摘? 要: 虛擬儀器技術" title="虛擬儀器技術">虛擬儀器技術和VXI總線是當前測試控制領域的熱門話題,也是儀器發展和設計的研究前沿。本文回顧了VXI總線和虛擬儀器技術的發展過程,詳細介紹了VXI總線規范并闡述了當前虛擬儀器技術的最新發展。
關鍵詞: VXI總線? 虛擬儀器? 虛擬硬件
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虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發展的儀器。和傳統儀器不同,虛擬儀器本質上是一個開放式的結構,用戶能夠根據自己的需要定義儀器的功能。VXI總線測試平臺是公認的21世紀儀器總線系統" title="總線系統">總線系統和自動測試系統的優秀平臺。VXI總線模塊儀器的優點是易于集成為不同用途的自動測試系統。具有優良的交互操作性,數據傳輸速率高,可靠性高。體積小、重量輕、功耗低、可移動性好、易維修,價格與傳統自動測試系統相比具有巨大的潛力。它的出現為虛擬儀器的發展提供了新的動力,進一步增強了虛擬儀器的功能。
1 VXI總線與虛擬儀器技術的發展過程
20世紀80年代后期,儀器制造商發現GPIB總線和VME總線產品無法再滿足軍用測控系統的需求了。在這種情況下, HP、Tektronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus[1]聯合體,并于1987年發布了VXI規范的第一個版本。幾經修改和完善,于1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。
VXIbus規范是一個開放的體系結構標準,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放地通信;使系統體積更小;通過使用高帶寬的儀器間通信通道和專用的協議來為測試系統提供更高的吞吐量,為開發者提供高性能" title="高性能">高性能的測試設備;采用通用的接口來實現相似的儀器功能,使系統集成軟件成本進一步降低。
VXIbus規范發布后,由于軍方對測控系統的大量需求,許多儀器生產廠商都加入到VXIbus產品生產中,使VXIbus得到了迅速推廣。
為了提高VXI系統使用的方便性和多廠商VXI設備的互換性,1993年成立了VXIplug&play(VXI即插即用)聯盟。聯盟是VXIbus聯合體的固有補充機構。聯盟通過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增加硬件的兼容性,并開發一種統一的校準方法。聯盟還通過規定和推廣標準系統軟件框架來實現系統軟件的“plug&play”互換性。
虛擬儀器(Virtual Instrumentation， VI)[2]最早是為適應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儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過軟件將通用計算機與儀器硬件結合起來,用戶可以通過友好的圖形界面(通常稱為虛擬面板)操作這臺計算機,就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個傳統儀器一樣。VI透明地將計算機資源和儀器硬件(如A/D、D/A、數字I/O、定時器和信號調理器件等)的測試、控制能力結合在一起,通過軟件實現對數據的分析處理和表達,從而能更迅捷、更經濟、更靈活地解決測試問題,并有效地降低了系統組建成本。
2 VXI總線系統規范簡介[3]
VXI總線系統或者其子系統由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus零槽模塊、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,包括提供時鐘源和背板總線仲裁等,當然它也可以同時具有其它的儀器功能。資源管理器在系統上電或者復位時對系統進行配置,以使系統用戶能夠從一個確定的狀態開始系統操作。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不是設計來替代現存標準的,其目的只是為提高測試和數據采集系統的總體性能提供一個更先進的平臺。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產品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。
2.1 VXI總線系統機械結構
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說,它們都是標準的VMEbus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合的敏感電路的模塊進行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1連接器,B和C尺寸模塊有P1和P2連接器,D尺寸模塊包括P1、P2和P3連接器。
目前市場上最常見的是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,又能夠發揮VXIbus作為高性能測試平臺的優勢。
2.2 VXI總線系統電氣結構
VXIbus完全支持32位VME計算機總線。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、用于測量同步和觸發的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線。
