VXI總線與虛擬儀器技術(shù)

摘要：虛擬儀器技術(shù)和VXI總線是當(dāng)前測(cè)試控制領(lǐng)域的熱門話題，也是儀器發(fā)展和設(shè)計(jì)的研究前沿。本文回顧了VXI 總線和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，詳細(xì)介紹了VXI總線規(guī)范并闡述了當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)的最新發(fā)展。

虛擬儀器是以一種全新的理念來(lái)設(shè)計(jì)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(gè)開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。VXI總線測(cè)試平臺(tái)是公認(rèn)的21世紀(jì)儀器總線系統(tǒng)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺(tái)。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(dòng)性好、易維修，價(jià)格與傳統(tǒng)自動(dòng)測(cè)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(dòng)力，進(jìn)一步增強(qiáng)了虛擬儀器的功能。

1 VXI總線與虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

20世紀(jì)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(wú)法再滿足軍用測(cè)控系統(tǒng)的需求了。在這種情況下，HP、Tekronix等五家國(guó)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(gè)版本。幾經(jīng)修改和完善，與1992年被IEEE接納為IEEE-1155-1992標(biāo)準(zhǔn)。

VXIbus規(guī)范是一個(gè)開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其主要目標(biāo)是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與其它標(biāo)準(zhǔn)的器件（計(jì)算機(jī)）之間能夠以明確的方式開(kāi)放地通信；使系統(tǒng)體積更??；通過(guò)使用高帶寬的吞吐量，為開(kāi)發(fā)者提供高性能的測(cè)試設(shè)備；采用通用的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進(jìn)一步降低。

    VXIbus規(guī)范發(fā)布后，由于軍方對(duì)測(cè)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(bǔ)充機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟通過(guò)規(guī)定連接器的統(tǒng)一方法、UUT接口和測(cè)試夾具、共享存儲(chǔ)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(lái)增加硬件的兼容性，并開(kāi)發(fā)一種統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法。聯(lián)盟還通過(guò)規(guī)定和推廣標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)軟件框架來(lái)實(shí)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(yīng)PC卡式儀器于1986年由NI公司提出的。所謂虛擬儀器，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一組完成傳統(tǒng)儀器功能的硬件和軟件部件。VI通過(guò)軟件將通用計(jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（通常稱為虛擬面板）

操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就象在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。VI透明地將計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/0、定時(shí)器和信號(hào)調(diào)理器等）的測(cè)試、控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)的分析處理和表達(dá)，從而能更迅速、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測(cè)試問(wèn)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(jiǎn)介

VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個(gè)VXIbus主機(jī)箱、若干VXIbus器件、一個(gè)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(shí)鐘源和背板總線仲裁等，當(dāng)然它也可以同時(shí)具有其它的儀器功能。資源管理器在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，以使系統(tǒng)用戶能夠從一個(gè)確定的狀態(tài)開(kāi)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(jī)箱容納VXIbus儀器，并為其提供通信背板、供電和冷卻。

    VXIbus不是設(shè)計(jì)來(lái)替代現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)的，其目的只是提高測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個(gè)更先進(jìn)的平臺(tái)。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(jī)械結(jié)構(gòu)

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(lái)說(shuō)，它們都是標(biāo)準(zhǔn)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?cè)龃罅四K間距，以便對(duì)包含用于高性能測(cè)量場(chǎng)合的敏感電路的模塊進(jìn)行完全屏蔽。A尺寸模塊只有P1、P2和P3連接器。

目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的是C尺寸的VXIbus系統(tǒng)，這主要是因?yàn)镃尺寸的VXIbus系統(tǒng)體積較小，成本相對(duì)較低，又能夠發(fā)揮VXIbus作為高性能測(cè)試平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

2.2 VXI總線系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

VXIbus完全支持32位VME計(jì)算機(jī)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(cè)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(gè)96針的DIN連接器P1、P2和P3。P1連接器是必備的，P2和P3兩個(gè)連接器可選。三個(gè)連接器的具體的信號(hào)分配可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。下面對(duì)VXIbus在VMEbus總線基礎(chǔ)上增加的用于高性能儀器的部分總線作一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

CLK10時(shí)鐘線 是一個(gè)10MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，用于模塊之間的精確同步。該信號(hào)源于0號(hào)槽，被分別差分送至各個(gè)模塊插槽。

