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VXI總線與虛擬儀器技術
摘要：虛擬儀器技術和VXI總線是當前測試控制領域的熱門話題，也是儀器發(fā)展和設計的研究前沿。本文回顧了VXI 總線和虛擬儀器技術的發(fā)展過程，詳細介紹了VXI總線規(guī)范并闡述了當前虛擬儀器技術的最新發(fā)展。關鍵詞：VXI總線 虛擬儀器 虛擬硬件
虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和發(fā)展的儀器。和傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器本質(zhì)上是一個開放式的結構，用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。VXI總線測試平臺是公認的21世紀儀器總線系統(tǒng)和自動測試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺。VXI總線模塊儀器的優(yōu)良的交互操作性，數(shù)據(jù)傳輸速率高，可靠性高。體積小，重量輕，功耗低、可移動性好、易維修，價格與傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)相比具有巨大的潛力。它的出現(xiàn)為虛擬儀器的發(fā)展提供了新的動力，進一步增強了虛擬儀器的功能。
1 VXI總線與虛擬儀器技術的發(fā)展過程
20世紀80年代后期，儀器制造商發(fā)現(xiàn)GPIB總線和VME總線產(chǎn)品無法再滿足軍用測控系統(tǒng)的需求了。在這種情況下，HP、Tekronix等五家國際著名的儀器公司成立了VXIbus聯(lián)合體，并于1987年發(fā)布了VXI規(guī)范的第一個版本。幾經(jīng)修改和完善，與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標準。
VXIbus規(guī)范是一個開放的體系結構標準，其主要目標是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標準的器件（計算機）之間能夠以明確的方式開放地通信；使系統(tǒng)體積更��；通過使用高帶寬的吞吐量，為開發(fā)者提供高性能的測試設備；采用通用的接口來實現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進一步降低。
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VXIbus規(guī)范發(fā)布后，由于軍方對測控系統(tǒng)的大量需求，許多儀器生產(chǎn)廠商都加入到VXIplug&play（VXI既插既用）聯(lián)盟。聯(lián)盟是VXIbus聯(lián)合體的固有補充機構。聯(lián)盟通過規(guī)定連接器的統(tǒng)一方法、UUT接口和測試夾具、共享存儲器通信的儀器協(xié)議、可選VXI特性的統(tǒng)一使用方法以及統(tǒng)一文件的編制方法來增加硬件的兼容性，并開發(fā)一種統(tǒng)一的校準方法。聯(lián)盟還通過規(guī)定和推廣標準系統(tǒng)軟件框架來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的“plug&play”互換性。
虛擬儀器（Vitual Instrumentation，VI）最早是適應PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。所謂虛擬儀器，簡單地說就是一組完成傳統(tǒng)儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過軟件將通用計算機與儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常稱為虛擬面板）
操作這臺計算機，就象在操作自己定義、自己設計的一臺單個傳統(tǒng)儀器一樣。VI透明地將計算機資源和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/0、定時器和信號調(diào)理器等）的測試、控制能力結合在一起，通過軟件實現(xiàn)地數(shù)據(jù)的分析處理和表達，從而能更迅速、更經(jīng)濟、更靈活地解決測試問題，并有效地降低了系統(tǒng)組建成本。
2 VXI總線系統(tǒng)規(guī)范簡介
VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成，零槽模塊完成系統(tǒng)背板管理，包括提供時鐘源和背板總線仲裁等，當然它也可以同時具有其它的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復位時對系統(tǒng)進行配置，以使系統(tǒng)用戶能夠從一個確定的狀態(tài)開始系統(tǒng)操作。在系統(tǒng)正常工作后，資源管理器就不再起作用。主機箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻。
VXIbus不是設計來替代現(xiàn)存標準的，其目的只是提高測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個更先進的平臺。因此，VXIbus規(guī)范定義了幾種通信方法，以方便VXIbus系統(tǒng)與現(xiàn)存的VMEbus產(chǎn)品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。
2.1 VXI總線系統(tǒng)機械結構
VXIbus規(guī)范定義了四種尺寸的VXI模塊。較小的尺寸A和B是VMEbus模塊定義的尺寸，并且從任何意義上來說，它們都是標準的VEMbus模塊。較大的C和D尺寸模塊是為高性能儀器所定義的，它們增大了模塊間距，以便對包含用于高性能測量場合的敏感電路的模塊進行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1、P2和P3連接器。
目前市場上最常見的是
C尺寸的VXIbus系統(tǒng)，這主要是因為C尺寸的VXIbus系統(tǒng)體積較小，成本相對較低，又能夠發(fā)揮VXIbus作為高性能測試平臺的優(yōu)勢。
2.2 VXI總線系統(tǒng)電氣結構
VXIbus完全支持32位VME計算機總線。除此之外，VXIbus還增加了用于模擬供電和ECL供電的額外電源線、用于測量同步和觸發(fā)的儀器總線、模擬相加總線以及用于模塊之間通信的本地總線。
VXIbus規(guī)范定義了3個96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是必備的，P2和P3兩個連接器可選。三個連接器的具體的信號分配可參見文獻[2]。下面對VXIbus在VMEbus總線基礎上增加的用于高性能儀器的部分總線作一個簡要的介紹。
CLK10時鐘線 是一個10MHz的系統(tǒng)時鐘，用于模塊之間的精確同步。該信號源于0號槽，被分別差分送至各個模塊插槽。
MODID線 模塊識別線，可以通過特有的物理位置或插槽類識別邏輯器件。這些線自0號槽分別送至1號槽至12號槽。系統(tǒng)自動配置時必須用到MODID線。
TTL觸發(fā)線 包括TTLTRG0~TTLTRG7，是一組用于模塊間通信的、集電極開路的TTL信號線。包括0號槽在內(nèi)所有模塊都可以驅(qū)動這些線或者從這些線上接受信息。這是一組通用線，可用于觸發(fā)、掛鉤、時鐘或邏輯狀態(tài)的傳送。VXIbus規(guī)范已經(jīng)定義了同步（SYNC）觸發(fā)、時鐘傳送、數(shù)據(jù)傳送、起/停（STST）和外部觸發(fā)緩沖7種標準工作方式。
ECL觸發(fā)線 包括ECLTRG0-ECLTRG5，同TTL觸發(fā)線一樣，是一組用于模塊之間通信和定時的信號線，但具有更高的工作速度。VXIbus規(guī)范已經(jīng)定義了7種跟TTL觸發(fā)線類似的標準工作方式。
SUMBUS 相加總線是VXIbus背板上的一條模擬相加接點。每個模塊都可以用一個模擬電流源驅(qū)動器來驅(qū)動這條線，或者通過一個高阻接收器如一個高阻抗模擬放大器。接收來自該總線的信息。
LBUS 本地總線是一種菊花鏈總線，可以用于相鄰安裝模塊的本地通信。規(guī)范已經(jīng)規(guī)定了使用LBUS傳送TTL、ECL、模擬低、模擬中和模擬高五種信號的標準。
CLK100和SYNC100 分別是100MHz系統(tǒng)時鐘和100MHz同步信號。用于系統(tǒng)中更高精度的定時和觸發(fā)。
STARX和STARY 星形觸發(fā)線提供了模塊間的異步通信。兩條STAR線連接在各模塊插槽和0號槽之間。0號槽可提供一個交叉矩陣開關，通過對該開關進行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號路徑。
電源線 VXIbus加大了+5和+12V電壓的供電功率，增加了+12V（為模擬電路提供）和-2V、-5.2V(為ECL電路提供)電源線。
