VXI總線(xiàn)與虛擬儀器技術(shù)

摘要：虛擬儀器技術(shù)和VXI總線(xiàn)是當前測試控制領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題，也是儀器發(fā)展和設計的研究前沿。本文回顧了VXI 總線(xiàn)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，詳細介紹了VXI總線(xiàn)規范并闡述了當前虛擬儀器技術(shù)的最新發(fā)展。 關(guān)鍵詞：VXI總線(xiàn) 虛擬儀器 虛擬硬件 虛擬儀器是以一種全新的理念來(lái)設計和發(fā)展的儀器。和傳統儀器不同，虛擬儀器本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)放式的結構，用戶(hù)能夠根據自己的需要定義儀器的功能。VXI總線(xiàn)測試平臺是公認的21世紀儀器總線(xiàn)系統和自動(dòng)測試系統的優(yōu)秀平臺。VXI總線(xiàn)模塊儀器的優(yōu)良的交互操作性，數據傳輸速率高，可靠性高。體積小，重量輕，功耗低、可移動(dòng)性好、易維修，價(jià)格與傳統自動(dòng)測試系統相比具有巨大的潛力。它的出現為虛擬儀器的發(fā)展提供了新的動(dòng)力，進(jìn)一步增強了虛擬儀器的功能。 1 VXI總線(xiàn)與虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 20世紀80年代后期，儀器制造商發(fā)現GPIB總線(xiàn)和VME總線(xiàn)產(chǎn)品無(wú)法再滿(mǎn)足軍用測控系統的需求了。在這種情況下，HP、Tekronix等五家國際著(zhù)名的儀器公司成立了VXIbus聯(lián)合體，并于1987年發(fā)布了VXI規范的第一個(gè)版本。幾經(jīng)修改和完善，與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。 VXIbus規范是一個(gè)開(kāi)放的體系結構標準，其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標準的器件（計算機）之間能夠以明確的方式開(kāi)放地通信；使系統體積更??；通過(guò)使用高帶寬的吞吐量，為開(kāi)發(fā)者提供高性能的測試設備；采用通用的接口來(lái)實(shí)現相似的儀器功能，使系統集成軟件成本進(jìn)一步降低。 VXIbus規范發(fā)布后，由于軍方對測控系統的大量需求，許多儀器生產(chǎn)廠(chǎng)商都加入到VXIplug%26;amp;play（VXI既插既用）聯(lián)盟。聯(lián)盟是VXIbus聯(lián)合體的固有補充機構。聯(lián)盟通過(guò)規定連接器的統一方法、UUT接口和測試夾具、共享存儲器通信的儀器協(xié)議、可選VXI特性的統一使用方法以及統一文件的編制方法來(lái)增加硬件的兼容性，并開(kāi)發(fā)一種統一的校準方法。聯(lián)盟還通過(guò)規定和推廣標準系統軟件框架來(lái)實(shí)現系統軟件的“plug%26;amp;play”互換性。 虛擬儀器（Vitual Instrumentation，VI）最早是適應PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。所謂虛擬儀器，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一組完成傳統儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過(guò)軟件將通用計算機與儀器硬件結合起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)友好的圖形界面（通常稱(chēng)為虛擬面板） 操作這臺計算機，就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個(gè)傳統儀器一樣。VI透明地將計算機資源和儀器硬件（如A/D、D/A、數字I/0、定時(shí)器和信號調理器等）的測試、控制能力結合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現地數據的分析處理和表達，從而能更迅速、更經(jīng)濟、更靈活地解決測試問(wèn)題，并有效地降低了系統組建成本。 2 VXI總線(xiàn)系統規范簡(jiǎn)介 VXI總線(xiàn)系統或者其子系統由一個(gè)VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個(gè)VXIbus資源管理器和主控制器組成，零槽模塊完成系統背板管理，包括提供時(shí)鐘源和背板總線(xiàn)仲裁等，當然它也可以同時(shí)具有其它的儀器功能。資源管理器在系統上電或者復位時(shí)對系統進(jìn)行配置，以使系統用戶(hù)能夠從一個(gè)確定的狀態(tài)開(kāi)始系統操作。在系統正常工作后，資源管理器就不再起作用。