    MODID線 模塊識(shí)別線，可以通過(guò)特有的物理位置或插槽類識(shí)別邏輯器件。這些線自0號(hào)槽分別送至1號(hào)槽至12號(hào)槽。系統(tǒng)自動(dòng)配置時(shí)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(kāi)路的TTL信號(hào)線。包括0號(hào)槽在內(nèi)所有模塊都可以驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)鐘傳送、數(shù)據(jù)傳送、起/停（STST）和外部觸發(fā)緩沖7種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)的信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)工作方式。

SUMBUS 相加總線是VXIbus背板上的一條模擬相加接點(diǎn)。每個(gè)模塊都可以用一個(gè)模擬電流源驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)這條線，或者通過(guò)一個(gè)高阻接收器如一個(gè)高阻抗模擬放大器。接收來(lái)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(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。

CLK100和SYNC100 分別是100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和100MHz同步信號(hào)。用于系統(tǒng)中更高精度的定時(shí)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(hào)槽之間。0號(hào)槽可提供一個(gè)交叉矩陣開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)該開(kāi)關(guān)進(jìn)行編程可以確定任何兩根STARX和STARY線之間的信號(hào)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(dǎo)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(jī)箱制造商和模塊制造商在其產(chǎn)品規(guī)范中給機(jī)箱供電和冷卻能力以及模塊的電源需求和冷卻指標(biāo)。系統(tǒng)集成者可以根據(jù)這些指標(biāo)選擇合適的機(jī)箱和模塊。

2.4 VXlbus系統(tǒng)通信

通信是VXibus標(biāo)準(zhǔn)的又一個(gè)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(kāi)放性，并沒(méi)有規(guī)定VXIbus主機(jī)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(shù)同步。下一節(jié)將要詳細(xì)討論當(dāng)前流行的幾種方式。

每個(gè)VXIbus器件都有一個(gè)唯一邏輯地址（unique logical address,ULA），編號(hào)從0到255，即一個(gè)VXIbus系統(tǒng)最多有256個(gè)器件。VXIbus規(guī)范允許許多器件駐留在一個(gè)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(gè)復(fù)雜器件占用多個(gè)插槽，VXIbus通過(guò)ULA進(jìn)行器件尋址，而不是通過(guò)器件的物理位置。

每個(gè)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(biāo)注的地址是相對(duì)于器件基地址的偏移地址。器件基地址計(jì)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(jiàn)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(jiǎn)單的VXIbus器件，通過(guò)寄存器讀寫(xiě)來(lái)通信，常用于功能簡(jiǎn)單的器件。它通過(guò)VXIbus定義的配置元素來(lái)完成配置，并通過(guò)器件相關(guān)寄存器來(lái)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(duì)VXIplug&play標(biāo)準(zhǔn)的支持，其編程難的問(wèn)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(huì)因?yàn)閷?duì)ASCII碼命令進(jìn)行解析而降低通信速度，但是它可以簡(jiǎn)化多廠商支持，并簡(jiǎn)化編碼（當(dāng)然隨著VXIplug&play標(biāo)準(zhǔn)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(lái)說(shuō)，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(jì)算機(jī)做成VXIbus模塊，直接安裝到VXI主機(jī)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(shí)時(shí)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(wèn)VXIbus背板信號(hào)，并直接讀寫(xiě)VXIbus器件的寄存器，而不會(huì)像外接控制器那樣進(jìn)行總線轉(zhuǎn)換而引入軟件開(kāi)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(jià)格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應(yīng)用。根據(jù)所采用的外部總線，外接式控制器又有直接擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換擴(kuò)展兩種方式。

直接擴(kuò)展就是將部分VXI總線信號(hào)線直接擴(kuò)展機(jī)箱外作為外總線，連接計(jì)算機(jī)和VXI機(jī)箱控制器，例如MXI/MXI-2總線控制方案。圖2給出了一個(gè)典型MXI/MXI/MXI-2總線控制方案。圖2給出了一個(gè)典型MXI/MXI-2系統(tǒng)配置，MXI/MXI-2總線直接將PC擴(kuò)展總線和VXI總線耦合起來(lái)，通過(guò)硬件數(shù)據(jù)傳輸周期轉(zhuǎn)換，在PC擴(kuò)展總線和VXI總線之間并行地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有很高的隨機(jī)讀寫(xiě)和字串行性能。MXI/MXI-2總線還擴(kuò)展了VXI總線的狀態(tài)、中斷、時(shí)鐘和觸發(fā)等總線，是一種高性能外接控制方案。

