虚拟仪器总线接口技术ppt课件.ppt

《虚拟仪器总线接口技术ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟仪器总线接口技术ppt课件.ppt（65页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第 2 章,虚拟仪器总线接口技术,第2章 虚拟仪器总线接口技术,教学内容 GPIB通用接口总线 VXI总线 PXI总线 LXI总线,InstrumentDriver,2.1 GPIB总线,（General Purpose Interface Bus，GPIB）是国际通用的仪器接口标准，是专门为仪器控制应用而设计的。这套接口系统最初由美国HP公司提出，后被美国电气与电子工程师协会(IEEE)和国际电工委员会(IEC)接受为程控仪器和自动测控系统的标准接口，因此，也称IEEE488接口或IEC625接口，目前的协议是488.2。,2.1.1 GPIB的基本性能,设备容量 设备容量是指GPIB接口系

2、统中仪器和计算机的总容量，通常可连接的仪器数目最多为15台；传输距离 互连电缆的传输路经总长不超过20m，或者装置数目与装置之间距离的乘积不超过20m；数传速度 最高可达1Mbyte/s；地址容量 GPIB标准规定采用5个比特位的编码来表示地址，地址容量为31个；信息逻辑 总线上信息逻辑采用负逻辑，规定：低电平（+0.8V）为逻辑“1” ，高电平（+2.0V）为逻辑“0” ；数传方式 数据传输方式可以为：字节串行、位并行，双向异步传输。,2.1.2 GPIB器件及接口功能,采用GPIB总线互连的仪器、设备是多种多样的，它们有的很复杂，像计算机、网络分析仪等，有的很简单，如开关器、衰减器等。但从

3、仪器系统组建的角度出发，它们都是系统中的一个逻辑单元，仅是测试功能不同而已；为了简单和统一起见，把这些复杂程度和功能能力不同的、执行IEEE488.2协议的各种设备统称为“GPIB器件”；简单的说，凡配备了GPIB接口的独立装置统称为器件。,1. GPIB器件,器件职能,在GPIB系统中，不同的器件承担着不同的任务，行使不同的职能，这些职能可归纳为控者职能、讲者职能和听者职能。控者职能 控者是对系统进行控制的设备，具有控制整个系统协调工作的能力；讲者职能 讲者是通过接口发送各种数据和信息的设备；听者职能 听者是能够通过接口接收数据的仪器设备。,2.GPIB接口功能,听功能： 接收信号、数据讲功

4、能： 发送信号、数据控功能： 通过微处理器发布各种命令源握手功能：为讲功能和控功能服务受握手功能：为听功能服务服务请求功能：量程益出、震荡器停止等意外故障发生时，主动向控者提出请求，以进行相应处理。并行点名功能：快速查询请求服务装置，速度快远地/本地功能：选择远地或本地工作方式触发功能：产生一个内部触发信号，以启动有关仪器功能进行工作清除功能：产生一个内部清除信号，使某仪器功能回到初始状态。,3.GPIB消息,消息：在GPIB接口系统中，在总线上传送的所有信息统称为消息；按消息的用途，消息可分为接口消息和器件消息；按消息传送路径的不同，消息可分为远地消息和本地消息。,2.1.3 GPIB总线结

5、构,GPIB总线是一条24芯的无源电缆线，其中16条为信号线，其余用作逻辑地或外屏蔽。,1. GPIB总线描述,引脚分布,16条信号线按功能分为： 8根双向8位数据线 3根数据挂钩联络线 5根接口管理控制线引脚分配对应关系：,10 : SRQ11 : ATN12 : 机壳地1316: DIO5DIO817 : REN1824: 地,14：DIO1DIO4 5 : EOI 6 : DAV 7 : NRFD 8 : NDAC 9 : IFC,2. GPIB电缆及电缆接插头,3.GPIB三线挂钩原理,系统内部每传送一个字节信息都有一次三线联络的过程，其时序如图。,2.1.4 GPIB仪器系统,GPI

6、B设备的串行连接,GPIB设备的星型连接,2.2 VXI总线,VXI总线标准是在VME总线和GPIB总线基础上发展的一种新型仪器系统总线。VXI(VMEbus Extensions for Instrumentation)VME(Versabus Module European)VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、小型便携和灵活通信能力等一系列优点满足了工业领域需求，被公认为21世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。,VXI uses standard technology,GPIB,VMEbus,VXI基于VME和GPIB,2.2.

