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1、第 4 章,VXI总线测试系统,第4章 VXI总线测试系统,教学内容 VXI总线特点 VXI总线的组成结构 VXI总线的功能 VXI总线测试系统组建方法,GPIB,概述,VXI(VMEbus eXtensions for Instrumentation)VME(Versabus Module European)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。,4.1 V
2、XI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，本地总线的数据传输速率可达1GByte/s； 3)小型化；4)可靠性高，可维护性好；5)适应性、灵活性强。,4.2 VXI系统的组成结构,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。,4.2.1 VXI器件、模块与主机箱,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
3、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，这类器件的特点是器件的通信是通过对它的寄存器进行读写来实现的。如简单的开关、数字I/O和A/D接口卡等 ；,特点：器件的通信通过对它的寄存器进行读、写来实现； 它是最简单的器件，本身一般不具备智能，不能控制其它器件，只能受其它器件或系统控制； 硬件电路简便，易于实现，速
4、度快，节省指令译码时间，在速度要求较高的情况下特别有用。,消息基器件,消息基器件不但具有配置寄存器，同时还具有通信寄存器来支持复杂的通信协议。这种器件一般都是具有本地智能的较复杂器件，如计算机、资源管理器、各类有本地智能的测试仪器、GPIB-VXI接口等。 特点：,具有本地智能，可以控制其它器件，也可以被其它器件控制； 能够接受和处理复杂命令，支持字串行协议；需对指令进行译码，因此降低了速度。,存储器器件,存储器器件靠寄存器的读、写进行通信，除配置寄存器外，还具有特征寄存器，没有通信寄存器，本身是存储器。特点：,一般由其它器件使用，不能控制其它器件；该器件的其它可寻址寄存器是器件工作时使 用的
5、存储单元；具有存储器的某些特性，具有一定的存取时间。,扩展器件,扩展器件是为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。,这四种器件在VXI系统中担当的角色及器件之间的通信是基于一种器件分层关系进行的，即相互通信的器件一个称为命令者，一个称为从者，命令者是消息基器件，能控制一个或几个其它器件，被控器件就是该命令者的从者。,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。,典型VXI模块,3. VXI主机箱,VXI or VME,背板,未屏蔽C尺寸模块
6、,双宽度带屏蔽的D尺寸模块,电源冷确系统,VXI主机箱,VXI主机箱为保证各模块恰当地连接到底板而设；底板的构成：它是一块印制电路板，有13个插槽（012），其上还有：P1、P2、P3三个96脚J型连接器和信号通路；冷却、通风设备；电源；,每个连接器分成A、B、C三行 的欧式结构，每行32个引脚；P1是各种模块必须的，P2、P3可选。,VXI模块用连接器,4.2.2 VXI系统的典型结构,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,4.3 VXI总线的组成及功能,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
7、。 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。,VXI总线定义的信号线分类,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本地总线电源线,VXI总线的结构,VXI总线P1/J1连接器引脚定义（012槽）VXI总线P2/J2连接器引脚定义（0槽） VXI总线P2/J2连接器引脚定义（112槽） VXI总线P3/J3连接器引脚定义（0槽）VXI总线P3/J3连接器引脚定义（112槽）
8、,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。,（1）数据传输总线（DTB）,寻
9、址线地址线A01-A31地址修改线AM0-AM5数据选通线DS0*-DS1*字长线LWORD*数据线D00 - D31,控制线地址选通AS*数据选通线DS0*-DS1*总线错误线BERR*数据传输应答线DTACK*读/写信号线WRITE*,（2）DTB仲裁总线,总线请求线BRX*总线允许输入线BGXIN*总线允许输出线BGXOUT*以上3种信号线中X取值0、1、2、3四种总线忙线BBSY*总线清除线BCLR*,（3）优先中断总线,中断请求线IRQ1*IRQ7*中断应答线IACK*中断应答输入线IACKIN*中断应答输出线IACKOUT*,（4）公用总线,系统时钟线SYSCLK序列时钟线SERC
