第二章虚拟仪器及其构成原理

第七章基于VXI总线的虚拟仪器

7.2 VXI总线系统的体系结构

7.3.1 系统和硬件

7.5 PXI总线与PCI性能比较

第二章虚拟仪器及其构成原理

2.4 虚拟仪器及其系统集成

2.4.1 虚拟仪器硬件组成

接口硬件：根据不同的标准接口总线转换输入和输出信号，供其它系统使用。传感器：将电量信号或非电量信号转换为标准电信号的装置。信号调理器和数据采集器：包括放大器、滤波器、采样保持器，多路开关，A/D转换器，接口等。

2.4.1 虚拟仪器硬件组成

硬件要求：

能够适用于各类应用的通用硬件架构

能够在硬件和虚拟仪器处理单元之间的高速连接

能在系统需要提升时对其进行部分升级的模块虚拟仪器最根本的优势在于使用软件对测量和自动化系统进行重新配置时的灵活性。

仪器驱动程序

仪器开发软件（应用软件）

软件要求：

能够与各类I/O硬件进行连接

全面的内置测量算法

能够创建各类处理系统，可以应用于DSP和FPGA等技术。

2.4.3 硬件基础

硬件基础虚拟仪器的硬件包括总线系统、通用和专用模块等硬件。总线系统由主控计算机和零槽控制器、主机箱组成，构成整个总线系统的控制、处理核心，其性能直接影响整个系统，主机箱是总线系统的必备部件，它向各种模块提供总线高质量标准电源和空气冷却系统。通用模块是广泛应用于总线的、并能实现特定功能的部件，专用模块是结合实际测试对象、用于测试系统的部件，一般同输入信号调理电路结合在一起，作为测试参数变换信号的前级输入。

2.4.4 软件基础

软件基础软件是虚拟仪器测试系统中集成化工作开发环境，由操作系统、编程语言、开发工具和应用软件组成，在测试系统中，应用软件开发包括与模块接口连接的底层软件、中间层的模块驱动软件和高层的“虚拟面板”软件。软件系统框架最为流行的有WIN、WIN/NT等，系统开发软件有LabVIEW和HP VEE，LabWindows/CVI，有通用编程语言Visual C++、Borland C++，Visual Basic等

2.4.5 系统集成方法

详细了解被测试参数的特征、范围等 ● 主控计算机和零槽控制器、主机箱的选取 ● 系统开发环境的选取主机箱的选取 ● 总线通用模块的选取 ● 专用模块的选取与开发

第七章基于VXI总线的虚拟仪器

7.1 概述

产生原因：现代科技、工业生产要求自动测试系统标准、小型、便携、高速、灵活、适应、成本低，充分利用计算机。

IEEE-1155-1992标准GJB-2901-1997标准

21世纪仪器总线、自动测试系统优秀平台

VXI(VME bus Extension for Instrumentation)，是VME bus在仪器领域的扩展；一种用于模块化仪器的总线系统；规定了系统主机箱机械结构尺寸、插件的尺寸、连接器、电磁兼容、机箱冷却及电源等方面的要求；常见的有13槽机箱和9槽机箱。

使器件以明确的方式通信；缩小标准叠架式仪器系统的物理尺寸；提供可用于军事模块化仪器系统的测试设备；为测试系统提供高的数据吞吐量；适应虚拟仪器原理，方便地扩展测试系统的新功能；在测试系统上采用公用接口，使软件成本有所下降；规定了实现多模块仪器的方法。

VXI系统零槽控制器

机械结构

VXI 总线仪器采用模块化设计，仪器由模块构成，有统一的机箱、显示、键盘和电源。

VXI 总线模块有以下四种标准： A 尺寸：指模块中只有P1 连接器的模块。 B 尺寸：有P1，P2 连接器。 C 尺寸：有P1,P2 连接器。 D 尺寸：包括P1,P2,P3 连接器。

相应的VXI机械也有四种尺寸。

模块和机箱相互间的连接通过机箱背板上的3个连接器P1、P2、P3 实现，P1、P2、P3 为96 脚插座，每个插座分为A、B、C 三行，每行32 个引脚。P1 连接器的全部和P2 连接器的部分包括了VME 计算机总线的全部总线，P2，P3 连接器增加了一些总线。主机箱在体积，电磁兼容、电源、冷却等方面要有一定的标准，使不同厂家生产的模块有良好的兼容性。

