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VXI总线和虚拟仪器技术论文
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&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&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。
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