7、1 VXI总线的特点,1)模块式结构； 2)高速数据吞吐量； VXI总线底板数据传输速率理论上可达40Mbyte/s；3)小型化；4)可靠性高，可维护性好；5)适应性、灵活性强。,2.2.2 VXI器件、模块与机箱,VXI测试系统采用器件模块机箱的方式构成系统；VXI系统的全部总线均集中在多层印刷电路板内，模块与VXI总线通过连接器连接；电源和冷却散热装置为机箱内的全部器件共用；良好的电磁兼容性。,1. VXI器件,器件是组成VXI总线系统最基本的逻辑单元；通常，一个器件占据一块VXI模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块；在一个VXI系统中，最多可有256个器件，每个器

8、件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为0255。,器件分类,器件之间的基本操作是信息传输。根据其性质、特点和它所支持的通信规程，VXI总线器件分为:,寄存器基器件消息基器件存储器器件扩展器件,寄存器基器件,寄存器基器件是具有最基本能力的VXI总线器件，这类器件只支持寄存器直接读/写协议，一般只配置VME总线的从模块功能。一些要求极少智能或根本不要求智能的模块，如简单的开关、数字I/O和简单的串行接口卡都属于寄存器基器件。,消息基器件,消息基器件是具有高级通信能力的器件，这类器件在系统组态层设置了一组可以由其他模块访问的“通信寄存器”，使该器件可通过某种特定的通信协议（如VXI总线字串行协议

9、）与系统中的其他器件进行通信。通常认为消息基器件是包含CPU并能理解ASCII命令的智能器件，如数字式多用表、频谱分析仪、GPIB-VXI接口器件等。,存储器器件,存储器器件是包含一定的存储器器件特征的、类似寄存器基器件的VXI总线器件，如RAM、ROM等存储器卡都是存储器器件。 扩展器件 扩展器件是为了VXI未来发展而定义的，它允许将来设计更新种类的器件、支持更高级的通信协议。,2. VXI模块,VXI总线系统的最小物理单元是组建模块，它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。,P1、P2、P3三个96脚J型连接器和信号通路,典型

10、VXI模块,3. VXI主机箱,VXI or VME,背板,未屏蔽C尺寸模块,双宽度带屏蔽的D尺寸模块,电源冷确系统,1. VXI总线组成在VXI总线系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都通过总线传递。VXI总线系统的各种总线都印制在主机箱内的多层底板上，通过P1/J1、 P2/J2、 P3/J3连接器与各模块相连接。VXI总线是VME总线在仪器领域的扩展，所以VXI总线实际上是在VME总线的基础上扩展了一些适应仪器系统所需要的总线而构成的。,2.2.3 VXI总线组成及功能,VXI总线的电气结构示意图,2. VME总线功能,VME计算机总线时钟和同步总线模块识别总线触发总线模拟相加总线局部

11、总线电源线,1) VME计算机总线,VME计算机总线包含了数据传输总线、仲裁总线、优先级中断线和公用总线，这些总线都安排在P1连接器和P2连接器的中间一行引脚上。主要有：,数据传输总线（DTB）: DTB由总线主模块控制，用于主、从模块之间传递数据和状态/识别信息。分为寻址线、数据线和控制线；DTB仲裁总线:VME总线支持多处理器的分布式系统。仲裁总线用来解决多个主模块争夺DTB总线使用权的问题，防止总线冲突；优先中断总线: 供VME总线系统的中断器（Interrupter）和中断处理器之间进行中断请求和中断认可使用；公用总线:为系统提供时钟、系统初始化及故障检测等功能。,2) VXI增加的信

12、号线,为适应高速、高性能仪器组件模块的需要，VXI在保留VME系统总线的基础上，新定义了一些面向仪器应用的信号线。这些新定义的信号线位于P2和P3连接器上，包括：,*模块识别线：检测特定位置上的模块的是否存在； *时钟和同步线：CLK10和CLK100、SYN100；*仪器触发线：TTL、ECL和STARX和STARY星形触发线； *模拟相加线：SUMBUS是VXI背板上的模拟相加结点；*局部总线：用于两者之间高速通信，LBUS数据传输率高达250Mbps和1Gbps； *电源线：+5V， 12V是VME标准； 24V是为模拟电路设计的，-5.2V，-2V是为高速ECL电路设计的。,2.2.4

13、 VXI总线的通信协议,1. VXI总线通信协议模型,2. VXI总线通信协议,VXI总线中参与通信的单元包括寄存器基从者、消息基从者和消息基命令者。寄存器基从者是指寄存器基器件的通信单元。这类器件的通信协议在VXI标准中没有定义，即寄存器基从者不支持VXI总线的任何通信协议。控制寄存器基器件的协议完全取决于器件。这类器件的设计者可随意规定寄存器间的配合和正常操作所需的控制协议。消息基从者通常具有独立执行复杂命令的能力，并可控制分层仪器系统中的其他器件。消息基命令者是消息基器件对其他器件进行控制的接口。消息基从者和命令者都使用VXI总线消息基的器件协议进行通信。命令者和从者之间进行通信的协议，