10、LK序列数据线SERDAT*交流故障线ACFAIL*系统复位线SYSRESET*系统故障线SYSFAIL*,2.VXI增加的信号线,*模块识别线：MODID00MODID12，检测特定位置上的模块的是否存在，或者识别一个特定器件的物理槽位； *时钟和同步线：CLK10和CLK100、SYN100；*仪器触发线：TTL(TTLTRG0*-TTLTRG7*)、ECL(ECLTRG0-ECLTRG5)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；*本地总线：LBUS00-LBUS35用于两者之间高速通信，LBUS数据传输率高达250MB和1GB； *电
11、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。,4.4 VXI总线的通信协议,VXI总线系统定义了一组分层的通信协议（或通信规程）来适应不同层次的通信需要，不同的器件支持的通信协议也有区别。,4.4.1 器件的基本配置,1.器件的逻辑地址及地址分配设器件的逻辑地址为V，则 器件寄存器基地址=215+214+V64=49152+V64 器件寄存器基地址A15A0由3部分组成：A15和A14恒为1，因为基地址中包括215和214。这说明配置空间在A16寻址的64K字节高16K空间。基地址为64的整数倍。这说明基地址的低6位（A5A0）均
12、为0，它恰好使每个器件的寄存器最小地址空间为64字节，即占用从基地址向上的64字节。中间的8位即A13A6与器件的逻辑地址V对应。因为每个器件都有唯一的逻辑地址V，而器件的寄存器基地址又由它确定，所以各器件的64字节寄存器地址空间不会重叠。,2.器件寄存器,VXI器件的寄存器分为两大部分：配置寄存器和操作寄存器，地址分配如图。,1）配置寄存器,00H07H为配置寄存器区，VXI共定义了6个配置寄存器，这些寄存器都是16位的 。,识别（ID）寄存器 -提供与器件配置有关的信息,器件类型：指器件的4种不同类型，00表示存储器器件，01表示扩展器件，10表示消息基器件，11表示寄存器基器件。地址空间
13、：指器件所使用的寻址空间的大小，用寻址线来表示，00表示A16/A24，01表示A16/A32，10表示保留，11表示仅用A16。 厂家识别码：由VXI总线联合体指定，用以区别VXI产品的不同厂家。凡生产VXI产品的部门都可以申请一个唯一的识别码。如Agilent公司的VXI器件识别码为FFDH。,配置寄存器,逻辑地址寄存器-具有动态设置地址能力的器件使用该寄存器,器件型号寄存器-用来提供与器件类型有关的信息。,用于在动态配置期间写入器件新的逻辑地址（低8位），高8位没有定义。,要求的存储空间：仅适用于地址A16/A24和A16/A32寻址的VXI器件，对应的4位给出m，以便计算器件要求的存储
14、器地址空间。型号编码：是厂家为器件指定的模块识别编码。,配置寄存器,状态寄存器 -用来提供与器件状态有关的信息,A24/A32有效：用于指示器件是否在A24或A32寻址空间有附加的操作寄存器，该位为1表示有A24/A32附加空间。MODID*：用来反映器件的MODID信号线的状态，为1表示不能通过P2连接器的MODID线选择该器件，为0表示在P2的MODID线上的高状态选择该器件。 准备好：用于表示器件是否准备好接收系统的一套操作命令。 通过：表示自检过程是否通过，为1表示自检通过，为0表示正在进行自检或自检失败。与器件相关：由厂家自行定义。,配置寄存器,控制寄存器-用来使器件执行相关操作,偏
15、移寄存器 偏移寄存器为16位的读/写寄存器，只用于需要附加A24或A32空间的器件，定义附加地址空间的基地址。此基地址由系统资源管理器在配置系统地址资源时写入。,A24/A32使能：为1时允许访问器件的A24或A32操作寄存器，为0相反。与器件相关：由器件设计者自行定义。SYSFAIL禁止：用于控制器件出现故障时是否驱动SYSFAIL*线，为1为禁止。 复位：为1强制器件进入复位状态。,2）器件类别相关的寄存器,器件类别相关的寄存器随器件类型不同定义不同 。 对寄存器基器件 VXI规范没有对所有寄存器基器件定义与器件类别相关的寄存器 。但由于0号槽寄存器器件的特殊作用，VXI规范定义了一个MO
16、DID（模块识别）寄存器，用于控制和监视MODID00MODID12。,“输出使能为1，则0号槽的MODID驱动器使能，为0驱动器禁止。 MODID00MODID12位反映对应MODID线的实际电平状态（1为高，0为低）。,对消息基器件,协议/信号寄存器、响应/数据扩展寄存器和数据低、高寄存器是所有消息基器件必备的，其他寄存器为可选的。,在器件类别相关的寄存器区定义了一组标准通信寄存器，以支持VXI总线系统较高级的通信协议。,消息基器件与器件类别相关的寄存器,协议寄存器-用来表示器件所支持的通信协议和附加的通信能力,命令者：表示器件是否具有命令者能力，为1表示只具有从者能力，为0表示既有从者能