主機箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻。 VXIbus不是設計來(lái)替代現存標準的，其目的只是提高測試和數據采集系統的總體性能提供一個(gè)更先進(jìn)的平臺。因此，VXIbus規范定義了幾種通信方法，以方便VXIbus系統與現存的VMEbus產(chǎn)品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。 2.1 VXI總線(xiàn)系統機械結構 VXIbus規范定義了四種尺寸的VXI模塊。較小的尺寸A和B是VMEbus模塊定義的尺寸，并且從任何意義上來(lái)說(shuō)，它們都是標準的VEMbus模塊。較大的C和D尺寸模塊是為高性能儀器所定義的，它們增大了模塊間距，以便對包含用于高性能測量場(chǎng)合的敏感電路的模塊進(jìn)行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1、P2和P3連接器。 目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是C尺寸的VXIbus系統，這主要是因為C尺寸的VXIbus系統體積較小，成本相對較低，又能夠發(fā)揮VXIbus作為高性能測試平臺的優(yōu)勢。 2.2 VXI總線(xiàn)系統電氣結構 VXIbus完全支持32位VME計算機總線(xiàn)。除此之外，VXIbus還增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線(xiàn)、用于測量同步和觸發(fā)的儀器總線(xiàn)、模擬相加總線(xiàn)以及用于模塊之間通信的本地總線(xiàn)。 VXIbus規范定義了3個(gè)96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是必備的，P2和P3兩個(gè)連接器可選。三個(gè)連接器的具體的信號分配可參見(jiàn)文獻[2]。下面對VXIbus在VMEbus總線(xiàn)基礎上增加的用于高性能儀器的部分總線(xiàn)作一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。 CLK10時(shí)鐘線(xiàn) 是一個(gè)10MHz的系統時(shí)鐘，用于模塊之間的精確同步。該信號源于0號槽，被分別差分送至各個(gè)模塊插槽。 MODID線(xiàn) 模塊識別線(xiàn)，可以通過(guò)特有的物理位置或插槽類(lèi)識別邏輯器件。這些線(xiàn)自0號槽分別送至1號槽至12號槽。系統自動(dòng)配置時(shí)必須用到MODID線(xiàn)。 TTL觸發(fā)線(xiàn) 包括TTLTRG0"TTLTRG7，是一組用于模塊間通信的、集電極開(kāi)路的TTL信號線(xiàn)。包括0號槽在內所有模塊都可以驅動(dòng)這些線(xiàn)或者從這些線(xiàn)上接受信息。這是一組通用線(xiàn)，可用于觸發(fā)、掛鉤、時(shí)鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。VXIbus規范已經(jīng)定義了同步（SYNC）觸發(fā)、時(shí)鐘傳送、數據傳送、起/停（STST）和外部觸發(fā)緩沖7種標準工作方式。 ECL觸發(fā)線(xiàn) 包括ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL觸發(fā)線(xiàn)一樣，是一組用于模塊之間通信和定時(shí)的信號線(xiàn)，但具有更高的工作速度。VXIbus規范已經(jīng)定義了7種跟TTL觸發(fā)線(xiàn)類(lèi)似的標準工作方式。 SUMBUS 相加總線(xiàn)是VXIbus背板上的一條模擬相加接點(diǎn)。每個(gè)模塊都可以用一個(gè)模擬電流源驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)這條線(xiàn)，或者通過(guò)一個(gè)高阻接收器如一個(gè)高阻抗模擬放大器。接收來(lái)自該總線(xiàn)的信息。 LBUS 本地總線(xiàn)是一種菊花鏈總線(xiàn)，可以用于相鄰安裝模塊的本地通信。規范已經(jīng)規定了使用LBUS傳送TTL、ECL、模擬低、模擬中和模擬高五種信號的標準。 CLK100和SYNC100 分別是100MHz系統時(shí)鐘和100MHz同步信號。用于系統中更高精度的定時(shí)和觸發(fā)。 STARX和STARY 星形觸發(fā)線(xiàn)提供了模塊間的異步通信。兩條STAR線(xiàn)連接在各模塊插槽和0號槽之間。0號槽可提供一個(gè)交叉矩陣開(kāi)關(guān)，通過(guò)對該開(kāi)關(guān)進(jìn)行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線(xiàn)之間的信號路徑。 電源線(xiàn) VXIbus加大了+5和+12V電壓的供電功率，增加了+12V（為模擬電路提供）和-2V、-5.2V(為ECL電路提供)電源線(xiàn)。 