14、涉及到从者的协议寄存器、响应寄存器和数据寄存器。,(1)字串行协议,是串行地从一个固定地址向另一个固定地址传送数据的通信协议，它是基于全双工UART的一种通用方式，每个操作都用双向数据寄存器和一个响应寄存器来实现； 字串行协议的数据传送过程是由命令者控制进行的，并由响应寄存器中的状态位来协调。只有当响应寄存器中WRDY位为1时，数据才能被写入到写数据寄存器中。当数据已放在写数据寄存器中时，WRDY位清0，直至数据被从者接收。只有当响应寄存器中RRDY位置1时，有效数据才能从读数据寄存器中读出。当数据已从读数据寄存器中读出时，RRDY位清0，直至从者将另一个数据放入读数据寄存器中。,字串行通信有

15、三种形式：字串行、长字串行和扩展长字串行，数据宽度分别为16位、32位和64位。,(2) 快速握手传输,字串行协议可以使用两种握手方式来传送数据，即正常传送方式和快速握手方式。 正常传送方式是用从者响应寄存器的“RRDY”位和“WRDY”位来使数据同步传送，而快速握手方式则是用从者的DTACK（数据传送认可）和BERR（总线错误）信号线来保证适当的同步。,从者用其协议寄存器的“快速握手”位来表示对快速握手方式的支持，用响应寄存器中的“FHSAC”（快速握手作用）位来表示快速握手当前的状态。,(3)字节传送协议,字节传送协议是命令者和从者之间进行8位数据传输的协议，借助“字节有效”和“字节请求”

16、两个字串行命令完成。,1）字节有效命令-命令者利用“字节有效”命令向从者发送一个字节的数据,D15D9为命令标识，内容固定，D7D0是命令者向从者发送的数据字节，D8用来传送END消息，为1时表示这次发送的字节是字节串的最后一个字节，为0说明还有字节要发送。,2）字节请求命令-命令者可用“字节请求”命令从从者处取回一个字节数据,“字节请求”命令是一个固定的16位命令，其编码为DEEFH。从者在其数据低寄存器返回一个数据字节：,2.2.5 VXI总线系统资源,系统共用资源包括： 0号槽服务器件 资源管理器1. 0号槽服务器件 VXI总线主机箱有13个插槽，面对插入方向从左至右其编号为012。0号

17、槽与其它槽有所不同，0槽器件主要用来给其所在的子系统中的112号槽提供公共系统资源，其中包括：通过P2连接器提供系统时钟CLK10和模块识别信号(MODID)通过P3连接器提供系统时钟CLK100，也可以提供同步信号 SYNC100及星形线STARX和STARY,2.资源管理器,资源管理器的主要任务是配置管理系统。资源管理器是一个命令者器件，逻辑地址为0，其它器件的逻辑地址不能设为0。它完成系统配置的主要内容如下：1）器件识别：通过读256个配置寄存器每一地址处的状态寄存器来判断有无相应的器件2）系统的自检管理：在所有器件完成自检后，强制自检失败的器件进入复位状态，或用其它方法进行诊断测试,资

18、源管理器,3）配置系统地址图：首先读出每个器件的地址空间，然后给器件分配基地址偏移量，保证地址不重叠4）进行命令者/从者分层：通过读消息基器件的通信寄存器找出所有的命令者，确定从者区域大小，进行分配5）分配中断请求线：只对支持用软件的方法来确定（对中断请求线的使用具有可编程能力）的器件分配中断请求线启动正常操作：完成上述过程后，发出开始正常操作命令给顶层 命令者。至此，上电工作过程完成,2.2.6 VXI总线仪器系统,VXI总线系统的典型结构有：单CPU系统、多CPU系统、独立系统和分层结构仪器系统,VXI总线系统的典型结构,2.3 PXI总线,PXI（PCI eXtensions for I

19、nstrumentation）是PCI（Peripheral Component Interconnect）在仪器领域的扩展，是与VXI总线并行的另一种模块式仪器总线标准。它由PXI系统联盟在1997年制定，将CompactPCI（坚固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，从而产生了新的虚拟仪器体系结构。,2.3.1 PXI总线的特点,高速数据转输速率；模块化仪器结构，具有标准的系统电源、集中冷却和电磁兼容性能 ；具有10MHz系统参考时钟、触发线和本地线；具有“即插即用”仪器驱动程序；具有低价格、易于集成、较好的灵活性和开放式工业标准

20、等优点。,2.3.2 PXI总线规范,PXI总线规范涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范,1. PXI机械规范,PXI模块的结构尺寸与连接器如图,2. PXI电气规范,PXI总线的电气性能,3. PXI软件规范,PXI的软件要求包括支持Microsoft Windows NT和Windows 2000这样的标准操作系统框架，要求所有模块带有配置信息（configuration information）和支持标准的工业开发环境（如NI的LabVIEW、LabWindows/CVI和Microsoft的VC/C+、VB和Borland的C+等），而且符合VISA规范的设备驱动程序（W

