摘? 要: 虛擬儀器技術(shù)" title="虛擬儀器技術(shù)">虛擬儀器技術(shù)和VXI總線是當(dāng)前測試控制領(lǐng)域的熱門話題,也是儀器發(fā)展和設(shè)計的研究前沿。本文回顧了VXI總線和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過程,詳細(xì)介紹了VXI總線規(guī)范并闡述了當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)的最新發(fā)展。
關(guān)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(shè)計和發(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總線測試平臺是公認(rèn)的21世紀(jì)儀器總線系統(tǒng)" title="總線系統(tǒng)">總線系統(tǒng)和自動測試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺。VXI總線模塊儀器的優(yōu)點是易于集成為不同用途的自動測試系統(tǒng)。具有優(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、可移動性好、易維修,價格與傳統(tǒng)自動測試系統(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控系統(tǒng)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(lián)合體,并于1987年發(fā)布了VXI規(guī)范的第一個版本。幾經(jīng)修改和完善,于1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標(biāo)準(zhǔn)。
VXIbus規(guī)范是一個開放的體系結(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;通過使用高帶寬的儀器間通信通道和專用的協(xié)議來為測試系統(tǒng)提供更高的吞吐量,為開發(fā)者提供高性能" title="高性能">高性能的測試設(shè)備;采用通用的接口來實現(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,由于軍方對測控系統(tǒng)的大量需求,許多儀器生產(chǎn)廠商都加入到VXIbus產(chǎn)品生產(chǎn)中,使VXIbus得到了迅速推廣。
為了提高VXI系統(tǒng)使用的方便性和多廠商VXI設(shè)備的互換性,1993年成立了VXIplug&play(VXI即插即用)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接口和測試夾具、共享存儲器通信的儀器協(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)軟件框架來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的“plug&play”互換性。
虛擬儀器(Virtual Instrumentation， VI)[2]最早是為適應(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)操作這臺計算機(jī),就象在操作自己定義、自己設(shè)計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣。VI透明地將計算機(jī)資源和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器和信號調(diào)理器件等)的測試、控制能力結(jié)合在一起,通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理和表達(dá),從而能更迅捷、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測試問題,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[3]
VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXIbus主機(jī)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(tǒng)背板管理,包括提供時鐘源和背板總線仲裁等,當(dāng)然它也可以同時具有其它的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時對系統(tǒng)進(jìn)行配置,以使系統(tǒng)用戶能夠從一個確定的狀態(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)計來替代現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的,其目的只是為提高測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個更先進(jìn)的平臺。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(jìn)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(tǒng),這主要是因為C尺寸的VXIbus系統(tǒng)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總線系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)
VXIbus完全支持32位VME計算機(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96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是系統(tǒng)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(xiàn)[2]。下面對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簡要的介紹。
CLK10時鐘線? 是一個10MHz的系統(tǒng)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(tǒng)自動配置時必須用到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信號線。包括0號槽在內(nèi)的所有模塊都可以驅(qū)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(fā)、掛鉤、時鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。VXIbus規(guī)范已經(jīng)定義了同步(SYNC)觸發(fā)、半同步(SEMI-SYNC)觸發(fā)、異步(ASYNC)觸發(fā)、時鐘傳送、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的信號線,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。每個模塊都可以用一個模擬電流源驅(qū)動器來驅(qū)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(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的標(biāo)準(zhǔn)。
CLK100和SYNC100? 分別是100MHz
系統(tǒng)時鐘和100MHz同步信號。用于系統(tǒng)中更高精度的定時和觸發(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號槽之間。0號槽可提供一個交叉矩陣開關(guān),通過對該開關(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(tǒng)EMC、供電和冷卻
VXIbus總線規(guī)范規(guī)定了系統(tǒng)傳導(dǎo)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(tǒng)中其它模塊的干擾。
為了方便系統(tǒng)集成,VXIbus規(guī)范要求機(jī)箱制造商和模塊制造商在其產(chǎn)品規(guī)范中給出機(jī)箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標(biāo)。系統(tǒng)集成者可以根據(jù)這些指標(biāo)選擇合適的機(jī)箱和模塊。
2.4 VXIbus系統(tǒng)通信
