《虚拟仪器导论》PPT电子教案-第2章 虚拟仪器总线接口技术.ppt

《《虚拟仪器导论》PPT电子教案-第2章 虚拟仪器总线接口技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《虚拟仪器导论》PPT电子教案-第2章 虚拟仪器总线接口技术.ppt（89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。使用GPIB接口，可将不同厂家生产的各种型号的仪器，用一条无源标准方便

2、地连接起来，在计算机控制下完成各种复杂的测量。,2.1.1 GPIB总线标准,GPIB总线标准包括:接口：由逻辑电路组成，与各仪器安装在一 起，用于对传输的信息进行发送、接 收、编码、译码 总线：是24芯无源电缆，用来传输各种消息,1.GPIB的基本性能,可用一组总线（16根）连接若干台装置，组成自动测试系统，数目不超过15台。互连电缆的传输路径总长不超过20m.数据传输采用位并行（8位）、字节串行、双向异步传输方式，其最大数据传输速率为1MBps信息逻辑采用负逻辑，低电平（0.8V）为“1”，高电平（2.0V）为“0”，电平与TTL相容。地址容量：听地址31个，讲地址31个，地址容量可扩展。

3、,2.GPIB的接口功能,在接口系统中，为了进行有效的信息传递，一般必须具有下述3种基本的接口功能。讲者：通过总线发送消息的仪器装置。如测量仪器、数据采集器、计算机等。听者：通过总线接收讲者发出的消息的装置。如打印机、信号源等。控者：是数据传输过程中的组织者。对设 备进行控制，允许其它设备寻址，允许讲者 使用总 线等，通常由计算机担任。,GPIB定义的10种接口功能,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

4、能：控功能可同时查询8个仪器，因而执行速度快远地/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。,2.1.2 GPIB总线结构和接口信号,总线为24芯电缆:16条信号线，7根地线，1根屏蔽线，24芯簧片插头座,GPIB插头,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：14：DIO1DIO4 5:EOI 6:DAV 7:NRFD 8:NDAC 9:IFC,10:SRQ11:ATN12:机壳地1316:DIO5DIO817:REN1

5、824:地,数据总线8根、数据挂钩联络线 3根,数据总线DIO1DIO8:用于传送接口信息和仪器消息，包括数据、地址、命令。（无地址总线）数据有效线DAV（Data Available）：当DIO线 上出现有效数据时，讲者置DAV线为低（“1”），示意听者接收数据。未准备好接收数据线NRFD（Not Ready for Data）:当 NRFD=1时，表示系统中至少有1个听者未准备接收数据。未收到数据线NDAC(Not Data Accept)：当NDAC=1时，表示系统中至少有1个听者未完成接收数据，讲者暂不要撤掉数据线上的消息。,接口管理线5根,注意线ATN(Attention):由控者使

6、用，指明DIO线上信息的类型。ATN=1 DIO线上的信息为接口消息（命令、地 址等）其它设备只能接收；0 DIO线上的信息为讲者发出的器件信息（控制命令、数据等），听者必须听。接口清除线IFC（Interface Clear）:接口清除线，由控者使用，将接口置为已知的初始状态，作为复位线,接口管理线,远程允许线REN（Remote Enable）:由控者使用 REN=1 听者都处于远程控制状态，脱离本地状态 0 仪器必处于本地状态服务请求线SRQ(Service Request):任何一个具有服务请求功能的仪器或设备，可向控者发出SRQ=1，要求控者对各种异常事件进行处理，控者通过点名查询转

7、入相应的服务程序。结束或识别线EOI(End or Identify):当EOI=1，ATN=0时，表示讲者已传递完一组字节的信息 当EOI=1,ATN=1时，表示控者执行并行点名识别操作。,三线挂钩方式,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。,三线挂钩过程,原始状态：讲者置DAV为高，听者置NRFD、NDAC为低。三线挂钩过程：听者置NRFD为高，表示已做好接收数据准备；讲者发现NRFD呈高后，讲者发送数据至DIO线上，并令DAV为低电平；听者发现DAV为低后，就令NRFD为低，表示准备接收数据；听者接收数据，当每个听者都收完数据后，置NDAC为高；当讲者检出NDAC

8、为高后，就令DAV为高，撤消总线数据。听者检出DAV为高，就令NDAC为低，准备下一个循环。,2.1.3 GPIB接口电路设计,以Intel公司的8291A听/讲接口芯片、8292控者芯片、8293总线收发器芯片为例介绍。,计算机GPIB接口功能通过GPIB接口卡来实现,1.8291A接口芯片,8291A是一种将微处理器接至GPIB标准总线的器件。它可以完成GPIB标准中除控者之外的全部接口功能。除此之外，还具有自动三线挂钩联络、自动管理接口寻址等能力，这些自动操作能力大大简化了接口管理软件的设计。8291A采用40脚封装。,8291A引脚图,8291A面向CPU总线的信号引脚,D0D7：双向