2.3 VXIbus系統(tǒng)EMC、供電和冷卻
VXIbus總線規(guī)范規(guī)定了系統(tǒng)傳導及輻射EMC（電磁兼容）產(chǎn)生和敏感度的上限值。EMC的限定保證了包含敏感電路的模塊能夠完成所期望的操作，而不受到系統(tǒng)中其他模塊的干擾。
為了方便系統(tǒng)集成VXIbus規(guī)范要求機箱制造商和模塊制造商在其產(chǎn)品規(guī)范中給機箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標。系統(tǒng)集成者可以根據(jù)這些指標選擇合適的機箱和模塊。
2.4 VXlbus系統(tǒng)通信
通信是VXibus標準的又一個重要組成部分。VXIbus總線規(guī)范定義了幾種器件類型和通信協(xié)議。然而，規(guī)范為了保證開放性，并沒有規(guī)定VXIbus主機箱和器件的控制方式，以便廠商可以靈活定義并與高速發(fā)展的PC技術同步。下一節(jié)將要詳細討論當前流行的幾種方式。
每個VXIbus器件都有一個唯一邏輯地址（unique logical address,ULA），編號從0到255，即一個VXIbus系統(tǒng)最多有256個器件。VXIbus規(guī)范允許許多器件駐留在一個插槽中以提高系統(tǒng)的集成度和便攜性，降低系統(tǒng)成本，也允許一個復雜器件占用多個插槽，VXIbus通過ULA進行器件尋址，而不是通過器件的物理位置。
每個VXIbus器件必須具有圖1所示的一組寄存器，這些器件占用VXIbus A16地址空間的高16K。圖中所標注的地址是相對于器件基地址的偏移地址。器件基地址計算公式為：
基地址=ULA×3F16+0C00016 （1）
圖中A32指針高是指數(shù)據(jù)的高16位，A32指針低是指數(shù)據(jù)的低16位，A24指針高是指數(shù)據(jù)的高12位，A24指針低是指數(shù)據(jù)的低12位，數(shù)據(jù)低是指數(shù)據(jù)的低8位，數(shù)據(jù)高是指數(shù)據(jù)的高8位。
最常見的VXIbus器件
是寄存器基器件和消息基器件。
寄存器基器件是最簡單的VXIbus器件，通過寄存器讀寫來通信，常用于功能簡單的器件。它通過VXIbus定義的配置元素來完成配置，并通過器件相關寄存器來工作。寄存器基器件具有很高的通信速度，隨著眾多產(chǎn)品對VXIplug&play標準的支持，其編程難的問題也得到了解決。
消息基器件通常是VXIbus系統(tǒng)中具有本地智能的器件。高性能儀器通常都是消息基的。除了VXIbus系統(tǒng)最基本的配置寄存器外，消息基儀器還具有一組通信寄存器，并支持基于ASCII碼的字串行協(xié)議，以同系統(tǒng)中的其它消息基器件通信。這樣盡管會因為對ASCII碼命令進行解析而降低通信速度，但是它可以簡化多廠商支持，并簡化編碼（當然隨著VXIplug&play標準的普及而不再顯著）。消息基器件的成本較高。
3 VXI總線控制方式
總的來說，VXI控制器有嵌入式和外接式兩類，而外接控制器又有很多不同的方案可供選擇。
3.1 嵌入式VXI控制器
嵌入式VXI控制器就是把計算機做成VXIbus模塊，直接安裝到VXI主機箱中，并通常占據(jù)0槽位置。大多數(shù)嵌入式控制器都基于PC體系，也有部分是基于HP-UX和其它如Lynx-OS實時系統(tǒng)的。采用嵌入式控制器的VXI系統(tǒng)具有最小可能的體積。
嵌入式控制器能夠直接訪問VXIbus背板信號，并直接讀寫VXIbus器件的寄存器，而不會像外接控制器那樣進行總線轉換而引入軟件開銷，因此具有最高的數(shù)據(jù)傳輸性能。
3.2 外接式控制器
VXI總線外接式控制方式是一種靈活而且性能價格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應用。根據(jù)所采用的外部總線，外接式控制器又有直接擴展和轉換擴展兩種方式。
直接擴展就是將部分VXI總線信號線直接擴展機箱外作為外總線，連接計算機和VXI機箱控制器，例如MXI/MXI-2總線控制方案。圖2給出了一個典型MXI/MXI/MXI-2總線控制方案。圖2給出了一個典型MXI/MXI-2系統(tǒng)配置，MXI/MXI-2總線直接將PC擴展總線和VXI總線耦合起來，通過硬件數(shù)據(jù)傳輸周期轉換，在PC擴展總線和VXI總線之間并行地進行數(shù)據(jù)傳輸，具有很高的隨機讀寫和字串行性能。MXI/MXI-2總線還擴展了VXI總線的狀態(tài)、中斷、時鐘和觸發(fā)等總線，是一種高性能外接控制方案。