2.3 VXIbus系統EMC、供電和冷卻 VXIbus總線(xiàn)規范規定了系統傳導及輻射EMC（電磁兼容）產(chǎn)生和敏感度的上限值。EMC的限定保證了包含敏感電路的模塊能夠完成所期望的操作，而不受到系統中其他模塊的干擾。 為了方便系統集成VXIbus規范要求機箱制造商和模塊制造商在其產(chǎn)品規范中給機箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標。系統集成者可以根據這些指標選擇合適的機箱和模塊。 2.4 VXlbus系統通信 通信是VXibus標準的又一個(gè)重要組成部分。VXIbus總線(xiàn)規范定義了幾種器件類(lèi)型和通信協(xié)議。然而，規范為了保證開(kāi)放性，并沒(méi)有規定VXIbus主機箱和器件的控制方式，以便廠(chǎng)商可以靈活定義并與高速發(fā)展的PC技術(shù)同步。下一節將要詳細討論當前流行的幾種方式。 每個(gè)VXIbus器件都有一個(gè)唯一邏輯地址（unique logical address,ULA），編號從0到255，即一個(gè)VXIbus系統最多有256個(gè)器件。VXIbus規范允許許多器件駐留在一個(gè)插槽中以提高系統的集成度和便攜性，降低系統成本，也允許一個(gè)復雜器件占用多個(gè)插槽，VXIbus通過(guò)ULA進(jìn)行器件尋址，而不是通過(guò)器件的物理位置。 每個(gè)VXIbus器件必須具有圖1所示的一組寄存器，這些器件占用VXIbus A16地址空間的高16K。圖中所標注的地址是相對于器件基地址的偏移地址。器件基地址計算公式為： 基地址=ULA%26;#215;3F16+0C00016 （1） 圖中A32指針高是指數據的高16位，A32指針低是指數據的低16位，A24指針高是指數據的高12位，A24指針低是指數據的低12位，數據低是指數據的低8位，數據高是指數據的高8位。 最常見(jiàn)的VXIbus器件是寄存器基器件和消息基器件。 寄存器基器件是最簡(jiǎn)單的VXIbus器件，通過(guò)寄存器讀寫(xiě)來(lái)通信，常用于功能簡(jiǎn)單的器件。它通過(guò)VXIbus定義的配置元素來(lái)完成配置，并通過(guò)器件相關(guān)寄存器來(lái)工作。寄存器基器件具有很高的通信速度，隨著(zhù)眾多產(chǎn)品對VXIplug%26;amp;play標準的支持，其編程難的問(wèn)題也得到了解決。 消息基器件通常是VXIbus系統中具有本地智能的器件。高性能儀器通常都是消息基的。除了VXIbus系統最基本的配置寄存器外，消息基儀器還具有一組通信寄存器，并支持基于A(yíng)SCII碼的字串行協(xié)議，以同系統中的其它消息基器件通信。這樣盡管會(huì )因為對ASCII碼命令進(jìn)行解析而降低通信速度，但是它可以簡(jiǎn)化多廠(chǎng)商支持，并簡(jiǎn)化編碼（當然隨著(zhù)VXIplug%26;amp;play標準的普及而不再顯著(zhù)）。消息基器件的成本較高。 3 VXI總線(xiàn)控制方式 總的來(lái)說(shuō)，VXI控制器有嵌入式和外接式兩類(lèi)，而外接控制器又有很多不同的方案可供選擇。 3.1 嵌入式VXI控制器 嵌入式VXI控制器就是把計算機做成VXIbus模塊，直接安裝到VXI主機箱中，并通常占據0槽位置。大多數嵌入式控制器都基于PC體系，也有部分是基于HP-UX和其它如Lynx-OS實(shí)時(shí)系統的。采用嵌入式控制器的VXI系統具有最小可能的體積。 嵌入式控制器能夠直接訪(fǎng)問(wèn)VXIbus背板信號，并直接讀寫(xiě)VXIbus器件的寄存器，而不會(huì )像外接控制器那樣進(jìn)行總線(xiàn)轉換而引入軟件開(kāi)銷(xiāo)，因此具有最高的數據傳輸性能。 3.2 外接式控制器 VXI總線(xiàn)外接式控制方式是一種靈活而且性能價(jià)格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應用。根據所采用的外部總線(xiàn)，外接式控制器又有直接擴展和轉換擴展兩種方式。 直接擴展就是將部分VXI總線(xiàn)信號線(xiàn)直接擴展機箱外作為外總線(xiàn)，連接計算機和VXI機箱控制器，例如MXI/MXI-2總線(xiàn)控制方案。圖2給出了一個(gè)典型MXI/MXI/MXI-2總線(xiàn)控制方案。圖2給出了一個(gè)典型MXI/MXI-2系統配置，MXI/MXI-2總線(xiàn)直接將PC擴展總線(xiàn)和VXI總線(xiàn)耦合起來(lái)，通過(guò)硬件數據傳輸周期轉換，在PC擴展總線(xiàn)和VXI總線(xiàn)之間并行地進(jìn)行數據傳輸，具有很高的隨機讀寫(xiě)和字串行性能。MXI/MXI-2總線(xiàn)還擴展了VXI總線(xiàn)的狀態(tài)、中斷、時(shí)鐘和觸發(fā)等總線(xiàn)，是一種高性能外接控制方案。 