优点

集中智能仪器、个人仪器PCI和 IEEE-488总线测试系统的优点，开放性好、数据传输速率快、数据吞吐量大，模块化结构、更精确的定时和同步、体积小、重量轻、成本低、组建灵活、缩短系统开发时间、易与其它总线接口，模块即插即用。

特点

① 测试仪器模块化; ② 32位数据总线, 数据传输速率高; ③ 系统可靠性高, 可维修性好; ④ 电磁兼容性好; ⑤ 通用性强, 标准化程度高; ⑥ 灵活性强, 兼容性好。

VXI总线的出现使自动测试系统的尺寸大大缩小, 测试速度大大提高, 从而满足了目前自动测试系统向标准化、自动化、智能化、模块化、便携式方向的发展要求。

7.2 VXI总线系统的体系结构

7.2.1 VME总线的特征与构成

VME（VersaModule Eurocard）总线是一种通用的计算机总线，结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状，是一种开放式架构。它定义了一个在紧密耦合（closely coupled）硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。

VME的功能构架由信号线，背板接口逻辑和功能模块组成。背板接口逻辑的性能是由背板上的一些特性所左右的，比如信号线阻抗、传播时间、终端数值等等。背板接口逻辑和信号线是系统各部分之间的纽带。

功能模块是执行具体任务的电路集合。主要模块是主设备（master），决定着数据传输的顺序；根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备（slave），功能模块还负责监控数据传输目标地址、发出中断请求和处理中断请求，仲裁其他模块请求、发出时钟信号以及监控系统电源工作情况。

特征  采用总线主控、目标结构体系，最多可配21个处理器数据传送异步、非复用传输模式，支持16位、24 位、32位地址寻址及8位、16位、24位、32位数据传送，支持跨界数据传送，数据传输速率最大40Mbps。

特征  7条中断线和菊花链优先级队列构成优先中断系统。  3条总线请求线和菊花链优先级队列，构成数据传输总线仲裁系统。  能实现总线错误和系统错误检测及系统初始化。

构成  数据传输总线(DTB) VME总线中，数据传输总线(DTB)是高速异步并行总线，用于主模块和从属于它的存储器板、I/O板上的从模块实现数据传递，及中断模块和中断管理模块之间传递状态和识别数据，分为数据线、寻址线和控制线。

构成  数据传输总线(DTB) D00D31用于传输14个字节的数据。地址线A01A31，修改地址线AM0*AM5*，数据选通线DS0*、DS1*，字长线LWORD* ，控制线包括地址选通线AS*，数据选通线DS0*、DS1*，总线错误线BERR*，总线传输应答线DTACK*，读/写信号线WRITE *。

构成  DTB仲裁总线 VME总线中，多个模块使用数据传输总线时，通过DTB仲裁总线裁定总线使用权，避免两个模块同时使用数据传输总线，造成数据传输错误。

构成  DTB仲裁总线 DTB仲裁总线：总线请求线BR0*BR3*、总线允许输入线BG0IN*BG3IN*、总线允许输出线BG0OUT *  BG3OUT*、总线忙线BBSY*、总线清除线BCLR*,总线仲裁通过总线允许输入信号和总线允许输出信号构成的菊花链路进行,有四个优先级菊花链路。

构成  优先中断总线优先中断总线：VME优先中断总线有七级中断包括中断请求线IRQ1*IRQ7*、中断应答输入线IACKIN*、中断应答输出线IACKOUT*、中断应答线IACK*。VME总线中，各模块使用中断请求线IRQ1*IRQ7*发出中断，应答通过中断应答信号线、中断应答输入和中断应答输出信号线构成的中断应答菊花链路进行。

构成  公用总线 VME总线中，公用总线为系统提供时钟、系统初始化及系统故障监测等功能。公用总线包括：系统时钟线SYSCLK、序列时钟线SERCLK、序列数据线SERDAT、交流故障线ACFAIL*、系统复位SYSRESET*和系统故障线SYSFAIL*。

特征有VME总线基本特征，与VME总线具有很好兼容性。  总线设备按总线配置和所支持通信协议分类，每个设备均具有最基本通信能力，具有配置寄存器，以支持系统和存储器自动配置。  能够确定系统的层次结构，分配系统地址空间，具有识别各仪器模块能力。

特征  有精确的时钟信号，能够为仪器模块提供触发、同步信号。  能实现总线错误和系统错误检测、诊断及系统初始化。

构成  VME计算机总线 VME计算机总线由数据传输总线(DTB)、DTB仲裁总线、优先中断总线和公用总线组成。

模块识别总线（MODID） VXI总线系统中，模块识别总线通过特有的物理位置或插槽识别逻辑设备。模块识别总线源于VXI总线0号槽模块，由MODID01MODID12识别线组成。系统自动配置时必须用到MODID总线

