数字万用表等技术含量较低的仪表。目前我国中高档仪器市场大部分由外国厂商占领,最高档的仪器还受到生产国的出口限制而不易引进,对我国科研、生产等高科学技术的发展形成瓶颈。

  产生这种情况的根本原因在于,主管部门对测试测量仪器业在我国科学技术和工业生产中的重要意义认识不足。我国古代学者很早就认识到“欲善其事,先利其器”,秦统一中国后立即制订“度量衡” 标准,这也是有历史记载的最早计量标准。现代先进的工业国家对测试测量仪器和计量标准都非常重视,美国“国家标准技术研究所”既研发计量技术,也提供国际最准确的计量标准、测试测量仪器和测量方法。它比原有“国家标准局”更着重新测试技术的研发,以适应科技发展的需要。根据它多年积累的经验,认为测试测量仪器业的总产值只占全国工业总产值的4%,但是对国民经济的影响却达到60%。

  我国经历了三十年的高速发展,积累许多成功的经验,也有不少失误的教训。我们过去对测试测量仪器业的重要性认识不足,相关管理部门重视不够,现在应该从战略高度上对测试测量业仪器业作出长远和近期规划的时候了。值得高庆的是,今年我国有关部委、高等院校、工业集团、学术团体、出版传媒召开多次会议,对加速测试测量仪器的发展有了共识。我们相信,制定和落实新措施后,将走出一条具有中国特色的发展测试测量仪器业的道路。“中国制造”的高水平测试测量仪器与“中国制造”的其它高科技含量产品一同出现在国际市场上,将指日可待,为时不远了。

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