轉換擴展就是用一些跟VXI總線(xiàn)無(wú)直接聯(lián)系的通用總線(xiàn)（如GP-IB、1394、MAX-3、光纖通路等），來(lái)連接計算機和VXI總線(xiàn)控制器，從而構成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。圖3給出了一個(gè)典型的VXI-1394系統。由于這些外總線(xiàn)通常都是串行的或者位數很少的并行總線(xiàn)，數據傳輸過(guò)程中需要作大量的總線(xiàn)轉換工作，首字節延遲較長(cháng)，隨機讀寫(xiě)和字串行性能較低。并且采用這些控制方式的計算機不能直接訪(fǎng)問(wèn)VXI總線(xiàn)的狀態(tài)、中斷、時(shí)鐘和觸發(fā)等信號線(xiàn)，系統的實(shí)時(shí)性和同步性能要受到影響。但是這些系統的組建成本通常都相對較低，GPIB-VXI系統可利用已有的GPIB儀器，VXI-1394和MXI-3系統的塊數據傳輸性能高，MXI-3和FOXI總線(xiàn)的工作距離遠，因此它們適合在一些性能要求不是很高、經(jīng)費不很充?；蛘哂刑厥庖蟮膱?chǎng)合中應用。 4 虛擬儀器技術(shù)的新進(jìn)展 近年來(lái)，虛擬儀器因其強大的性能價(jià)格比優(yōu)勢得到了廣泛的應用。隨著(zhù)一些新的PC技術(shù)和數據采集技術(shù)逐漸應用到VI中，VI技術(shù)也有了一些新的進(jìn)展。 4.1 基于Web的虛擬儀器 Web技術(shù)在Internet的廣泛應用，導致了Browser/Web(B/W)這一新的軟件模型的流行。Web與VI技術(shù)相結合，便產(chǎn)生了基于Web的VI，其模型如圖4所示。 VI服務(wù)器實(shí)際上就是一臺運行了Web服務(wù)器和VI應用的計算機，客戶(hù)機通過(guò)瀏覽器請求運行服務(wù)器上的VI。服務(wù)器接收到請求后，運行相應的VI，并將結果返回到客戶(hù)機?；赪eb的VI系統可以建立在通用的WWW軟件和客戶(hù)/服務(wù)端開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎上，例如使用IIS、Apache等作服務(wù)器，使用腳本語(yǔ)言、CGI、XML、JAVA等開(kāi)發(fā)客戶(hù)端和服務(wù)器應用，也可以采用VI廠(chǎng)商的提供的專(zhuān)用軟件環(huán)境，例如NI公司的DataSocket和Gweb Server等。 4.2 虛擬硬件（VH） 虛擬硬件（Virtual Hardware，VH）的思想源于可編程器件。用戶(hù)可以通過(guò)編程方便地改變硬件的功能和性能參數，從而依靠硬件設備的柔性（Flexibility）來(lái)增強其適應性和靈活性。 NI公司的NI5911/5912就是一種典型的采用了柔性精度技術(shù)的數字化儀。它由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的數字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線(xiàn)性化的DSP組成。對于4～100MHz帶寬的信號，系統工作在傳統模式下，采樣精度為8-bit。當輸入信號帶寬在4MHz以下時(shí)，系統將進(jìn)入柔性精度狀態(tài)，采用信號中的寬帶量化噪音，對噪音進(jìn)行電路濾除，然后數據被送到DSP進(jìn)行線(xiàn)性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進(jìn)一步濾除高頻噪音，最后用抽取技術(shù)按較低速率重構波形，使有效垂直精度達到8～21bit。 4.3 可互換虛擬儀器（IVI） IVI技術(shù)試圖提供一個(gè)儀器驅動(dòng)程序標準，為可互換的儀器提供了一個(gè)健壯的框架，并著(zhù)力解決困優(yōu)測試系統開(kāi)發(fā)者的儀器性能問(wèn)題。IVI規范把儀器分成一個(gè)系列的子類(lèi)，例如DMM、示波器、開(kāi)關(guān)等，并按照某一子類(lèi)儀器最通用的特征和功能來(lái)為該子類(lèi)儀器制定規范。IVI建立在VISA I/O層以上，把傳統的儀器驅動(dòng)程序分成子類(lèi)驅動(dòng)程序和儀器專(zhuān)有驅動(dòng)程序兩個(gè)子層。專(zhuān)有驅動(dòng)程序執行傳統的儀器驅動(dòng)程序功能，但是具有性能優(yōu)化的低層結構和儀器仿真功能。子類(lèi)驅動(dòng)程序包含該類(lèi)儀器的通用功能函數，這些函數直接調用相應的專(zhuān)有儀器驅動(dòng)程序函數。圖5給出了一個(gè)采用IVI技術(shù)的虛擬示波器體系結構。 “軟件就是儀器”是虛擬儀器帶給儀器工業(yè)的一次革命。虛擬儀器的硬、軟件的開(kāi)放性、模塊化、可重復使用的特點(diǎn)，同時(shí)借助于VXI總線(xiàn)的系統結構這一構筑虛擬儀器的理想的平臺，虛擬儀器系統必然會(huì )給現代控制測試領(lǐng)域帶來(lái)一片新天地。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）