触发总线 VXI总线系统中，八条TTL和二条ECL触发线。TTL触发线用于系统中仪器模块间通信，任何仪器模块都可驱动这些线，从这些线上接收信息，可用于触发、挂钩、时钟和逻辑状态的传送。ECL线用作系统中仪器模块间的定时源任何仪器模块都可以驱动这些线，从这些线上接收信息。

相加总线(SUMBUS) VXI总线系统中，相加总线是VXI总线系统背板上的一条模拟相加结点，任何仪器模块均可以用一个模拟电流源驱动器驱动这条线，并可通过一个高阻抗接收器从这条线上接收信息。

本地总线(LBUS) VXI总线系统中，本地总线是一种菊花链总线，由相邻安装的仪器模块确定，提供了模块间的异步通讯。当系统为多模块VXI总线仪器系统时，可利用本地总线进行系统内部的通信。

构成  星形触发总线 VXI总线系统中，星形触发总线STARX、STARY用于仪器模块间互相准确定时，是双向的。  电源总线 VXI总线系统中，电源总线可为每个仪器模块提供一定的电源功率，通过VXI总线背板提供七种不同的电

ROAK中断原理中断系统由具有7个优先级别的中断请求IRQ1*～IRQ7*，中断应答IACK*、中断应答菊花链输入IACKIN*和中断应答菊花链输出IACKOUT*组成，中断器使用优先中断请求线向监测它的中断处理器发出中断请求，中断处理器检测到这些中断请求后，申请数据总线（DTB）的使用权，当获准使用数据传输总线时启动中断应答周期应答中断请求，由中断器把它的状态/标识码有效，并产生一个解除中断请求信号来结束此次中断请求。中断处理器按所收到的状态/识别码启动相应的中断服务程序。

VXI总线系统配置 VXI总线是一种在世界范围内完全开放的、适用于多个厂家的模块化仪器总线系统。VXI总线没有规定某种特定的系统层次和拓扑结构，也没有规定系统中所使用的微处理器的型号、操作系统以及与主计算机的接口类型，而是规定达到上述目的并保证不同厂家的产品之间相互兼容的基本原则，允许不同厂家生产的各种仪器、接口板或计算机等以模块形式共存于同一VXI机箱中，以实现VXI总线系统的配置。

VXI总线系统操作设备  消息基设备消息基设备支持VXI总线寄存器配置和VXI总线的通信协议，消息基设备只包含有命令者与命令基受令者组件的设备，是任何带有通信能力的本地智能设备。如信号源、数字万用表、频谱分析仪等。

VXI总线系统操作设备  寄存器基设备寄存器基设备支持VXI总线寄存器配置，但不支持VXI总线的通信协议，它们由含有寄存器基受令者的组件构成。寄存器基设备是简单的、便宜的设备。如简单开关、数字I/O卡等。

VXI总线系统操作设备  存储器设备存储器设备含有VXI总线配置寄存器，具有一定的存储器设备特征，不含有VXI总线定义的其它寄存器或通信协议。如RAM或ROM插件卡等。

VXI总线系统操作设备  扩展设备扩展设备是一种专用的VXI总线设备，含有供系统识别的配置寄存器，允许将来定义更新种类的设备，以支持更高级的兼容性。

VXI总线系统通讯结构 VXI总线系统中，最底层每个设备都具有一组“配置寄存器组”，消息基设备还有一组“通信寄存器组”。系统设备通信以设备分层关系为基础，分为“命令者”，和“受令者”。

 寄存器基设备按设备特有通信协议通信，设备特有通信协议与设备有关，随设备的操作功能而定。

VXI总线系统通讯结构  消息基设备按某种特定的通信协议，如VXI总线字串行通信协议，与系统中其它设备通信。命令者可初始化受令者可接受的通信协议，受令者为消息基设备时，通信可用字串行通信协议中命令完成，高层通信协议如共享存储器协议或高级操作协议，在系统底层结构的后面加以定义。

VXI总线系统通讯结构  器件寄存器的基地址及地址分配每个器件都支持16 位的寻址方式, 在16 位地址空间中的高16K字节空间中为每个器件分配了64个字节的空间作为该器件的配置寄存器和操作寄存器, 每个器件64 字节的最小地址空间是在寄存器地址的基础上向上叠加的。配置寄存器及通信寄存器的地址是相对于基地址的。

