VXI總線和虛擬儀器技術論文
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世紀儀器總線系統和自動測試系統的優秀平臺。VXI總線模塊儀器的優良的交互操作性,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、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus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,與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;通過使用高帶寬的吞吐量,為開發者提供高性能的測試設備;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VXIplug&play(VXI既插既用)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(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/0、定時器和信號調理器等)的測試、控制能力結合在一起,通過軟件實現地數據的分析處理和表達,從而能更迅速、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
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合的敏感電路的模塊進行完全屏蔽。A尺寸模塊只有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連接器是必備的,P2和P3兩個連接器可選。三個連接器的具體的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。
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號槽在內所有模塊都可以驅動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、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、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+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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