VXI总线与虚拟仪器技术

摘要：虚拟仪器技术和VXI总线是当前测试控制领域的热门话题，也是仪器发展和设计的研究前沿。本文回顾了VXI 总线和虚拟仪器技术的发展过程，详细介绍了VXI总线规范并阐述了当前虚拟仪器技术的最新发展。 关键词：VXI总线 虚拟仪器 虚拟硬件 虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器。和传统仪器不同，虚拟仪器本质上是一个开放式的结构，用户能够根据自己的需要定义仪器的功能。VXI总线测试平台是公认的21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。VXI总线模块仪器的优良的交互操作性，数据传输速率高，可靠性高。体积小，重量轻，功耗低、可移动性好、易维修，价格与传统自动测试系统相比具有巨大的潜力。它的出现为虚拟仪器的发展提供了新的动力，进一步增强了虚拟仪器的功能。 1 VXI总线与虚拟仪器技术的发展过程 20世纪80年代后期，仪器制造商发现GPIB总线和VME总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，HP、Tekronix等五家国际著名的仪器公司成立了VXIbus联合体，并于1987年发布了VXI规范的第一个版本。几经修改和完善，与1992年被IEEE接纳为IEEE-1155-1992标准。 VXIbus规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与其它标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。 VXIbus规范发布后，由于军方对测控系统的大量需求，许多仪器生产厂商都加入到VXIplug%26;amp;play（VXI既插既用）联盟。联盟是VXIbus联合体的固有补充机构。联盟通过规定连接器的统一方法、UUT接口和测试夹具、共享存储器通信的仪器协议、可选VXI特性的统一使用方法以及统一文件的编制方法来增加硬件的兼容性，并开发一种统一的校准方法。联盟还通过规定和推广标准系统软件框架来实现系统软件的“plug%26;amp;play”互换性。 虚拟仪器（Vitual Instrumentation，VI）最早是适应PC卡式仪器于1986年由NI公司提出的。所谓虚拟仪器，简单地说就是一组完成传统仪器功能的硬件和软件部件。VI通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常称为虚拟面板） 操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。VI透明地将计算机资源和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/0、定时器和信号调理器等）的测试、控制能力结合在一起，通过软件实现地数据的分析处理和表达，从而能更迅速、更经济、更灵活地解决测试问题，并有效地降低了系统组建成本。 2 VXI总线系统规范简介 VXI总线系统或者其子系统由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成，零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当然它也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后，资源管理器就不再起作用。主机箱容纳VXIbus仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。 VXIbus不是设计来替代现存标准的，其目的只是提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此，VXIbus规范定义了几种通信方法，以方便VXIbus系统与现存的VMEbus产品、GPIB仪器以及串口仪器的混合集成。 2.1 VXI总线系统机械结构 VXIbus规范定义了四种尺寸的VXI模块。较小的尺寸A和B是VMEbus模块定义的尺寸，并且从任何意义上来说，它们都是标准的VEMbus模块。较大的C和D尺寸模块是为高性能仪器所定义的，它们增大了模块间距，以便对包含用于高性能测量场合的敏感电路的模块进行完全屏蔽。A尺寸模块只有P1、P2和P3连接器。 目前市场上最常见的是C尺寸的VXIbus系统，这主要是因为C尺寸的VXIbus系统体积较小，成本相对较低，又能够发挥VXIbus作为高性能测试平台的优势。 2.2 VXI总线系统电气结构 VXIbus完全支持32位VME计算机总线。除此之外，VXIbus还增加了用于模拟供电和ECL供电的额外电源线、用于测量同步和触发的仪器总线、模拟相加总线以及用于模块之间通信的本地总线。 VXIbus规范定义了3个96针的DIN连接器P1、P2和P3。