7.3.1 系统和硬件

总线接口  寄存器基接口功能要求具有数据传输能力，数据块传输及数据传输能力；  接口具有标准配置寄存器组；  具有一个可编程ROAK中断器，支持16位状态识别码，通过使用优先级中断向命令者发送状态消息；接口与VXI总线按特定协议与总线其他模块实现通讯。

总线接口  消息基接口功能要求（从模块）微控制器与VXI总线实现字符串形式的命令与消息的传输、通信与解释，并实现对模块功能电路的控制；  接口具有数据传输能力，数据块传输及数据传输能力；  有标准配置和通信寄存器组，支持字串行通信协议；  具有一个可编程ROAK中断器，支持16位状态识别码，通过使用优先级中断向命令者发送状态消息。

寄存器映射配置  消息基模块寄存器映射配置消息基模块寄存器由标准配置寄存器和操作寄存器组组成，其位置和数量取决于模块的逻辑地址和存放在标准配置寄存器中的其他信息。消息基模块的标准配置寄存器位于A16空间内，其中包括识别/逻辑地址、设备类型、控制/状态和偏移等寄存器，通过对模块的标准配置寄存器组的访问，可以识别消息基模块的类型、型号、生产厂家、地址空间和所要求的存储空间。

寄存器映射配置  消息基模块寄存器映射配置消息基模块有地址空间内操作寄存器的一个标准集，称为通信寄存器组。通信寄存器组具有A16/D16能力，由协议信号、响应数据扩展、数据高、数据低、A24指针、A32指针及总线保留寄存器组成，对通信寄存器组的访问，可实现字串行通信协议及模块间的通信。保留寄存器占有18H ~ 1EH地址，用于定义将来的可选协议。信号、数据扩展和数据高是可选的，A24指针和A32指针寄存器由共享存储器协议定义，是可选的。

寄存器映射配置  消息基模块寄存器映射配置消息基接口与寄存器基接口的主要区别在于消息基接口不仅有标准配置寄存器组，而且还有一组通信寄存器，以便实现对字串行通信协议及模块间通信的支持。寄存器基接口只具有标准配置寄存器组，不支持字串行通信协议，而是通过对操作寄存器的读、写，以模块特定的通信协议进行通

VXI总线控制和地址译码  数据组织方式 VXI总线系统中，高速并行DTB总线是异步的，主模块用AS*信号和DS0*、DS1*信号和WRITE*信号线向从模块发出控制，从模块使用DTACK*信号来响应。当主模块发生寻址无效时，从模块用BERR*信号给予提示；从模块发生故障使数据传输周期超过规定时限时，零槽控制器的定时器将驱动BERR*结束此次数传周期。数传可以是单字节、双字节、三字节和四字节，由A01、LWORD*和DS0*、DS1*信号线控制。

字串行命令传输控制消息基接口支持字串行通信协议，按正常传输方式。VXI总线主模块通过对数据低寄存器的读、写，实现与消息基接口的字串行命令和消息数据的传输。当VXI总线主模块读、写数据低寄存器时，消息基接口产生相应的控制信号，向其微控制器发出中断请求，微控制器通过中断服务接收和解释字串行命令和消息数据，完成对响应寄存器状态位的置位，并执行相应的操作。

寄存器基器件接口电路

消息基器件的VXI 总线接口方案

任意波形发生器接口设计

实现VXI仪器模块和VXI 总线的接口，使系统控制器利用总线对仪器模块进行控制和通讯。

任意波形发生器接口设计

总线驱动接收电路：实现VXI接口和总线之间的驱动接收，可以实现数据传输，因此需要设计驱动标准三态信号线：地址总线和数据总线以及控制线IACK和WRITE，高电流三态信号线：AS、DSO、DS1；集电极开路信号线 DTACK、SYSFAIL、SYSRESET、MODID。根据总线规范驱动规定，选用恰当的驱动器。（比如74LS245和74ALS244等） VXI总线控制和地址译码：实现访问可寻址字节单元，进行总线数据传输。由总线数据传输应答状态机电路RWZ、锁存器和译码器组成。

7.4 PXI总线虚拟仪器系统概述

PXI(PCI eXtension for Instrument)是PCI在仪器领域的扩展，将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，形成新的虚拟仪器体系结构。PXI规范是将台式 PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，成为主流的虚拟仪器测试平台。

产生原因：Compact PCI总线是PCI总线中市场占有率最高，PXI提供和PC机联系的简便方法。

PXI特点 PXI(PCI eXtension for Instrument)是PCI在仪器领域的扩展。坚固封装形式和高性能的IEC连接器规范，更适于在工业环境下使用，也更易于进行系统集成。高性能、低成本运载平台