VXIbus規范定義了3個96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是系統必備的,P2和P3兩個連接器可選。三個連接器的具體信號分配可參見文獻[2]。下面對VXIbus在VMEbus總線基礎上增加的用于高性能儀器的部分總線作一個簡要的介紹。
CLK10時鐘線? 是一個10MHz的系統時鐘,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模塊插槽" title="插槽">插槽。
MODID線? 模塊識別線,可以通過特有的物理位置或插槽類識別邏輯器件。這些線自0號槽分別送至1號槽至12號槽。系統自動配置時必須用到MODID線。
TTL觸發線? 包括TTLTRG0～TTLTRG7,是一組用于模塊間通信的、集電極開路的TTL信號線。包括0號槽在內的所有模塊都可以驅動這些線或者從這些線上接收信息。這是一組通用線,可用于觸發、掛鉤、時鐘或邏輯狀態的傳送。VXIbus規范已經定義了同步(SYNC)觸發、半同步(SEMI-SYNC)觸發、異步(ASYNC)觸發、時鐘傳送、數據傳送、起/停(STST)和外部觸發緩沖7種標準工作方式。
ECL觸發線? 包括ECLTRG0-ECLTRG5,同TTL觸發線一樣,是一組用于模塊之間通信和定時的信號線,但具有更高的工作速度。VXIbus規范已經定義了7種跟TTL觸發線類似的標準工作方式。
SUMBUS? 相加總線是VXIbus背板上的一條模擬相加接點。每個模塊都可以用一個模擬電流源驅動器來驅動這條線,或者通過一個高阻接收器如一個高阻抗模擬放大器,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。規范已經規定了使用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
系統時鐘和100MHz同步信號。用于系統中更高精度的定時和觸發。
STARX和STARY? 星形觸發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號槽之間。0號槽可提供一個交叉矩陣開關,通過對該開關進行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號路徑。
電源線? VXIbus加大了+5V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。
2.3 VXIbus系統EMC、供電和冷卻
VXIbus總線規范規定了系統傳導及輻射EMC(電磁兼容)產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,而不受到系統中其它模塊的干擾。
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品規范中給出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 VXIbus系統通信
通信是VXIbus標準的又一個重要組成部分。VXIbus總線規范定義了幾種器件類型和通信協議。然而,規范為了保證開放性,并沒有規定VXIbus主機箱和器件的控制方式,以便廠商可以靈活定義并與高速發展的PC技術同步。下一節將要詳細地討論當前流行的幾種方式。
每個VXIbus器件都有一個唯一邏輯地址(unique logical address， ULA),編號從0到255,即一個VXIbus系統最多有256個器件。VXIbus規范允許多個器件駐留在一個插槽中以提高系統的集成度和便攜性,降低系統成本,也允許一個復雜器件占用多個插槽。VXIbus通過ULA進行器件尋址,而不是通過器件的物理位置。
每個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×3F16+0C00016???????? (1)
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????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單的VXIbus器件,通過寄存器讀寫來通信,常用于功能簡單的器件。它通過VXIbus定義的配置元素來完成配置,并通過器件相關寄存器來工作。寄存器基器件具有很高的通信速度,隨著眾多產品對VXIplug&play標準的支持,其編程難的問題也得到了解決。
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ASCII碼的字串行協議,以同系統中的其它消息基器件通信。這樣盡管會因為對ASCII碼命令進行解析而降低通信速度,但是它可以簡化多廠商支持,并簡化編程(當然隨著VXIplug&play標準的普及而不再顯著)。消息基器件的成本較高。
3 VXI總線控制方式
總的來說,VXI控制器有嵌入式和外接式兩類[4],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實時系統的。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問VXIbus背板信號,并直接讀寫VXIbus器件的寄存器,而不會像外接控制器那樣進行總線轉換而引入軟件開銷,因此具有最高的數據傳輸性能。
3.2 外接式控制器
