虚拟仪器VI讲义_第九章_虚拟仪器体系与总线接口设备_45页.ppt

,第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备,9.1,虚拟仪器体系结构分析,9.2 DAQ,基础及设备,9.3 GPIB,总线及接口设备,9.4 VXI,总线及接口设备,9.5 PXI,总线及接口设备,第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备,9.1.1,虚拟仪器总体结构分析,图,9-1,不同硬件平台与计算机的结合,图,9-2,不同硬件平台的数字化能力,GPIB,Serial,DAQ,Process,or,Unit Under Test,VXI,Image Acquisition,Motion,Control,PXI,Application,Software,Hardware&Driver Software,表,9-1,不同体系结构虚拟仪器的系统性能,平台,特性,GPIB,PC-DAQ,VXI,传输宽度,8,8,，,16,，,32,(expandable to 64),8,，,16,，,32,(expandable 64),吞吐率,1MB/s(3-wire),8MB/s(HS488),1-2MB/s(ISA),132MB/s(PCI),40MB/s,80MB/s(VME64),定时与控制,能力,None,None,8 TTL Trigger Line,2 ECL Trigger Line,面市产品,种类,10,000,1,000,1,000,扩展能力,Using Multiple,Interface Cards,Available From,Third Parties,Standardised,Using MXI,结构大小,Large,Small,Medium,图,9-3,带,SCXI,的非电量测量体系结构,Sensors and,I/O Singles,Terminal,Block,SCXI Signal Conditioning Module,ADQ Device,ADC,Control,SCXI Bus,Analog Bus,Digital Bus,9.1.2,非电量虚拟仪器体系结构分析,图,9-4,带,SC,模块的,VXI,系统体系结构,图,9-5,a)PC,-DAQ,台面系统,图,9-5,b)PC,-DAQ,便携系统,图,9-5,c)PC,-DAQ,远程测试系统,图,9-8,集中控制数据系统的体系结构,图,9-9,分布式数据采集系统的体系结构,9.2 DAQ,基础及设备,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.1 DAQ,仪器与总线由仪器卡组成的,DAQ,仪器的主要方式有：,内插式：将仪器卡插入微机的内部总线；,外挂式：将微机总线引到扩展箱；,直接外挂式：在微机外总线（并口、,USB,）接入仪器卡。总线：模块与模块或设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控制器的控制下，将发生器发出的信息准确地传送给某个接收器的信号通道。,Process,or,Unit Under Test,PXI,4,种计算机总线：,片内总线（,In Chip Bus,）；,芯片总线（,Component Level Bus,）；,内总线（,Board Level Bus,）；,外总线（,System Level Bus,）。与,DAQ,仪器相关的总线类型：内总线和外总线,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.2 DAQ,仪器的特点,缩短研制周期，提高产品的竞争力；,可视化与直读性；,测试过程控制与强大的数据处理能力；,模块化与多功能性；,集成化与扩展性；,操作自动化与方便性；,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.3 DAQ,仪器设计关键技术,总线扩展与接口技术；,A/D,和,D/A,转换技术；,多路开关和滤波放大技术；,高速缓存电路；,实时采样和等效采样技术；,可编程逻辑器件与逻辑控制电路；,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.4 DAQ,仪器设计基础,1.,多路开关；,2.,放大电路,；,3.,采样,/,保持器,；,4.A/D,转换器,；,以上四个部分构成,PC,的前向通道。是数据采集卡,/,板的主要环节。与其它有关电路如：定时计数器，总线接口电路等，构成,DAQ,卡。,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.5 DAQ,卡的基本性能指标,1.,模拟输入部分,模拟输入通道数；,信号输入方式：单端、差动、单极 性、双极性；,信号输入范围；,放大器增益；,模拟输入阻抗。