VXI總線和虛擬儀器技術(shù)論文

　　虛擬儀器是以一種全新的理念來設(shè)計(jì)和發(fā)展的儀器。和傳統(tǒng)儀器不同,虛擬儀器本質(zhì)上是一個(gè)開放式的結(jié)構(gòu),用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。VXI總線測(cè)試平臺(tái)是公認(rèn)的21世紀(jì)儀器總線系統(tǒng)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺(tái)。VXI總線模塊儀器的優(yōu)良的交互操作性,數(shù)據(jù)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(tǒng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)相比具有巨大的潛力。它的出現(xiàn)為虛擬儀器的發(fā)展提供了新的動(dòng)力,進(jìn)一步增強(qiáng)了虛擬儀器的功能。

　　1 VXI總線與虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過程

　　20世紀(jì)80年代后期,儀器制造商發(fā)現(xiàn)GPIB總線和VME總線產(chǎn)品無法再滿足軍用測(cè)控系統(tǒng)的需求了。在這種情況下,HP、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus聯(lián)合體,并于1987年發(fā)布了VXI規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。

　　VXIbus規(guī)范是一個(gè)開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),其主要目標(biāo)是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標(biāo)準(zhǔn)的器件(計(jì)算機(jī))之間能夠以明確的方式開放地通信;使系統(tǒng)體積更小;通過使用高帶寬的吞吐量,為開發(fā)者提供高性能的測(cè)試設(shè)備;采用通用的接口來實(shí)現(xiàn)相似的儀器功能,使系統(tǒng)集成軟件成本進(jìn)一步降低。

　　VXIbus規(guī)范發(fā)布后,由于軍方對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的大量需求,許多儀器生產(chǎn)廠商都加入到VXIplug&play(VXI既插既用)聯(lián)盟。聯(lián)盟是VXIbus聯(lián)合體的固有補(bǔ)充機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟通過規(guī)定連接器的統(tǒng)一方法、UUT接口和測(cè)試夾具、共享存儲(chǔ)器通信的儀器協(xié)議、可選VXI特性的統(tǒng)一使用方法以及統(tǒng)一文件的編制方法來增加硬件的兼容性,并開發(fā)一種統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法。聯(lián)盟還通過規(guī)定和推廣標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)軟件框架來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的“plug&play”互換性。

　　虛擬儀器(Vitual Instrumentation,VI)最早是適應(yīng)PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。所謂虛擬儀器,簡單地說就是一組完成傳統(tǒng)儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過軟件將通用計(jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來,用戶可以通過友好的圖形界面(通常稱為虛擬面板)

　　操作這臺(tái)計(jì)算機(jī),就象在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。VI透明地將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/0、定時(shí)器和信號(hào)調(diào)理器等)的測(cè)試、控制能力結(jié)合在一起,通過軟件實(shí)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)的分析處理和表達(dá),從而能更迅速、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測(cè)試問題,并有效地降低了系統(tǒng)組建成本。

　　2 VXI總線系統(tǒng)規(guī)范簡介

　　VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個(gè)VXIbus主機(jī)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(tǒng)背板管理,包括提供時(shí)鐘源和背板總線仲裁等,當(dāng)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(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置,以使系統(tǒng)用戶能夠從一個(gè)確定的狀態(tài)開始系統(tǒng)操作。在系統(tǒng)正常工作后,資源管理器就不再起作用。主機(jī)箱容納VXIbus儀器,并為其提供通信背板、供電和冷卻。

　　VXIbus不是設(shè)計(jì)來替代現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的,其目的只是提高測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個(gè)更先進(jìn)的平臺(tái)。因此,VXIbus規(guī)范定義了幾種通信方法,以方便VXIbus系統(tǒng)與現(xiàn)存的VMEbus產(chǎn)品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。

　　2.1 VXI總線系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　VXIbus規(guī)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說,它們都是標(biāo)準(zhǔn)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?cè)龃罅四�塊間距,以便對(duì)包含用于高性能測(cè)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)上最常見的是C尺寸的VXIbus系統(tǒng),這主要是因?yàn)镃尺寸的VXIbus系統(tǒng)體積較小,成本相對(duì)較低,又能夠發(fā)揮VXIbus作為高性能測(cè)試平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

　　2.2 VXI總線系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

　　VXIbus完全支持32位VME計(jì)算機(jī)總線。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、用于測(cè)量同步和觸發(fā)的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線。

　　VXIbus規(guī)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(hào)分配可參見文獻(xiàn)[2]。下面對(duì)VXIbus在VMEbus總線基礎(chǔ)上增加的用于高性能儀器的部分總線作一個(gè)簡要的介紹。

　　CLK10時(shí)鐘線 是一個(gè)10MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘,用于模塊之間的精確同步。該信號(hào)源于0號(hào)槽,被分別差分送至各個(gè)模塊插槽。

　　MODID線 模塊識(shí)別線,可以通過特有的物理位置或插槽類識(shí)別邏輯器件。這些線自0號(hào)槽分別送至1號(hào)槽至12號(hào)槽。系統(tǒng)自動(dòng)配置時(shí)必須用到MODID線。

　　TTL觸發(fā)線 包括TTLTRG0~TTLTRG7,是一組用于模塊間通信的、集電極開路的TTL信號(hào)線。包括0號(hào)槽在內(nèi)所有模塊都可以驅(qū)動(dòng)這些線或者從這些線上接受信息。這是一組通用線,可用于觸發(fā)、掛鉤、時(shí)鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。VXIbus規(guī)范已經(jīng)定義了同步(SYNC)觸發(fā)、時(shí)鐘傳送、數(shù)據(jù)傳送、起/停(STST)和外部觸發(fā)緩沖7種標(biāo)準(zhǔn)工作方式。

　　ECL觸發(fā)線 包括ECLTRG0-ECLTRG5,同TTL觸發(fā)線一樣,是一組用于模塊之間通信和定時(shí)的信號(hào)線,但具有更高的工作速度。VXIbus規(guī)范已經(jīng)定義了7種跟TTL觸發(fā)線類似的標(biāo)準(zhǔn)工作方式。

　　SUMBUS 相加總線是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(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)這條線,或者通過一個(gè)高阻接收器如一個(gè)高阻抗模擬放大器。接收來自該總線的信息。

　　LBUS 本地總線是一種菊花鏈總線,可以用于相鄰安裝模塊的本地通信。規(guī)范已經(jīng)規(guī)定了使用LBUS傳送TTL、ECL、模擬低、模擬中和模擬高五種信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　CLK100和SYNC100 分別是100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和100MHz同步信號(hào)。用于系統(tǒng)中更高精度的定時(shí)和觸發(fā)。

　　STARX和STARY 星形觸發(fā)線提供了模塊間的異步通信。兩條STAR線連接在各模塊插槽和0號(hào)槽之間。0號(hào)槽可提供一個(gè)交叉矩陣開關(guān),通過對(duì)該開關(guān)進(jìn)行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號(hào)路徑。

　　電源線 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。

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