P1连接器是必备的，P2和P3两个连接器可选。三个连接器的具体的信号分配可参见文献[2]。下面对VXIbus在VMEbus总线基础上增加的用于高性能仪器的部分总线作一个简要的介绍。 CLK10时钟线 是一个10MHz的系统时钟，用于模块之间的精确同步。该信号源于0号槽，被分别差分送至各个模块插槽。 MODID线 模块识别线，可以通过特有的物理位置或插槽类识别逻辑器件。这些线自0号槽分别送至1号槽至12号槽。系统自动配置时必须用到MODID线。 TTL触发线 包括TTLTRG0"TTLTRG7，是一组用于模块间通信的、集电极开路的TTL信号线。包括0号槽在内所有模块都可以驱动这些线或者从这些线上接受信息。这是一组通用线，可用于触发、挂钩、时钟或逻辑状态的传送。VXIbus规范已经定义了同步（SYNC）触发、时钟传送、数据传送、起/停（STST）和外部触发缓冲7种标准工作方式。 ECL触发线 包括ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL触发线一样，是一组用于模块之间通信和定时的信号线，但具有更高的工作速度。VXIbus规范已经定义了7种跟TTL触发线类似的标准工作方式。 SUMBUS 相加总线是VXIbus背板上的一条模拟相加接点。每个模块都可以用一个模拟电流源驱动器来驱动这条线，或者通过一个高阻接收器如一个高阻抗模拟放大器。接收来自该总线的信息。 LBUS 本地总线是一种菊花链总线，可以用于相邻安装模块的本地通信。规范已经规定了使用LBUS传送TTL、ECL、模拟低、模拟中和模拟高五种信号的标准。 CLK100和SYNC100 分别是100MHz系统时钟和100MHz同步信号。用于系统中更高精度的定时和触发。 STARX和STARY 星形触发线提供了模块间的异步通信。两条STAR线连接在各模块插槽和0号槽之间。0号槽可提供一个交叉矩阵开关，通过对该开关进行编程可以确定任何两根STARX和STARY线之间的信号路径。 电源线 VXIbus加大了+5和+12V电压的供电功率，增加了+12V（为模拟电路提供）和-2V、-5.2V(为ECL电路提供)电源线。 2.3 VXIbus系统EMC、供电和冷却 VXIbus总线规范规定了系统传导及辐射EMC（电磁兼容）产生和敏感度的上限值。EMC的限定保证了包含敏感电路的模块能够完成所期望的操作，而不受到系统中其他模块的干扰。 为了方便系统集成VXIbus规范要求机箱制造商和模块制造商在其产品规范中给机箱供电和冷却能力以及模块的电源需求和冷却指标。系统集成者可以根据这些指标选择合适的机箱和模块。 2.4 VXlbus系统通信 通信是VXibus标准的又一个重要组成部分。VXIbus总线规范定义了几种器件类型和通信协议。然而，规范为了保证开放性，并没有规定VXIbus主机箱和器件的控制方式，以便厂商可以灵活定义并与高速发展的PC技术同步。下一节将要详细讨论当前流行的几种方式。 每个VXIbus器件都有一个唯一逻辑地址（unique logical address,ULA），编号从0到255，即一个VXIbus系统最多有256个器件。VXIbus规范允许许多器件驻留在一个插槽中以提高系统的集成度和便携性，降低系统成本，也允许一个复杂器件占用多个插槽，VXIbus通过ULA进行器件寻址，而不是通过器件的物理位置。 每个VXIbus器件必须具有图1所示的一组寄存器，这些器件占用VXIbus A16地址空间的高16K。图中所标注的地址是相对于器件基地址的偏移地址。器件基地址计算公式为： 基地址=ULA%26;#215;3F16+0C00016 （1） 图中A32指针高是指数据的高16位，A32指针低是指数据的低16位，A24指针高是指数据的高12位，A24指针低是指数据的低12位，数据低是指数据的低8位，数据高是指数据的高8位。 最常见的VXIbus器件是寄存器基器件和消息基器件。 寄存器基器件是最简单的VXIbus器件，通过寄存器读写来通信，常用于功能简单的器件。它通过VXIbus定义的配置元素来完成配置，并通过器件相关寄存器来工作。寄存器基器件具有很高的通信速度，随着众多产品对VXIplug%26;amp;play标准的支持，其编程难的问题也得到了解决。 消息基器件通常是VXIbus系统中具有本地智能的器件。高性能仪器通常都是消息基的。除了VXIbus系统最基本的配置寄存器外，消息基仪器还具有一组通信寄存器，并支持基于ASCII码的字串行协议，以同系统中的其它消息基器件通信。这样尽管会因为对ASCII码命令进行解析而降低通信速度，但是它可以简化多厂商支持，并简化编码（当然随着VXIplug%26;amp;play标准的普及而不再显著）。消息基器件的成本较高。 3 VXI总线控制方式 总的来说，VXI控制器有嵌入式和外接式两类，而外接控制器又有很多不同的方案可供选择。 3.1 嵌入式VXI控制器 嵌入式VXI控制器就是把计算机做成VXIbus模块，直接安装到VXI主机箱中，并通常占据0槽位置。