《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

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,instrument driver,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。,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 : srq 11 : atn 12 : 机壳地 1316: dio5dio8 17 : ren 1824: 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）mhz reset： 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， 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： 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 instrumentation pxi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。 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 instrumentation lan: local area networks 2005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 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p1/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d00d31 32为地址线a01a31 6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，+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clk100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、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 extensions 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,pxi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。