VXI總線外接式控制方式是一種靈活而且性能價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,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總線信號線直接擴展機箱外作為外總線,連接計算機和VXI機箱控制器,例如MXI/MXI-2總線控制方案。圖2給出了一個典型MXI/MXI-2系統配置,MXI/MXI-2總線直接將PC擴展總線和VXI總線耦合起來,通過硬件數據傳輸周期轉換,在PC擴展總線和VXI總線之間并行地進行數據傳輸,具有很高的隨機讀寫和字串行性能。MXI/MXI-2總線還擴展了VXI總線的狀態、中斷、時鐘和觸發等總線,是一種高性能外接控制方案。
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轉換擴展就是用一些跟VXI總線無直接聯系的通用總線(如GP-IB、1394、MXI-3、光纖通路等),來連接計算機和VXI總線控制器,從而構成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。圖3給出了一個典型的VXI-1394系統。由于這些外總線通常都是串行的或者位數很少的并行總線,數據傳輸過程中需要作大量的總線轉換工作,首字節延遲較長,隨機讀寫和字串行性能較低。并且采用這些控制方式的計算機不能直接訪問VXI總線的狀態、中斷、時鐘和觸發等信號線,系統的實時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總線的工作距離遠,因此它們適合在一些性能要求不是很高、經費不很充裕或者有特殊要求的場合中應用。
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4 虛擬儀器技術的新進展
近年來,虛擬儀器因其強大的性能價格比優勢得到了廣泛的應用。隨著一些新的PC技術和數據采集技術逐漸應用到VI中,VI技術也有了一些新的進展。
4.1基于Web的虛擬儀器[5]
Web技術在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技術相結合,便產生了基于Web的VI,其模型如圖4所示。
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VI服務器實際上就是一臺運行了Web服務器和VI應用的計算機,客戶機通過瀏覽器請求運行服務器上的VI。服務器接收到請求后,運行相應的VI,并將結果返回到客戶機。基于Web的VI系統可以建立在通用的WWW軟件和客戶/服務端開發技術基礎上,例如使用IIS、Apache等作服務器,使用腳本語言、CGI、XML、JAVA等開發客戶端和服務器應用,也可以采用VI廠商的提供的專門軟件環境,例如NI公司的DataSocket和G Web Server等。
4.2 虛擬硬件(VH)
虛擬硬件(Virtual Hardware,VH)[6]的思想源于可編程器件。用戶可以通過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的數字化儀。它由一個專門的數字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線性化的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,系統將進入柔性精度狀態,采用信號中的寬帶量化噪音,對噪音進行電路濾除,然后數據被送到DSP進行線性化處理,并由DSP中的抗混疊濾波器進一步濾除高頻噪音,最后用抽取技術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技術試圖提供一個儀器驅動程序標準,為可互換的儀器提供了一個健壯的框架,并著力解決困擾測試系統開發者的儀器性能問題。IVI規范把儀器分成一系列的子類" title="子類">子類,例如DMM、示波器、開關等,并按照某一子類儀器最通用的特征和功能來為該子類儀器制定規范。IVI建立在VISA I/O層以上,把傳統的儀器驅動程序分成子類驅動程序和儀器專有驅動程序兩個子層。專有驅動程序執行傳統的儀器驅動程序功能,但是具有性能優化的低層結構和儀器仿真功能。子類驅動程序包含該類儀器的通用功能函數,這些函數直接調用相應的專有儀器驅動程序函數。圖5給出了一個采用IVI技術的虛擬示波器體系結構。
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?? “軟件就是儀器”是虛擬儀器帶給儀器工業的一次革命。虛擬儀器的硬、軟件的開放性、模塊化、可重復使用的特點,同時借助于VXI總線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給現代控制測試領域帶來一片新天地。
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參考文獻
1 陳光禹. VXI總線測試平臺技術. 成都:電子科技大學出版社,1996
2 虛擬儀器——測試與測控儀器的最佳選擇.陜西海泰電子有限責任公司虛擬儀器產品與技術資料，1997
3 VXIbus Overview. VXI Technology(r) Technical Note.
4 徐忠東.VXI總線系統計算機連接方法.計算機自動測量與控制,1997;5(1)
5 基于Web的虛擬儀器. 陜西海泰電子有限責任公司虛擬儀器產品與技術資料.1998
6 虛擬儀器發展趨勢及其對軍用測試技術的影響.陜西海泰電子有限責任公司虛擬儀器產品與技術資料.1999