PXI特点 PXI总线把PCI计算机外设总线与专用仪器总线结合在母板上，使机箱能够安装PCI微机和PXI仪器模块。模块尺寸有3U和6U 两种，仪器专用总线有时钟、本地、触发、电源等4种，有良好的通风和电磁屏蔽，可在苛刻的工业环境下运行。

PXI虚拟测试系统组成机箱：为系统提供了坚固的模块化封装结构。按尺寸不同，机箱有4槽到8槽不等控制器：位于于机箱最左端插槽（插槽1）的系统控制器外部模块：NI提供了100多种不同的PXI模块。

在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求，将Microsoft Windows NT和Microsoft Windows95定义为其标准软件框架。

① 33MHz性能 ② 32-bit和64-bit数据宽度 ③ 132MB/s(32-bit) 和264MB/s(64-bit)的峰值数据吞吐率 ④ 通过PCI-PCI桥技术进行系统扩展 ⑤ 即插即用功能

7.5 PXI总线与PCI性能比较

机械性能：引入了Eurocard坚固封装形式和高性能的 IEC连接器规范，在Compact PCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却。

电气性能：增加了专门的系统参考时钟、多板同步的触发总线、星形触发线、局部总线。比台式PCI计算机多提供三个仪器插槽。

软件性能：仪器模块带有配置信息和支持标准的工业开发环境，而且符合VISA规范的设备驱动程序使PXI成为一种系统级规范。

参考时钟：用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号

触发总线：PXI将ECL参考时钟改为TTL参考时钟，定义了 8根 TTL触发线，不再定义ECL逻辑信号。

PXI新增总线：

星形触发总线：在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽与其它仪器槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的。在星形触发专用槽中插入一块星形触发控制模块，就可以给其它仪器模块提供非常精确的触发信号。

局部总线：每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。具有13线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号。

2005年9月，安捷伦和VXI公司推出基于局域网（Local Area Networks LAN）的模块化标准平台标准LXI（LAN eXtension for Instrument）。基于工业标准以太网技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容。具有GPIB的高性能 VXI/PXI仪器的紧凑灵活以太网的高速吞吐率

LXI仪器模块的构成

每个LXI仪器模块自带电源、冷却、触发、电磁兼容屏蔽和Ethernet 通信连接端口。模块高度分为1U和2U型,宽度分为全宽和半宽。信号输入和输出在LXI模块的前面，通信端口和供电在模块后面。模块由计算机控制，不需要传统台式仪器的显示、按键和旋钮。

7.5.1 LXI总线的特点开放式工业标准向后兼容性成本低廉具有互操作性及时方便地引入新技术

总线规范参考和利用已有的成熟标准和技术，保证用户以最低成本将测试平台向LXI总线平台移植和升级。规范内容有：机械接口；冷却条件；电气接口；同步与触发；数据通信格式；硬件触发；软件编程规范；网络配置等。

机械规范：采用标准化机箱单元，与GPIB机箱完全兼容。不需要专用的笼式机箱，以及多层背板，高速风扇，电源管理，笼式机箱和PC控制器之间的专用通信链路。模块紧密放置，适于装入GPIB台式仪器模块有各种尺寸可供使用。

供电方式：交流电取自单相交流电网，直流供电由直流电源或者以太网供电。机箱冷却：与GPIB仪器相似，独立的冷却通风 LXI的以太网连接：执行ＩＥＥＥ８０２．３局域网标准，能够支持ＴＣＰ／ＩＰ协议，支持３个ＩＰ地址配置（动态主机配置协议选址，动态链路ＩＰ选址，手动ＩＰ选址）

ＬＸＩ驱动与ＶＸＩ规范相同，使用IVI驱动器支持虚拟仪器软件结构的资源名，于VXI模块的驱动编程一致。 LXI的触发级别 C级：基本级别，有详细规定的物理、电气、以太网和网页。 B级：除C级要求外增加IEEE588.2协议的触发条件。 A级：在C级和B级要求基础上增加LXI触发总线。 LXI总线与VXI和PXI配置相似，充分利用了VXI和PXI触发总线的优点。

IEEE1588协议是网络器件的同步协议，指定网络的一个模块作为主时钟驱动：然后对其他模块实现时钟同步。 IEEE1588对测量仪器系统是一种全新的时钟同步方法，不是通过由线缆或者背板发送触发信号，触发是通过时间设定的。可以使得仪器间非物理上互相靠近的同步测量成为可能。