9、数据总线RS0RS2：片内寄存器选择码输入，连地址线/CS,/RD,/WR：片选、读、写输入端INT：中断请求输出端，软件可控高或低有效TRIG：触发器输出端CLOCK：时钟信号输入端，（18）MHzRESET：复位信号输入端DREQ,/DACK：DMA操作请求输出端、响应信号输入端,8291A面向GPIB标准接口总线信号,/DIO1/DIO8：8位标准接口数据总线输入/输出端/DAV,/NRFD,/NDAC：挂钩联络总线信号/ATN,/IFC,/REN,/SRQ,/EOI：接口管理控制总线输入/输出端T/R1：外收发器控制信号输出端，高电平时，DIO线上的数据以及DAV消息将被送到标准总线上

10、，同时将从标准总线上接收NRFD和NDAC消息；低电平时，则相反。T/R2：外收发器控制线输出端，用于控制EOI消息的方向。高电平时，表示EOI要输出，低电平时则相反。,2.8292控者接口芯片,8292接口芯片仅有控者功能，并且它必须与8291联合使用，组成具有10种接口功能的标准接口。8292实质是一片8041单片机，片内固化了一段专门的程序，使内部RAM作为专用寄存器组使用，I/O端口用来提供总线的各种控制信号及辅助信号。8292是40脚封装。,8292引脚,8292与微处理器相接的信号,D0D7：双向数据总线/CS,/RD,/WR：片选、读、写X1,X2：外接晶体或外部时钟RESET：

11、复位A0：地址线，读操作(数据缓冲器or状态缓冲器)、写操作（数据or命令）与GPIB标准接口总线相接的信号：/DAV：双向握手信号，与8291的DAV相连/IFC：接口清除信号输出端TCI：任务完成中断申请信号SPI：由8292内部事件引起的中断信号输出端,3.8293总线收/发器,8293内部包括9路收/发通道和适应不同工作模式的附加电路，每路的收/发方向可由T/R来控制。接收时采用施密特电路以增强抗干扰能力，发送时选用OC 方式或三态方式。8293可预置成四种模式之一。,8293引脚图,8293主要引脚功能,BUS1BUS8：直接与GPIB总线相连，根据OPTA、OPTB所选模式，可以作

12、为数据线DIO或管理线。DATA1DATA10：和8291或8292相连，其定义根据OPTA、OPTB所选模式决定，与TTL兼容。/ATN：ATN线，与TTL兼容。/EOI：结束和识别线，与TTL兼容。T/R1：用于控制NDAC,NRFD,DAV和DIO1DIO8的传输方向，输入与TTL兼容。T/R2：用于控制EOI线的方向，输入与TTL兼容。,8293的工作模式,用OPTA,OPTB这两个脚的逻辑电平的组合，设置，选择方式如下表：,讲者/听者接口框图,讲者/听者接口框图,讲者/听者/控者接口框图,由8291A和8293组成的讲者/听者接口逻辑,2.1.4 GPIB仪器系统,GPIB设备的串行

13、连接,GPIB设备的星连接,典型GPIB 系统,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总线特点开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性、可靠性高、小型便携、灵活通信能力。,2.3 PXI总线,PXI:PCI eXtensions for InstrumentationPXI是PCI（Peripheral Component Interconnect）在仪器领域的扩展，是

14、与VXI总线并行的另一种模块式仪器总线标准。1997年,PXI系统联盟将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，从而产生了新的虚拟仪器体系结构。,2.3 LXI总线,LXI:LAN eXtensions for InstrumentationLAN:Local Area Networks2005年9月,安捷伦技术公司和VXI科技公司联合推出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。,VXI uses standard

15、technology,GPIB,VMEbus,VXI基于VME和GPIB,2.2.1 VXI总线的技术优势,开放的标准 各仪器厂商所提供的VXI总线产品都采用了标准的结构方式、仪器编程语言及I/O通信方式，可方便组建自测系统。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，而一般GPIB是1Mbyte/s小型化规范化高可靠性适用于位数不同的多种微机和16位、24位、32位3种寻址方式，灵活方便,2.2.2 VXI总线的信号线,1.VXI总线的组成在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P

16、1/J1、P2/J2、P3/J3连接器与各模块相连接。VXI总线系统共有7类总线：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，局部总线电源线,VXI总线的电气结构示意图,2.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：32位数据线D00D3132为地址线A01A316位地址修改线AM0AM5，提供64种地址修改码读/写WRITE中断应答IACK，中断请求IRQ1IRQ7地址选通AS长字LWORD数据选通DS0，DS1数据传送应答DTACK电源线+5V，-12V，+