17、力又有命令者能力。信号寄存器：表示器件是否配备了信号寄存器，为0表示配备了信号寄存器。主模块：表示器件是否具有主模块能力，为0表示器件具有主模块能力。中断器：表示器件是否具有中断器能力，为1表示器件具有中断器能力。快速握手：表示器件是否支持快速握手方式，为0表示器件支持快速握手方式，为1表示器件只能实现正常传送方式。共享存储器：表示器件是否支持共享存储器协议，为0表示器件支持共享存储器协议，并具有A24和A32指针寄存器或其中之一。保留：以待将来定义，其默认值均为1. 与器件相关：由器件的设计者自行定义。,消息基器件与器件类别相关的寄存器,信号寄存器 -支持信号通信方式的器件必须选配信号寄存器
18、，以接收从者写入的信号信息,写入信号寄存器的内容包括信号发送者的逻辑地址和特定的信号信息，这种特定的信息包括两种：响应信息和事件信息。D15位为0对应响应信息，为1对应事件信息。,消息基器件与器件类别相关的寄存器,响应寄存器 -用于反应映器件的通信挂钩状态,DOR：数据输出准备好，为1表示器件已准备好向它的命令者输出数据。DIR：数据输入准备好，为1表示器件已准备好从它的命令者接收数据。ERR：错误，为0表示器件在执行串行通信协议中出现错误，错误性质可以用读协议错误命令读出。RRDY：读准备好，为1表示器件的数据寄存器内装好可以读取的数据，当数据读出后，该位清0。WRDY：写准备好，为1表示器
19、件的数据寄存器已空，可写入数据，当写入数据后，该位清0。FHSAC：快速握手作用，为0表示从者器件正在使用快速握手方式传送数据，为1表示以正常方式传送数据。LOLC：本地封锁，为0表示该器件已被它的命令者封锁，其他本地资源不能对其进行访问。,存储器器件在与器件类别相关的寄存器区定义了一个特征寄存器，该寄存器是只读寄存器，用来存放存储器器件的一些重要特征，如存储类型、访问速度等信息。,存储类型：为00表示RAM，01表示ROM，10为其他，11保留。N/S：为1表示器件可用通用或程序方式访问，为0表示只能用程序方式访问。BT：为0表示器件具有块传输能力。N_P：其含义与存储器类型有关，如果存储类
20、型为RAM，该位为0表示RAM是非易失性RAM，如果存储类型为ROM，该位为0表示本器件是可编程序的。访问速度：表示存储器的访问时间，访问时间是指从DS0*或DDS1*有效到存储器器件DTACK*有效的时间。D32：该位为0表示器件具有D16/D08，还具有D32能力。 与器件相关：由器件设计者自行定义。,对存储器器件,4.4.2 VXI总线通信协议,（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
21、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。,VXI总线通信协议,（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
22、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。,VXI总线通信协议,（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”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
23、者在其数据低寄存器返回一个数据字节：,4.5 VXI总线系统资源,系统共用资源包括 0号槽服务器件：在物理连接层向系统提 供公用资源 资源管理器： 为系统提供逻辑组态和管 理服务,4.5.1 0号槽服务器件,（1）系统时钟功能模块，提供VXI总线的SYSCLK、16MHz）、CLK10、CLK100和SYN100时钟和同步信号；（2）STARX和STARY星型触发线程控组合矩阵；（3）系统复位等管理模块，提供和处理SYSRESET*、ACFAIL*和SYSFAIL*信号； （4）模块识别功能模块，驱动和接收 MODID00MODID12线。,4.5.2 资源管理器,1）器件识别：通过读256个
24、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；3）配置系统地址空间：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；6）启动正常系统操作。,4.6 VXI总线接口设计,在VXI