,Process,or,Unit Under Test,PXI,2.A/D,转换部分,采样速率；,位数；,分辨率；,精度；,3.D/A,转换部分,分辨率；,标称满量程；,响应时间；,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.2.6,DAQ,仪器发展趋势,硬件趋于简单化；,数字信号处理功能日益加强；,新的测试领域不断出现；,新器件增强,DAQ,仪器的功能与测量范围；,虚拟仪器软件框架的发展将促进,DQA,仪器 向纵深发展；,9.3,GPIB,总线及接口设备,Process,or,Unit Under Test,PXI,惠普公司在,60,年代末和,70,年代初开发了,GPIB,通用仪器控制接口总线标准；,IEEE,国际组织在,1975,年对,GPIB,进行了标准 化，由此,GPIB,变成了,IEEE 488,标准；术语,GPIB,，,HP-IB,和,IEEE 488,都是同义词。,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.3.1 GPIB,通用接口总线,1.GPIB,总线接口系统特点,母线型连接方式；,器件容量（,15,台）；,地址容量（,31,个听地址，,31,个讲地址）；,数传方式（比特并行、字节串行、双向异 步传递）；,最大传输速度为,1MBit/s,；,传输距离不超过,20m,；,接口功能共,10,种；,控制方式两种（系统控制、负责控制）；,消息逻辑（,TTL,电平，负逻辑）。,Process,or,Unit Under Test,PXI,2.GPIB,总线结构,GPIB,是一个数字化的,24,线并行总线。包括：,8,条数据线。既用来传送设备命令（,7,位），又用于传送地址和数据（,8,位）；,5,条控制线（,ATN,、,EOI,、,IFC,、,REN,和,SRQ,）。管理系统工作；,3,条握手线（,DAV,、,NRFD,和,NDAC,）。实现设 备输入,输出时的信息交换；,8,条地线。,Process,or,Unit Under Test,PXI,引线,信号,引线,信号,引线,信号,1,DIO1,10,SQR,19,地,2,DIO2,11,ANT,20,地,3,DIO3,12,机壳地,21,地,4,DIO4,13,DIO5,22,地,5,EOI,14,DIO6,23,地,6,DAV,15,DIO7,24,地,7,NRFD,16,DIO8,8,NDAC,17,REN,9,IFC,18,地,表,9-2 IEEE-488,总线定义,Process,or,Unit Under Test,PXI,信号交换线及控制线功能：,DAV,：数据线上有数据时有效；,NRFD,：,1,，表示接收器件准备好；,NDAC,：系统组件均接收到数据时为,1,；,ATN,：,0,，为数据；,1,，为地址；,EOI,：数据传输结束标志；,IFC,：系统清,0,（复位）；,REN,：,1,，为启动远程控制条件；,SRQ,：,1,，服务请求。,Process,or,Unit Under Test,PXI,3.GPIB,接口功能,听功能：接收信号、数据；,讲功能：发送信号、数据；,控功能：通过微处理器发布各种指令；,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：系统故障时运行相应处理；,并行点名功能：控功能同时查询,8,个仪器；,远程控制功能：选择远程或本地控制方式；,触发功能：产生一个内部信号，启动有关仪 器工作；,清除功能：使仪器回到初始状态。,9.4 VXI,总线及接口设备,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.4.1 VXI,标准的发展,VXIbus,是,VMEbus,（,VMEbus,eXtensions,for Instrumentation,）在仪器领域的扩展。,1987,年,7,月，,VXIbus,规范的第一个版本发布。,1992,年,9,月,IEEE,标准局批准为,IEEE-1155-1992,标准,1993,年,2,月经美国国家标准研究院批准，并于,1993,年,9,月出版发行。,表,9-3,VXIbus,标准发展史,版本,0.0,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,IEEE-1155,日期,1987.7.9,1987.8.24,1987.10.7,1988.6.21,1989.7.14,1992.4.21,1993.9.20,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.4.2 VXI,总线目标,使设备之间以明确的方式通信；使,VXI,系统比标准的机架堆叠式系统具有更小 的物理尺寸；使用专门的通信协议和更宽的数据通道为测试 系统提供更高的系统吞吐率；提供可用于军事模块化仪器（,Instrument on a Card,）系统的测试设备；通过使用虚拟仪器原理方便地扩展测试系统的 功能；通过使用统一的公共接口降低系统集成时的软 件开发成本；在该规范内定义实现多模块仪器系统的方法。,9.4.3 VXI,标准体系 国际上现有两个,VXIbus,组织,VXIbus,联合体和,VPP,系统联盟。,VXIbus,联合体主要负责,VXIbus,硬件（即仪器级）标准规范的制订；,VPP,系统联盟的宗旨是通过制订一系列的,VXIbus,软件（即系统级）标准来提供一个开放的系统结构，使其更容易集成和使用。,VXIbus,仪器级和系统级规范文件分别由,10,个标准组成，参见表,2-4,和表,2-5,。