虚拟仪器总线接口技术

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InstrumentDriver2.1GPIB总线（GeneralPurposeInterfaceBus，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。2.1.1GPIB的基本性能①设备容量设备容量是指GPIB接口系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；②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；③数传速度最高可达1Mbyte/s；④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；⑤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”；⑥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。2.1.2GPIB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。①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；②讲者职能讲者是通过接口发送各种数据和信息的设备；③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①听功能：接收信号、数据②讲功能：发送信号、数据③控功能：通过微处理器发布各种命令④源握手功能：为讲功能和控功能服务⑤受握手功能：为听功能服务⑥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。⑦并行点名功能：快速查询请求服务装置，速度快⑧远地/本地功能：选择远地或本地工作方式⑨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⑩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。器件消息接口消息器件功能器件功能接口功能接口功能总线本地消息本地消息2.1.3GPIB总线结构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13~16:DIO5~DIO817:REN18~24:地1~4：DIO1~DIO45:EOI6:DAV7:NRFD8:NDAC9:IFC2.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。第一字节DIO1~8DAVNRFDNDAC①②③④⑤⑥2.1.4GPIB仪器系统设备A设备B设备C设备B设备A设备C设备CGPIB设备的串行连接GPIB设备的星型连接2.2VXI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(VMEbusExtensionsforInstrumentation)VME(VersabusModuleEuropean)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。VXIusesstandardtechnologyGPIBbusVMEbusVXI基于VME和GPIB2.2.1VXI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。2.2.2VXI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，每个器件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为0~255。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bus①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。②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）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。③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。④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。A型100×160B型233×160C型233×340D型367×340P1P1P2P1P2P1P2P3P1、P2、P3三个96脚J型连接器和信号通路典型VXI模块中间行附加的功能：VME32位数据和4GB地址外围两行附加的功能：TTL&ECL触发线10MHz时钟线12Pin本地线模拟相加线模块识别线电源分配线P1VME计算机总线16位数据传输线16MB地址仲裁线优先中断线公用线P2P2P3提供更高的功能：100MHz时钟与同步线ECL星型线ECL触发线24Pin本地线电源分配线3.VXI主机箱busVXIorVME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。2.2.3VXI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。2.2.4VXI总线的通信协议1.VXI总线通信协议模型信号/中断通信协议(信号REG支持)(通信REG支持的)VME总线读/写/中断等周期规程(主/从接口功能支持的)系统逻辑组态协议(组态寄存器支持的)字串行协议VXI仪器协议器件特定协议时钟/数据协议(仪器总线支持）VXI-488仪器器件特定协议器件特定协议488-VXI接口特定协议特定协议特定协议REM共享器件特定协议特殊功能器件高级VXI仪器一般性消息基器件寄存器基/存储器器件逻辑单元应支持的通信协议层次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，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”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D15~D9为命令标识，内容固定，D7~D0是命令者向从者发送的数据字节，D8用来传送END消息，为