25、总线系统中，各种仪器均以模块形式插入VXI机箱中，开发研制VXI模块化仪器，必须首先要突破VXI总线接口设计问题。 目前VXI仪器模块主要为 ：,寄存器基器件消息基器件,4.6.1 寄存器基器件VXI总线接口设计,寄存器基器件的VXI总线接口基本要求只需具有配置寄存器。与这种器件的通信是通过对器件寄存器的读、写来完成的。这种器件一般电路比较简单，但速度快，是应用最多的一种器件； 以寄存器基A16/D16器件为例。,VXI总线寄存器基接口原理框图,4.6.2 消息基器件VXI总线接口设计,消息基器件支持VXI总线配置与通信协议，它一般是具有本地智能的、具有一定通信能力的复杂器件。消息基器件接口除
26、了基本的组态寄存器以外，还有一组专用的通信寄存器，用以进行字串行通信。,VXI总线消息基接口设计原理,4.7 VXI总线测试系统组建,VXI总线测试系统具有高速度、高效率、高性能、高可靠性等特点。在要求以小型、便携、高可靠、多功能、高速数据采集、高灵活性和满足用户特殊要求等场合可选用VXI总线组建测试系统。,4.7.1 组建VXI总线测试系统的一般过程,集成VXI总线自动测试系统与集成其它的自动测试系统相比有其自己的特点，通常需要以下几个步骤：1）需求分析；2）确定系统体系结构；3）设备选择与配置，VXI总线主机箱选择，确定被测对象（DUT）接口；4）选择软件开发环境；5）软件的设计开发；6）
27、文件编制。,4.5.2 VXI总线测试系统组建举例,例：火炮动态参数测试系统,火炮动态参数主要有: 炮口弹丸初速 自动机线位移 膛内压力 后坐加速度 炮口冲击波等,1.火炮动态参数的测试方法,炮口弹丸初速测试弹丸初速是影响火炮射击精度的重要因素，测试弹丸初速可以检验内弹道理论的正确性和计算方法的准确性。因此，弹丸初速的测量是火炮动态参数最基本的测试项目之一。,自动机线位移测试,自动机是火炮的心脏，它是自动完成重新装填和炮弹实现连发射击的各机构的组合。自动机能否高效稳定地工作是火炮能否可靠地完成其战斗任务的关键因素。,传感器量程：100mm150mm，300mm400mm， 700mm800mm
28、响应速度： 20m/S测量误差：1mm抗冲击振动：50g,膛内压力,火炮射击时炮膛内火药气体压力是火炮武器系统的重要内弹道参数，膛压的变化直接影响火炮射击的精度，影响射击安全性，甚至造成射击事故。因此，膛压检测是关系火炮弹药有效使用和安全使用的重要检测工作。,膛内压力测量传感器的性能指标：量程：50Mpa，100Mpa固有频率：100kHz测量误差：2%,后坐加速度测试,火炮射击时加速度是靶场射击试验中所关心的重要的动力学参量之一。,压电式加速度传感器性能指标：量程：4000g灵敏度：25pc/g；频率范围:030KHz；,炮口冲击波测试,火炮发射时，高温、高压的火药气体会形成一种超过空气压力
29、的冲击波，它以大于声波的速度向四处传播。目前，世界各国均把它列为武器摸底、定型、校验各试验阶段的必测参数之一。,固态压阻式压力传感器/传声器性能指标：量程：0.3Mpa频响：100KHz上升时间：15s非线性：0.5%,2.测试系统硬件组建,VXI主机箱,选用北京航天测控技术开发公司的C尺寸13槽普通型机箱AMC68403A。,AMC68403A机箱的主要技术指标：模块类型：C型13槽；连接器：P1，P2；主机箱规格：高：352mm(13.9英寸)，宽：424.5mm（16.7英寸），深：631mm（24.9英寸）；机箱总功率：1000W；冷却模式（高速或变速）：可在前面板变换，控制推动器和风
30、扇。,仪器模块,HP E1564A数据采集模块,HP E1564A为C尺寸、寄存器基、4通道的VXI总线仪器模块。最高采样速率可以达到800KSa/s，每个通道可以独立的工作，且每个通道均有14Bit的A/D转换器。输入信号的满量程范围分别为0.0625V，0.25V，1V，4V，16V，64V，256V等七档，并且每个通道可以独立程控，共模抑制比为113dB，功率为37.4W，使用FIFO(先进先出)存储器，内存可扩展，根据需要内存大小支持4128M，具有多种触发方式。,VXI-1114数据采集模块,VXI-1114是C尺寸、寄存器基、4通道的VXI总线仪器模块，连接器为P1，P2。最高采样
31、速率可达40MSa/s，输入阻抗为1M，每个通道均有12Bit的A/D转换器，可以进行并行采样。输入信号的满量程范围分别为0.125V、0.25V、0.5V、1V、2V、4V、8V、16V八挡，每通道量程可独立设置。4个通道采样时，每个通道的存储深度为256KB，模块具有丰富的触发方式。,零槽控制器,零槽控制器选择Aglient E8491B IEEE1394-VXI零槽控制器模块。,Agilent E8491B IEEE to VXI是C尺寸的消息基模块，它通过工业标准IEEE-1394总线提供PC机与VXI主机箱的直接连接。最大数据传输速率为14MB/s（16-bit），提供A32，A24，A16寻址，连接器为P1，P2。,3. 测试系统软件设计,第4章教学要求,1. 理解VXI接口的工作原理2. 掌握VXI的基本特性3. 了解VXI总线测试系统组建方法,