轉(zhuǎn)換擴(kuò)展就是用一些跟VXI總線無(wú)直接聯(lián)系的通用總線（如GP-IB、1394、MAX-3、光纖通路等），來(lái)連接計(jì)算機(jī)和VXI總線控制器，從而構(gòu)成GPIB-VXI、VXI-1394、MXI-3、FOXI等控制方案。圖3給出了一個(gè)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(guò)程中需要作大量的總線轉(zhuǎn)換工作，首字節(jié)延遲較長(zhǎng)，隨機(jī)讀寫(xiě)和字串行性能較低。并且采用這些控制方式的計(jì)算機(jī)不能直接訪問(wèn)VXI總線的狀態(tài)、中斷、時(shí)鐘和觸發(fā)等信號(hào)線，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(duì)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(yuǎn)，因此它們適合在一些性能要求不是很高、經(jīng)費(fèi)不很充?；蛘哂刑厥庖蟮膱?chǎng)合中應(yīng)用。

4 虛擬儀器技術(shù)的新進(jìn)展

近年來(lái)，虛擬儀器因其強(qiáng)大的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著一些新的PC技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應(yīng)用到VI中，VI技術(shù)也有了一些新的進(jìn)展。

4.1 基于Web的虛擬儀器

Web技術(shù)在Internet的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了Browser/Web(B/W)這一新的軟件模型的流行。Web與VI技術(shù)相結(jié)合，便產(chǎn)生了基于Web的VI，其模型如圖4所示。

VI服務(wù)器實(shí)際上就是一臺(tái)運(yùn)行了Web服務(wù)器和VI應(yīng)用的計(jì)算機(jī)，客戶機(jī)通過(guò)瀏覽器請(qǐng)求運(yùn)行服務(wù)器上的VI。服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，運(yùn)行相應(yīng)的VI，并將結(jié)果返回到客戶機(jī)。基于Web的VI系統(tǒng)可以建立在通用的WWW軟件和客戶/服務(wù)端開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上，例如使用IIS、Apache等作服務(wù)器，使用腳本語(yǔ)言、CGI、XML、JAVA等開(kāi)發(fā)客戶端和服務(wù)器應(yīng)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(guò)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(shè)備的柔性（Flexibility）來(lái)增強(qiáng)其適應(yīng)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(shù)的數(shù)字化儀。它由一個(gè)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(duì)于4～100MHz帶寬的信號(hào)，系統(tǒng)工作在傳統(tǒng)模式下，采樣精度為8-bit。當(dāng)輸入信號(hào)帶寬在4MHz以下時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入柔性精度狀態(tài)，采用信號(hào)中的寬帶量化噪音，對(duì)噪音進(jìn)行電路濾除，然后數(shù)據(jù)被送到DSP進(jìn)行線性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進(jìn)一步濾除高頻噪音，最后用抽取技術(shù)按較低速率重構(gòu)波形，使有效垂直精度達(dá)到8～21bit。

4.3 可互換虛擬儀器（IVI）

IVI技術(shù)試圖提供一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)，為可互換的儀器提供了一個(gè)健壯的框架，并著力解決困優(yōu)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的儀器性能問(wèn)題。IVI規(guī)范把儀器分成一個(gè)系列的子類，例如DMM、示波器、開(kāi)關(guān)等，并按照某一子類儀器最通用的特征和功能來(lái)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(dòng)程序分成子類驅(qū)動(dòng)程序和儀器專有驅(qū)動(dòng)程序兩個(gè)子層。專有驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序功能，但是具有性能優(yōu)化的低層結(jié)構(gòu)和儀器仿真功能。子類驅(qū)動(dòng)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(yīng)的專有儀器驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)。圖5給出了一個(gè)采用IVI技術(shù)的虛擬示波器體系結(jié)構(gòu)。

“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(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，同時(shí)借助于VXI總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這一構(gòu)筑虛擬儀器的理想的平臺(tái)，虛擬儀器系統(tǒng)必然會(huì)給現(xiàn)代控制測(cè)試領(lǐng)域帶來(lái)一片新天地。