17、12V,仲裁总线,仲裁总线主要包括下列信号线：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*,优先中断总线,VME总线系统最多可以有7级中断，优先中断线包括：中断请求线IRQ1*IRQ7*；中断应答线LACK*；中断应答输入线LACKIN*；中断应答输出线LACKOUT*。,公用总线,公用总线包括的信号线如下：系统时钟线SYSCLK 序列时钟线SERCLK 序列数据线SERDAT*交流故障线ACFAIL*系统复位线SYSRESET*系统故障线SYSFAIL,3.VXI增加的信号线,新定义的信号线位

18、于P2和P3连接器上，包括：模块识别线 时钟和同步线 仪器触发线 模拟相加线 局部总线 电源线,（1）模块识别线MODID,MODID线用来检测特定位置上的模块是否存在，或者识别一个特定器件的物理槽位。这些线（MODID00MODID12）源于VXI系统的0号槽模块，分别接至112槽（的MODID）。,MODID线的用途有：检查各插槽中模块是否存在，包括已有故障的模块；识别一个特定器件的物理位置（插槽号）；用指示灯或其他方法指出模块的实际物理位置；检测0槽模块的位置是否正确。,（2）时钟和同步线,时钟和同步线包括一个10MHz的系统时钟CLK10，一个与CLK10同步的100MHz时钟CLK1

19、00和一个与CLK100上升沿同步的同步时钟SYN100。SYN100主要用于多个器件之间准确的时间配合，执行群触发功能。CLK10和CLK100、SYN100都源于0号槽模块，分别分布于P2和P3连接器上。,（3）仪器触发线,为了适应仪器的触发、定时和消息传递的要求，VXI系统增加了3种触发线：TTL、ECL和星型触发线。8条TTL触发器TTLTRG0*TTLTRG7*分布在P2连接器上，采用总线连接方式、集电极开路、负逻辑、TTL电平相容。6条ECL触发线ECLTRG0ECLTRG5分布在P2和P3连接器上，主要作为模块高速定时资源。STARX和STARY星型触发线分布在P3连接器上，用于

20、模块间的异步通信。,（4）模拟相加线,相加总线SUMBUS是VXI系统背板上的一条模拟相加结点。该线通过一个50的电阻接地，任何模块都可利用模拟电流源驱动该线，也可以借助高输入阻抗接收器（如模拟放大器）从该线接收信号。,（5）电源线,VXI总线系统的电源可为每个仪器模块提供的最高功率为268W，通过VXI背板总线可以提供7种不同电压：+5V，12V，24V，-5.2V，-2V。其中+5V，12V是VME标准规定的，24V是为模拟电路设计的，-5.2V和-2V是为高速ECL电路设计的。另外，还提供了+5V直流备用电源，当+5V直流电源关断时，用于维持存储器、时钟等的工作。,2.2.3 VXI器件

21、、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组件（或逻辑单元）。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。器件之间的基本操作是信息传输。根据通信能力，VXI总线器件分为寄存器基器件、消息基器件、存储器器件和扩展器件4类。,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

22、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）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。从大

23、小方面看，模块有A，B，C，D四种规格。,VXI总线连接,典型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,VXI总线主机箱,VXI总线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，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。,2.2.4 VXI总线的通信协议,1.通信层次划分,2.字串行协议,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

24、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。字串行通信有3种方式：字串行通信（16位）长字串行通信（32位）扩展长字串行通信（48位）,3.字节传输协议,字节传输协议是在命令者及其从者之间传输8位数据的一种手段，它使用字串行“字节有效”和“字节请求”命令。“字节有效”命令用于命令者向从者传输数据；“字节请求”命令用于从者向它的命令者传输数据；数据的传输是由从者响应寄存器的DIRDY和DORDY位来控制的。,2.2.5 VXI总线的系统资源,系统共用资源包括：0号槽服务器件 资源管理器0号槽服务器件 VXI总线主机箱有13个插槽，面对插入方向

25、从左至右其编号为012。0号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,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

26、其它方法进行诊断测试,资源管理器,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 eXtens

27、ions for Instrumentation）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规范的体系结构,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.机械规范及特性,PXI模块的结构尺寸与连接器如图,2.电气规范及特性,PXI总线的电气性能,3.软件规范,PX

28、I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（WIN32 device drivers)。,2.3.2 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

29、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）。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

30、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 LX I总线规范,LXI机箱,LXI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

31、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

32、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，

33、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VXI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!,