VXI总线虚拟仪器系统集成与应用.doc

VXI总线虚拟仪器系统集成与应用摘要虚拟仪器的概念源于微机卡式仪器，而基于VXI总线的虚拟仪器可以充分利用VXI总线数据吞吐能力强、定时和同步精确、可扩充性好、众多仪器厂商支持等优点，成为实施虚拟仪器思想的最佳选择。在VXI总线技术和虚拟仪器技术各自发展和相互交叉的基础上，论述了VXI总线虚拟仪器的基本组成、关键技术及最新的发展趋势；结合当前主要仪器厂商的虚拟仪器软、硬件产品，给出了VXI总线虚拟仪器系统集成的典型实例，并进一步对其在通信测试、车辆参数测试等领域的应用前景进行了初步探讨。关键词虚拟仪器；VXI总线；系统集成中图法分类TP311.52A Research on the Integration and Application of VirtualInstruments Based on VXIbusAbstractThe concept ofVirtualInstrument(VT)is originated from PCcards instrumentation.Because of the reason that VI，which based on VXIbus，can fully take advantages ofVXIbuss properties such as higher ability ofdata handling，accurate timing and synchronism，strongerextensibility and being easily supported by instruments from different companies，it willbecome the best choice to implement VI.On the basis of the respective developmentand mutualintersection ofVXIbus and VI，this paper discusses the basic component， key technology and newly developing tendency ofVIbased on VXIbus.Italso proposes some typicalinstances of the integration of VXIbus VIaccording to VIsoftware and hardware product of main instruments manufactories，and goes further into its application prospects for the communication test and vehicle parameters measurement.Key wordsvirtualinstrument，VXlbus，integration虚拟仪器的概念最早由美国NI(NationalInstruments)公司提出，一般认为1，虚拟仪器是一种软、硬件的组合，它由硬件部分完成被测数据的采集和测试控制工作，而把数据的分析和处理、数据的传输与显示交由计算机来完成，通过软件编程实现不同的仪器功能；对仪器的操作也是通过点击计算机屏幕上的仪器“软”面板实现的。与传统仪器相比，硬件所占比重较小，而软件是关键。典型的虚拟仪器是微机卡式仪器，即在微机数据采集卡支持下，通过软件实现各种仪器功能。这种结构简洁、价廉，但受机内空间和本身非仪用计算机的限制，仪器性能不可能做到很高。VXI总线技术的发展，为虚拟仪器思想的实施提供了更为有效的途径。VXI(VMEbus eXtensionfor Instrumentation)总线集VME总线的高速度、GPIB总线的易组合和CAMAC总线的模块化于一身，具有数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂商支持等优点，是一种真正开放的仪器总线。基于VXI总线的虚拟仪器可以充分发挥VXI总线技术的这些优势，在性能价格比、可扩充性、工程应用能力和使用维护性等方面做得更好。VXI总线虚拟仪器的基本结构组成包括计算机、作为硬件部分的VXI总线仪器模块以及软件系统等。1计算机控制方案VXI总线虚拟仪器首先是一个VXI总线系统。因而根据主控计算机和VXI机箱的位置关系，分为外挂式和内嵌式两种2。1.1外挂式主控计算机位于VXI机箱之外，两者通过GPIB，MXI或IEEEl394总线电缆相连。1.1.1GPIB总线式计算机通过插于扩展槽中的GPIB卡，经由GPIB电缆与位于VXI机箱零槽的GPIB-VXI接口模块进行通信。这样计算机可以象控制GPIB仪器一样控制VXI仪器进行工作。其优点是投资较少，可以利用己成熟的GPIB技术。但其缺点是致命的：GPIB总线的标准数据传输速率是lMB/s，远远不能发挥VXI总线背板可达40MB/s的能力，因而成为系统的瓶颈。