,表,9-4,VXIbus,仪器级标准规范文件,标准代号,标准名称,VXI-1,VXIbus,系统规范,(IEEE1155-1992),VXI-2,VXIbus,扩展的寄存器基器件和扩展的存储器器件,VXI-3,VXIbus,器件识别的字符串命令,VXI-4,VXIbus,通用助记符,VXI-5,VXIbus,通用,ASCII,系统命令,VXI-6,VXIbus,多机箱扩展系统,VXI-7,VXIbus,共享存储器数据格式规范,VXI-8,VXIbus,冷却测量方法,VXI-9,VXIbus,标准测试程序规范,VXI-10,VXIbus,高速数据通道,表,9-5,VXIbus,系统级标准规范文件,标准代号,标准名称,VPP-1,VPP,系统联盟章程,VPP-2,VPP,系统框架技术规范,VPP-3,仪器驱动程序,技术规范,VPP-3.1,VPP,仪器驱动程序结构和设计技术规范,VPP-3.2,VPP,仪器驱动程序开发工具技术规范,VPP-3.3,VPP,仪器驱动程序功能面板技术规范,VPP-3.4,VPP,仪器驱动程序编程接口技术规范,VPP-4,标准的软件输入输出接口技术规范,VPP-4.1,VISA-1,虚拟仪器软件体系结构主要技术规范,VPP-4.2,VISA-2 VISA,转换库（,VTL,）技术规范,VPP-4.2.2,VISA-2.2,视窗框架的,VTL,实施技术规范,VPP-5,VXI,组件知识库技术规范,VPP-6,包装和安装技术规范,VPP-7,软面板技术规范,VPP-8,VXI,模块,/,主机机械技术规范,VPP-9,仪器制造商缩写规则,VPP-10,VXIP&P LOGO,技术规范和组件注册,9.4.4 VXI,总线的系统结构,1.,结构配置,VXI,VME,A,B,P1,P1,P1,P3,P1,P2,P2,P2,3.9”,6.3”,9.2”,6.3”,9.2”,13,.4”,C,14.4”,13.4,”,D,P1 VME,计算机总线：,16bit,数据传输总线,16M,地,址,仲裁总线,优先中断总线，,公用总线。,P2,中间行增加,:,VME 32-bit,数据总线,4G,地址。,P2,外部行增加,:10MHz,时钟总线,TTL&ECL,触发总,线,12 pin,本地总线，模拟加法总线,模块识别总线,电源总线。,P3,增加高性能：,100MHz,时钟总线,100MHz,同步,总线,ECL,星形总线,ECL,触发总线，,24 pin,本地总,线,电源总线。,图,2-10 VXI,模块尺寸与总线分布,图,9-11,典型,D,尺寸主机箱,未屏蔽,D,尺寸模块,电源、冷却系统等,机箱屏蔽,冷却空气槽,0,号槽本地母线键,后背板,屏蔽,D,尺寸模块,双宽度屏蔽,D,尺寸模块,未屏蔽,C,尺寸模块,2.,电气结构,图,9-12 VXI,总线电气结构,星形线,模块识别线,时钟与同步线,触发总线,VME,总线,局部总线,全局总线,单总线,0,槽,模块,1,槽,模块,2,槽,模块,3,槽,模块,4,槽,模块,加法总线,3.,系统控制方案,图,9-13 GPIB,控制,图,9-14,嵌入式控制,图,9-15 MXI,控制,9.5 PXI,总线及接口设备,Process,or,Unit Under Test,PXI,9.5.1 PXI,规范体系结构,1997,年,9,月,1,日，,NI,发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范,PXI,。,PXI,是,PCI,在仪器领域的扩展,(PCI,eXtensions,for Instrumentation),它将,CompactPCI,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，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。,PXI,软件,机械,电气,图,9-16 PXI,规范体系结构,1.PXI,机械规范及其特点,图,9-17 PXI,机械规范体系结构,机械,特性,环境测试,主动冷却,Eurocard,坚固封装,CompactPCI,互操作性,图,9-18 PXI,模块机构与连接器,64-bit PCI and PXI Feature,3U,PXI,J1,J2,32-,bit PCI,6U,PXI,J5,J4,J3,J2,J1,64-bit PCI and PXI Features,32-,bit PCI,PXI Reserved,PXI Reserved,PXI Reserved,图,9-19,一个完整的,PXI,系统,2.PXI,规范的电气性能,表,9-6 PXI,与,VXI,总线面向仪器领域的扩性能比较,参考时钟,触发线,星形总线,局部总线,VXI,10 MHz ECL,8 TTL&2 ECL,仅,D,尺寸系统,12,线,PXI,10 MHz TTL,8 TTL,每槽一根,13,线,图,9-21 PXI,总线电气性能,3.PXI,软件规范,要求包括支持,Microsoft Windows NT,和,95,(WIN32),这样的标准操作系统框架；,要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准,的工业开发环境（如,NI,的,LabVIEW,、,Lab,Windows/CVI,和,Microsoft,的,VC/C+,、,VB,和,Borland,的,C+,等）；,符合,VISA,规范的设备驱动程序（,WIN32,device drivers,）。,