轉換擴展就是用一些跟VXI總線無直接聯(lián)系的通用總線（如GP-IB、1394、MAX-3、光纖通路等），來連接計算機和VXI總線控制器，從而構成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。圖3給出了一個典型的VXI-1394系統(tǒng)。由于這些外總線通常都是串行的或者位數(shù)很少的并行總線，數(shù)據(jù)傳輸過程中需要作大量的總線轉換工作，首字節(jié)延遲較長，隨機讀寫和字串行性能較低。并且采用這些控制方式的計算機不能直接訪問VXI總線的狀態(tài)、中斷、時鐘和觸發(fā)等信號線，系統(tǒng)的實時性和同步性能要受到影響。但是這些系統(tǒng)的組建成本通常都相對較低，GPIB-VXI系統(tǒng)可利用已有的GPIB儀器，VXI-1394和MXI-3系統(tǒng)的塊數(shù)據(jù)傳輸性能高，MXI-3和FOXI總線的工作距離遠，因此它們適合在一些性能要求不是很高、經(jīng)費不很充�；蛘哂刑厥庖蟮膱龊现袘谩�
4 虛擬儀器技術的新進展
近年來，虛擬儀器因其強大的性能價格比優(yōu)勢得到了廣泛的應用。隨著一些新的PC技術和數(shù)據(jù)采集技術逐漸應用到VI中，VI技術也有了一些新的進展。
4.1 基于Web的虛擬儀器
Web技術在Internet的廣泛應用，導致了Browser/Web(B/W)這一新的軟件模型的流行。Web與VI技術相結合，便產(chǎn)生了基于Web的VI，其模型如圖4所示。
VI服務器實際上就是一臺運行了Web服務器和VI應用的計算機，客戶機通過瀏覽器請求運行服務器上的VI。服務器接收到請求后，運行相應的VI，并將結果返回到客戶機�；赪eb的VI系統(tǒng)可以建立在通用的WWW軟件和客戶/服務端開發(fā)技術基礎上，例如使用IIS、Apache等作服務器，使用腳本語言、CGI、XML、JAVA等開發(fā)客戶端和服務器應用，也可以采用VI廠商的提供的專用軟件環(huán)境，例如NI公司的DataSocket和Gweb Server等。
4.2 虛擬硬件（VH）
虛擬硬件（Virtual Hardware，VH）的思想源于可編程器件。用戶可以通過編程方便地改變硬件的功能和性能參數(shù)，從而依靠硬件設備的柔性（Flexibility）來增強其適應性和靈活性。
NI公司的NI5911/5912就是一種典型的采用了柔性精度技術的數(shù)字化儀。它由一個專門的數(shù)字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線性化的DSP組成。對于4～100MHz帶寬的信號，系統(tǒng)工作在傳統(tǒng)模式下，采樣精度為8-bit。當輸入信號帶寬在4MHz以下時，系統(tǒng)將進入柔性精度狀態(tài)，采用信號中的寬帶量化噪音，對噪音進行電路濾除，然后數(shù)據(jù)被送到DSP進行線性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進一步濾除高頻噪音，最后用抽取技術按較低速
率重構波形，使有效垂直精度達到8～21bit。
4.3 可互換虛擬儀器（IVI）
IVI技術試圖提供一個儀器驅(qū)動程序標準，為可互換的儀器提供了一個健壯的框架，并著力解決困優(yōu)測試系統(tǒng)開發(fā)者的儀器性能問題。IVI規(guī)范把儀器分成一個系列的子類，例如DMM、示波器、開關等，并按照某一子類儀器最通用的特征和功能來為該子類儀器制定規(guī)范。IVI建立在VISA I/O層以上，把傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序分成子類驅(qū)動程序和儀器專有驅(qū)動程序兩個子層。專有驅(qū)動程序執(zhí)行傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序功能，但是具有性能優(yōu)化的低層結構和儀器仿真功能。子類驅(qū)動程序包含該類儀器的通用功能函數(shù)，這些函數(shù)直接調(diào)用相應的專有儀器驅(qū)動程序函數(shù)。圖5給出了一個采用IVI技術的虛擬示波器體系結構。
“軟件就是儀器”是虛擬儀器帶給儀器工業(yè)的一次革命。虛擬儀器的硬、軟件的開放性、模塊化、可重復使用的特點，同時借助于VXI總線的系統(tǒng)結構這一構筑虛擬儀器的理想的平臺，虛擬儀器系統(tǒng)必然會給現(xiàn)代控制測試領域帶來一片新天地。
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