1.1.2MXI总线式MXI总线(Multisystem eXtension Interface bus多系统扩展接口总线)由美国NI公司提出，通过电缆在多个物理上分离的设备之间实现内存映射的高速通信，具有32位数据传输能力。该总线用于VXI仪器控制，其构成与GPIB方式相似。如由插于计算机扩展槽上的PCI-MXI-2(AT-MXI-2)接口板、插于VXI机箱零槽的VXI-MXI-2模块以及连接两者的MXI-2电缆组成(MXI-2表示MXI总线规范2.0版本)。其优点是数据传输速率较高(可达23MB/s)、性价比高、升级灵活、易于多VXI机箱的扩展连接。但仍不能充分发挥VXI总线的高速度。1.1.3IEEEl394总线式IEEEl394(FireWire火线)总线是一种高速、高性能的计算机串行接口总线。通过一块插于计算机的1394-PCI插卡、插于VXI机箱零槽的1394-VXI模块(如HPE8491A)以及连接两者的柔性6芯1394电缆就可以直将计算机连到VXI背板，而且易于用串行的1394电缆来扩展多个VXI机箱，具有很大的灵活性和很高的数据吞吐率。随着IEEEl394成为计算机的标准接口，这种经过PCI总线“中转”的间接方式将被直接的1394总线控制所取代。1.2内嵌式将计算机集成在零槽模块中，与背板总线直接连接。在应用时可以辅以显示器、键盘(鼠标)等外设。这是一种最直接的VXI控制方式，可以直接采用字串行协议与VXI消息基器件通信，也可以直接访问寄存器基器件。其优点是可以最大限度发挥VXI总线的高数据吞吐能力。但缺点是价格昂贵，升级较困难。对VXI总线虚拟仪器而言，目前，成本是决定其使用价值的一个重要因素。因此，嵌入式计算机控制方案并不适用于常规的VXI总线虚拟仪器。美国NI公司生产了数种MXI方式的零槽控制器可供选用，且软件配套齐全，应是首选。VXI机箱选用符合VPP规范的6槽或4槽机箱即可。2VXI总线仪器模块对虚拟仪器而言，最基本的模块是数据采集模块。通常3，虚拟仪器前端包括信号调理器、A/D和D/A转换器等数据采集和控制单元。实时动态测量除了对精度的要求外，还包括抗混滤波、同步采样、宽频带、低噪声等。提高数据采集速度的关键在于高速数据传输，常采用DMA传送、双口RAM、存贮器分段、多速采样等技术。虚拟仪器的数据处理涉及谱分析、脉冲参数分析、噪声分析、频率计算以及实时测量中高速处理数据等，仅靠主机处理很难实现实时测量。采用DSP技术不仅可以获得较高的实时性而且可使系统具有合理的软硬件开销。同时，利用VXI总线提供的局部总线可以实现从采集到DSP的数据传输，从而保证数据传输的高速性和完整性。在这些模块中，数采模块除了模拟输入外一般还具有模拟输出和数字I/O功能。如NI公司的VXI总线数采模块即是如此。信号调理模块实现通道切换、程控放大、量程变换等功能，一般应根据应用的规模大小自行研制。综上可知，基本配置的VXI仪器模块是数据采集模块、信号调理模块、DSP模块以及可选的任意波形发生器模块。根据应用规大小和成本要求，可配置多个不同性能的数采模块构成高速多通道数据采集和信号处理虚拟仪器系统。3虚拟仪器软件的构成VXI总线虚拟仪器的软件主要包括三个部分1：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件(软面板)。软件结构如图1所示。图1VXI总线虚拟仪器软件构成3.1VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立起连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。3.2仪器驱动程序仪器驱动程序也称仪器驱动器，是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序。对VXI总线虚拟仪器而言，也即指系统模块的驱动软件。仪器驱动程序的设计必须符合VXI总线即插即用联盟(VXIPlugP1ay，简称VPP)的两个规范，即VPP3.1：仪器驱动程序结构和模型和VPP3.2：仪器驱动程序设计规范。为此，提出了两个基本的概念模型。第一个模型是仪器驱动程序外部接口模型，表示仪器驱动程序如何与外部软件系统接口。第二个模型是仪器驱动程序内部设计模型，所有VXI总线即插即用仪器驱动程序都是根据本模型构成的。在VXI总线虚拟仪器系统集成时，如果所用VXI模块已有厂家提供的符合VPP标准的仪器驱动程序，那么可省略其开发过程，所需做的是在应用程序中如何调用。但对于自制模块或一些厂家早期生产的不符合VPP规范的模块，则需自行开发相应的驱动程序。VPP推荐的应用程序开发环境(ADE)包括NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI；Microsoft公司的VisualBasic(VB)，Visual C/C(VC/VC)；HP公司的HPVEEfor windows；Borland公司的Turbo C/C等。这些ADE大致可分为面向对象的编程语言和图形化编程语言两大类。常用的是面向对象的VB、VC/VC及图形化语言LabVIEW、LabWindows/CVI。