大多数嵌入式控制器都基于PC体系，也有部分是基于HP-UX和其它如Lynx-OS实时系统的。采用嵌入式控制器的VXI系统具有最小可能的体积。 嵌入式控制器能够直接访问VXIbus背板信号，并直接读写VXIbus器件的寄存器，而不会像外接控制器那样进行总线转换而引入软件开销，因此具有最高的数据传输性能。 3.2 外接式控制器 VXI总线外接式控制方式是一种灵活而且性能价格比很高的控制方案，得到了十分广泛的应用。根据所采用的外部总线，外接式控制器又有直接扩展和转换扩展两种方式。 直接扩展就是将部分VXI总线信号线直接扩展机箱外作为外总线，连接计算机和VXI机箱控制器，例如MXI/MXI-2总线控制方案。图2给出了一个典型MXI/MXI/MXI-2总线控制方案。图2给出了一个典型MXI/MXI-2系统配置，MXI/MXI-2总线直接将PC扩展总线和VXI总线耦合起来，通过硬件数据传输周期转换，在PC扩展总线和VXI总线之间并行地进行数据传输，具有很高的随机读写和字串行性能。MXI/MXI-2总线还扩展了VXI总线的状态、中断、时钟和触发等总线，是一种高性能外接控制方案。 转换扩展就是用一些跟VXI总线无直接联系的通用总线（如GP-IB、1394、MAX-3、光纤通路等），来连接计算机和VXI总线控制器，从而构成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。图3给出了一个典型的VXI-1394系统。由于这些外总线通常都是串行的或者位数很少的并行总线，数据传输过程中需要作大量的总线转换工作，首字节延迟较长，随机读写和字串行性能较低。并且采用这些控制方式的计算机不能直接访问VXI总线的状态、中断、时钟和触发等信号线，系统的实时性和同步性能要受到影响。但是这些系统的组建成本通常都相对较低，GPIB-VXI系统可利用已有的GPIB仪器，VXI-1394和MXI-3系统的块数据传输性能高，MXI-3和FOXI总线的工作距离远，因此它们适合在一些性能要求不是很高、经费不很充裕或者有特殊要求的场合中应用。 4 虚拟仪器技术的新进展 近年来，虚拟仪器因其强大的性能价格比优势得到了广泛的应用。随着一些新的PC技术和数据采集技术逐渐应用到VI中，VI技术也有了一些新的进展。 4.1 基于Web的虚拟仪器 Web技术在Internet的广泛应用，导致了Browser/Web(B/W)这一新的软件模型的流行。Web与VI技术相结合，便产生了基于Web的VI，其模型如图4所示。 VI服务器实际上就是一台运行了Web服务器和VI应用的计算机，客户机通过浏览器请求运行服务器上的VI。服务器接收到请求后，运行相应的VI，并将结果返回到客户机。基于Web的VI系统可以建立在通用的WWW软件和客户/服务端开发技术基础上，例如使用IIS、Apache等作服务器，使用脚本语言、CGI、XML、JAVA等开发客户端和服务器应用，也可以采用VI厂商的提供的专用软件环境，例如NI公司的DataSocket和Gweb Server等。 4.2 虚拟硬件（VH） 虚拟硬件（Virtual Hardware，VH）的思想源于可编程器件。用户可以通过编程方便地改变硬件的功能和性能参数，从而依靠硬件设备的柔性（Flexibility）来增强其适应性和灵活性。 NI公司的NI5911/5912就是一种典型的采用了柔性精度技术的数字化仪。它由一个专门的数字滤波器、高速ADC、DAC和用于抽取与线性化的DSP组成。对于4～100MHz带宽的信号，系统工作在传统模式下，采样精度为8-bit。当输入信号带宽在4MHz以下时，系统将进入柔性精度状态，采用信号中的宽带量化噪音，对噪音进行电路滤除，然后数据被送到DSP进行线性化处理，并由DSP中的抗混叠滤波器进一步滤除高频噪音，最后用抽取技术按较低速率重构波形，使有效垂直精度达到8～21bit。 4.3 可互换虚拟仪器（IVI） IVI技术试图提供一个仪器驱动程序标准，为可互换的仪器提供了一个健壮的框架，并着力解决困优测试系统开发者的仪器性能问题。IVI规范把仪器分成一个系列的子类，例如DMM、示波器、开关等，并按照某一子类仪器最通用的特征和功能来为该子类仪器制定规范。IVI建立在VISA I/O层以上，把传统的仪器驱动程序分成子类驱动程序和仪器专有驱动程序两个子层。专有驱动程序执行传统的仪器驱动程序功能，但是具有性能优化的低层结构和仪器仿真功能。子类驱动程序包含该类仪器的通用功能函数，这些函数直接调用相应的专有仪器驱动程序函数。图5给出了一个采用IVI技术的虚拟示波器体系结构。 “软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命。虚拟仪器的硬、软件的开放性、模块化、可重复使用的特点，同时借助于VXI总线的系统结构这一构筑虚拟仪器的理想的平台，虚拟仪器系统必然会给现代控制测试领域带来一片新天地。