通信是VXIbus標(biāo)準(zhǔn)的又一個重要組成部分。VXIbus總線規(guī)范定義了幾種器件類型和通信協(xié)議。然而,規(guī)范為了保證開放性,并沒有規(guī)定VXIbus主機(jī)箱和器件的控制方式,以便廠商可以靈活定義并與高速發(fā)展的PC技術(shù)同步。下一節(jié)將要詳細(xì)地討論當(dāng)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(tǒng)最多有256個器件。VXIbus規(guī)范允許多個器件駐留在一個插槽中以提高系統(tǒng)的集成度和便攜性,降低系統(tǒng)成本,也允許一個復(fù)雜器件占用多個插槽。VXIbus通過ULA進(jìn)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(biāo)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(shù)據(jù)的高16位,A32指針低是指數(shù)據(jù)的低16位,A24指針高是指數(shù)據(jù)的高12位,A24指針低是指數(shù)據(jù)的低12位,數(shù)據(jù)低是指數(shù)據(jù)的低8位,數(shù)據(jù)高是指數(shù)據(jù)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(guān)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(chǎn)品對VXIplug&play標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(tǒng)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(xié)議,以同系統(tǒng)中的其它消息基器件通信。這樣盡管會因為對ASCII碼命令進(jìn)行解析而降低通信速度,但是它可以簡化多廠商支持,并簡化編程(當(dāng)然隨著VXIplug&play標(biāo)準(zhǔn)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(jī)做成VXIbus模塊,直接安裝到VXI主機(jī)箱中,并通常占據(jù)0槽位置。大多數(shù)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(tǒng)的。采用嵌入式控制器的VXI系統(tǒng)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(jìn)行總線轉(zhuǎn)換而引入軟件開銷,因此具有最高的數(shù)據(jù)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(yīng)用。根據(jù)所采用的外部總線,外接式控制器又有直接擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換擴(kuò)展兩種方式。
直接擴(kuò)展就是將部分VXI總線信號線直接擴(kuò)展機(jī)箱外作為外總線,連接計算機(jī)和VXI機(jī)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(tǒng)配置,MXI/MXI-2總線直接將PC擴(kuò)展總線和VXI總線耦合起來,通過硬件數(shù)據(jù)傳輸周期轉(zhuǎn)換,在PC擴(kuò)展總線和VXI總線之間并行地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,具有很高的隨機(jī)讀寫和字串行性能。MXI/MXI-2總線還擴(kuò)展了VXI總線的狀態(tài)、中斷、時鐘和觸發(fā)等總線,是一種高性能外接控制方案。
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轉(zhuǎn)換擴(kuò)展就是用一些跟VXI總線無直接聯(lián)系的通用總線(如GP-IB、1394、MXI-3、光纖通路等),來連接計算機(jī)和VXI總線控制器,從而構(gòu)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(tǒng)。由于這些外總線通常都是串行的或者位數(shù)很少的并行總線,數(shù)據(jù)傳輸過程中需要作大量的總線轉(zhuǎn)換工作,首字節(jié)延遲較長,隨機(jī)讀寫和字串行性能較低。并且采用這些控制方式的計算機(jī)不能直接訪問VXI總線的狀態(tài)、中斷、時鐘和觸發(fā)等信號線,系統(tǒng)的實時性和同步性能要受到影響。但是這些系統(tǒng)的組建成本通常都相對較低,GPIB-VXI系統(tǒng)可利用已有的GPIB儀器,VXI-1394和MXI-3系統(tǒng)的塊數(shù)據(jù)傳輸性能高,MXI-3和FOXI總線的工作距離遠(yuǎn),因此它們適合在一些性能要求不是很高、經(jīng)費(fèi)不很充裕或者有特殊要求的場合中應(yīng)用。
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4 虛擬儀器技術(shù)的新進(jìn)展
近年來,虛擬儀器因其強(qiáng)大的性能價格比優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。隨著一些新的PC技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應(yīng)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[5]
Web技術(shù)在Internet的廣泛應(yīng)用,導(dǎo)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(jié)合,便產(chǎn)生了基于Web的VI,其模型如圖4所示。
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VI服務(wù)器實際上就是一臺運(yùn)行了Web服務(wù)器和VI應(yīng)用的計算機(jī),客戶機(jī)通過瀏覽器請求運(yùn)行服務(wù)器上的VI。服務(wù)器接收到請求后,運(yùn)行相應(yīng)的VI,并將結(jié)果返回到客戶機(jī)。基于Web的VI系統(tǒng)可以建立在通用的WWW軟件和客戶/服務(wù)端開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上,例如使用IIS、Apache等作服務(wù)器,使用腳本語言、CGI、XML、JAVA等開發(fā)客戶端和服務(wù)器應(yīng)用,也可以采用VI廠商的提供的專門軟件環(huán)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(shù),從而依靠硬件設(shè)備的柔性(Flexibility)來增強(qiáng)其適應(yīng)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(shù)字化儀。它由一個專門的數(shù)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(tǒng)工作在傳統(tǒng)模式下,采樣精度為8-bit。當(dāng)輸入信號帶寬在4MHz以下時,系統(tǒng)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(shù)據(jù)被送到DSP進(jìn)行線性化處理,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(gòu)波形,使有效垂直精度達(dá)到8～21bit。
4.3 可互換虛擬儀器(IVI)
IVI技術(shù)試圖提供一個儀器驅(qū)動程序標(biāo)準(zhǔn),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(tǒng)開發(fā)者的儀器性能問題。IVI規(guī)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(guān)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(guī)范。IVI建立在VISA I/O層以上,把傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序分成子類驅(qū)動程序和儀器專有驅(qū)動程序兩個子層。專有驅(qū)動程序執(zhí)行傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序功能,但是具有性能優(yōu)化的低層結(jié)構(gòu)和儀器仿真功能。子類驅(qū)動程序包含該類儀器的通用功能函數(shù),這些函數(shù)直接調(diào)用相應(yīng)的專有儀器驅(qū)動程序函數(shù)。圖5給出了一個采用IVI技術(shù)的虛擬示波器體系結(jié)構(gòu)。
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?? “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、軟件的開放性、模塊化、可重復(fù)使用的特點,同時借助于VXI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一構(gòu)筑虛擬儀器的理想的平臺,虛擬儀器系統(tǒng)必然會給現(xiàn)代控制測試領(lǐng)域帶來一片新天地。
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參考文獻(xiàn)
1 陳光禹. VXI總線測試平臺技術(shù). 成都:電子科技大學(xué)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(zé)任公司虛擬儀器產(chǎn)品與技術(shù)資料，1997
3 VXIbus Overview. VXI Technology(r) Technical Note.
4 徐忠東.VXI總線系統(tǒng)計算機(jī)連接方法.計算機(jī)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(zé)任公司虛擬儀器產(chǎn)品與技術(shù)資料.1998
6 虛擬儀器發(fā)展趨勢及其對軍用測試技術(shù)的影響.陜西海泰電子有限責(zé)任公司虛擬儀器產(chǎn)品與技術(shù)資料.1999