21、IN32 device drivers)。,2.3.3 PXI仪器系统,NI的高性能PXI机箱和控制器,多总线混合测试系统,混合测试系统采用外接计算机控制，通过MXI-3接口连接PXI系统和VXI系统，PXI系统中的GPIB接口还可以用来连接GPIB仪器。,PXI嵌入式控制,PXI嵌入式控制器PXI-8105,PXI外部模块,2.4 LXI总线,为了更好地研发自动测量仪器系统, 安捷伦技术公司和VXI科技公司于2005年9月联合推出了新一代基于局域网（Local Area Networks，LAN）的模块化平台标准LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）。

22、LXI基于著名的工业标准以太网（Ethernet）技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准。,2.4.1 LXI的特点和优势,LXI的特点： 开放式工业标准 向后兼容性 成本低廉 互操作性 及时方便地引入新技术,LXI模块化仪器的优势,（1）集成更为方便，不需要专用的机箱和0槽计算机；（2）可以利用网络界面精心操作，不需要编程和其 他虚拟面板；（3）连接和使用更为方便，可以利用通用的软件进 行系统编程；（4）非常容易实现校准计量和故障诊断；（5）灵活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使 用。,2.4.2 LXI总线规范,LXI机箱,L

23、XI半宽机箱,LXI半宽机箱的尺寸,LXI半宽机箱的最大尺寸,LXI机箱供电与冷却,LXI模块的交流供电取自单相交流电网，电压为交流100240V，频率为4766Hz。各LXI 器件的直流供电可通过直流电源或由以太网供电。 每个LXI模块分别独立冷却，空气从两侧进入，由后面排出。半宽模块设计成在一侧被其他模块阻挡时仍具有足够的通风量。LXI模块不允许以上、下两面作为进入口，这样以便模块可堆叠在另一模块上面。,LXI机箱的开关和指示灯,（1）后面板左边是以太网连接器，后面板右边是电源连接器和电源开关，触发总线连接器安排在后面板电源旁边。（2）无前面板的模块必须设置LCI (LAN 配置启动) 按

24、钮，最好安排在后面板并且标志为LANRST (或LAN RESET)，按钮有机械保护或有时间延迟, 以避免非故意操作，LCI必须使模块在失去与PC通信的时候进入已知状态。（3）前面板设置信号连接。当模块无前面板显示器时，必须在前面板左下方安排三个指示灯： 最下面是电源指示灯，电源接通时发绿光； 中间是LAN网络指示灯，正常工作时发绿光，识别过程中发闪烁绿光，LAN故障时发红光； 最上面是IEEE1588同步指示灯，未同步时熄灭，建立从机同步时发固定绿光，作为主机时每秒闪烁一次，请求主机时每两秒闪烁一次，故障时发红光。,LXI 的以太网连接,每个LXI器件必须执行IEEE-802.3局域网（以太

25、网）标准，网络最少能够支持TCP/ IP协议。LXI规范建议使用1000Base-T以太网，它应自动识别100Base-T和用第5类电缆构建的网络。仪器供应商最低限度提供100Base-T，虽然也允许使用10Base-T组网。在100Mbps速度下，LXI的传输速度比GPIB大约快10倍。,LXI 的驱动器,全部LXI模块都配备可交换虚拟仪器（IVI）的驱动器，建议使用关联性的IVI级模型。为便于驱动器的构建和资源利用，LXI 规范执行与VXI规范相同的方法，使用IVI驱动器来支持虚拟仪器软件结构（VISA）的资源名字。LXI模块通过VXI-11搜索驱动器资源，LXI规范的驱动器编程保证与VX

26、I模块的驱动器编程相一致。IVI数据库有几百种虚拟仪器驱动器可供使用。,LXI 的触发级别和总线,LXI规范对LXI器件实施3级触发：（1）C级，基本级别，包括详细规定的物理、电气、以太网和网页，但LXI模块供应商可选用自己最适合的触发器；（2）B级，除C级要求以外增加IEEE1588协议的触发条件；（3）A级，在C级和B级要求基础上增加LXI触发总线。,IEEE1588协议,IEEE1588（网络器件的时间同步协议）标准指定网络的一个模块作为主时钟，然后对其他模块实现时钟同步,IEEE1588器件的同步过程,2.4.3 LXI的仪器系统,LXI仪器模块的外型结构,LXI总线虚拟仪器的硬件结构,LXI总线虚拟仪器网络结构示意图,本章结束,Thank You !,