它们都可以用于应用程序和仪器驱动程序的开发。驱动程序的开发有三个要求，一是驱动程序要给出源代码，以便用户能根据应用场合需要，修改优化这个驱动程序；二是驱动程序必须模块化、层次化，使用户调用起来方便；三是驱动程序结构要符合VPP规范，使得用户熟悉一个仪器的驱动程序后，对其他仪器驱动程序能很快就使用。在编程过程中，会遇到对VISA I/O库的调用。LabVIEW和LabWindows/CVI都提供了相应的调用接口。VISA(虚拟仪器软件结构)是VPP联盟制定的新一代仪器I/O程序(VPP4.1)，全世界的VXI模块生产厂家将以此软件作为I/O控制的低层函数集，开发VXI模块的驱动程序。作为通用I/O标准，这种软件结构是面向器件功能的，而不是面向接口总线的，因而VISA具有与仪器硬件接口无关的特性。目前，VPP联盟已公布了VISA。大多数的VISA函数与通常的I/O函数十分相似，调用起来很方便。除了VISA，新近成立的IVI(可互换虚拟仪器)基金会定义了可互换仪器驱动程序的模型和规范，旨在测试程序独立于仪器硬件，进一步实现软件的一致性，使不同厂商、不同结构形式(GPIB、VXI、PXI等)的同类仪器可以互换使用。这必将在推进虚拟仪器通用化方面起到重要的作用。3.3应用软件(软面板)仪器驱动程序从控制的仪器数目来分，可分为两类，一类是控制单个仪器的驱动程序；另一类是控制多个仪器的驱动程序，这即是利用虚拟仪器的概念，通过编程将多个仪器组合起来，并使用其他如数据分析、处理之类的软件(如支持库)，从而产生新的仪器功能。VXIP1ugPlay仪器驱动程序必须包括软面板，各种仪器功能通过不同的仪器软面板作为标志。仪器软面板类似于真实的仪器物理面板，采用图形用户接口(GUI)技术显示等效的旋钮、按键和控制器件。用户通过鼠标或键盘操纵这些器件。图形显示具有同传统面板相似的测量结果和仪器状态，从而让用户以熟悉的方法控制仪器。VPP联盟规定了仪器软面板的技术要求，应作为设计依据。VPP软面板由主面板和副面板组成(图2所示)。主面板是主要用户界面，在执行过程中应始终打开。它可能处于非激活态，但在应用过程中必须保持打开并且是可见的。副面板是主面板调用的面板，与主面板具有不同的特点和格式。图2符合VPP规范的汉化主、副面板基本形式VPP软面板的设计可采用LabVIEW，VB等工具，并且应该是汉化的，便于一般应用场合。在软面板的设计过程中，还可考虑事先设计一些通用选件，供不同的仪器软面板搭配。4组建实例4.1GPIB外挂式4.1.1硬件组成主机：SURIS486机箱：HPE1421BC尺寸6槽零槽控制器：HPE1406A(HP-IB接口，另带RS-232接口)数采模块：HPE141366211 64通道扫描A/D测试信号发生器模块(选件)：自制(8路任意波形输出通道、6路脉冲波形输出通道、14路开关信号输出通道)4.1.2软件组成操作系统：Windows95软件开发工具：HPVEE3.0或VisualBasic4.0，调用HPSICL库上述系统配置以美国HP公司的VXI产品为主，结合自制模块。己成功应用于我院的“VXI总线军用发动机自动测试系统”、“车辆ECU测试”等研究领域。当然，也可以方便地通过软件编程实现诸如示波器、频谱仪、信号发生器等通用仪器的功能。4.2MXI外挂式4.2.1硬件组成4主机：Compaq pentium166机箱：Tektronix 6槽C尺寸零槽控制器：NIVXI-PCI8000数采模块：NIVXI-MIO64E-1信号调理模块：NIVXI-SC-1102系列DSP模块：自制4.2.2软件组成操作系统：Windows98软件开发工具：NILabVIEW或LabWindows/CVI，调用NIVXI/VISA库上述配置以美国NI公司的VXI产品为主，性价比高，适用性强，现用于我院“虚拟仪器接口技术”方面的研究。5应用基本配置的VXI总线虚拟仪器如果仅仅用来代替常规仪器，一则价格太高，二则也不能取代全部，尤其是一些高频高功率、有特殊要求的仪器。因此，应广泛对其在其他工业测控领域的应用进行研究探讨。5.1通信领域VXI总线测试系统最早主要用于军事领域，但近来已广泛用于其它工业领域。据1996年底的统计，国外在通信测试方面的应用已占47。目前，国内通信产品的测试严重依赖进口，因此研制国产高性能通信测试系统大有必要。通信测试的专用性较强。国外如HP公司、WG公司等均已生产VXI总线模块式通信测试产品，用于Internet中WAN(广域网)、LAN(局域网)、ATM设备、ISDN等功能性测试和标准性测试。其VXI模块都是专门用于通信产品测试的，如光/电接口模块、线路接口模块、协议接口模块等等。国内如中国科大、深圳华为技术公司等单位也在国产通信产品的VXI模块化测试上有所研制，也设计了诸如误码测试模块、时钟模块、时钟抖动测试模块等专用模块3。由于通信产品种类很多，所需的测试也极为复杂，因此，对每种测试应用都研制专用模块是不现实的，也不符合虚拟仪器的思想。VXI总线虚拟仪器用于通信测试领域，在硬件组成上除前述外，还应增加任意信号发生器模块、通信产品接口模块，以及可选的另一数据采集模块(该数采模块侧重于