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1、第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.19.1虚拟仪器体系结构分析虚拟仪器体系结构分析9.2 DAQ9.2 DAQ基础及设备基础及设备9.3 GPIB9.3 GPIB总线及接口设备总线及接口设备9.4 VXI9.4 VXI总线及接口设备总线及接口设备9.5 PXI9.5 PXI总线及接口设备总线及接口设备第九章第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备虚拟仪器体系与总线接口设备第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.1.1 9.1.1 虚拟仪器总体结构分析虚拟仪器总体结构分析图图9-1 9-1 不同硬件平台与计算机的结合不同硬件平台与计算机的结合第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-2 9-2 不同
2、硬件平台的数字化能力不同硬件平台的数字化能力第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&Driver Software表表9-1 9-1 不同体系结构虚拟仪器的系统性能不同体系结构虚拟仪器的系统性能平台平台特性特性GPIBPC-DAQPC-DAQVXIVXI传输宽传输宽度度88，16，32(expandable to 64)8，16，32(expandable 64)吞吐率吞吐率1MB/s(3-wire)
3、8MB/s(HS488)1-2MB/s(ISA)132MB/s(PCI)40MB/s80MB/s(VME64)定定时时与控制与控制能力能力NoneNone8 TTL Trigger Line2 ECL Trigger Line面市面市产产品品种种类类10,0001,0001,000扩扩展能力展能力Using MultipleInterface CardsAvailable FromThird PartiesStandardisedUsing MXI结结构大小构大小LargeSmallMedium第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-3 带带SCXI的非电量测量体系结构的非电量测量体系结构S
4、ensors andI/O SinglesTerminalBlockSCXI Signal Conditioning ModuleADQ DeviceADCControlSCXI BusAnalog BusDigital Bus9.1.2 9.1.2 非电量虚拟仪器体系结构分析非电量虚拟仪器体系结构分析第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-4 9-4 带带SCSC模块的模块的VXIVXI系统体系结构系统体系结构第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-5 a)PC-DAQ9-5 a)PC-DAQ台面系统台面系统 第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-5 b)PC-DAQ9-5 b)PC
5、-DAQ便携系统便携系统 第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-5 c)PC-DAQ9-5 c)PC-DAQ远程测试系统远程测试系统 第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-8 9-8 集中控制数据系统的体系结构集中控制数据系统的体系结构第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-9 9-9 分布式数据采集系统的体系结构分布式数据采集系统的体系结构第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.2 DAQ9.2 DAQ基础及设备基础及设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.1 DAQ9.2.1 DAQ仪器与总线仪器与总线由仪器卡组成的由仪器卡组成的DAQDAQ仪器的主要方式
6、有：仪器的主要方式有：内插式：将仪器卡插入微机的内部总线；内插式：将仪器卡插入微机的内部总线；外挂式：将微机总线引到扩展箱；外挂式：将微机总线引到扩展箱；直接外挂式：在微机外总线（并口、直接外挂式：在微机外总线（并口、USBUSB）接入仪器卡。接入仪器卡。总线：模块与模块或设备与设备之间传送信息的总线：模块与模块或设备与设备之间传送信息的一组公用信号线，是系统在主控制器的控制下，一组公用信号线，是系统在主控制器的控制下，将发生器发出的信息准确地传送给某个接收器的将发生器发出的信息准确地传送给某个接收器的信号通道。信号通道。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under
7、 TestPXI4 4种计算机总线：种计算机总线：片内总线（片内总线（In Chip BusIn Chip Bus）；）；芯片总线（芯片总线（Component Level BusComponent Level Bus）；）；内总线（内总线（Board Level BusBoard Level Bus）；）；外总线（外总线（System Level BusSystem Level Bus）。）。与与DAQDAQ仪器相关的总线类型：内总线和外总线仪器相关的总线类型：内总线和外总线第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.2 DAQ9.2.2
8、DAQ仪器的特点仪器的特点 缩短研制周期，提高产品的竞争力；缩短研制周期，提高产品的竞争力；可视化与直读性；可视化与直读性；测试过程控制与强大的数据处理能力；测试过程控制与强大的数据处理能力；模块化与多功能性；模块化与多功能性；集成化与扩展性；集成化与扩展性；操作自动化与方便性；操作自动化与方便性；第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.3 DAQ9.2.3 DAQ仪器设计关键技术仪器设计关键技术 总线扩展与接口技术；总线扩展与接口技术；A/DA/D和和D/AD/A转换技术；转换技术；多路开关和滤波放大技术；多路开关和滤波放大技术；高速缓
9、存电路；高速缓存电路；实时采样和等效采样技术；实时采样和等效采样技术；可编程逻辑器件与逻辑控制电路；可编程逻辑器件与逻辑控制电路；第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.4 DAQ9.2.4 DAQ仪器设计基础仪器设计基础 1.1.多路开关；多路开关；2.2.放大电路；放大电路；3.3.采样采样/保持器；保持器；4.A/D4.A/D转换器；转换器；以上四个部分构成以上四个部分构成PCPC的前向通道。是数据的前向通道。是数据采集卡采集卡/板的主要环节。与其它有关电路如：板的主要环节。与其它有关电路如：定时计数器，总线接口电路等，构成定时计数
10、器，总线接口电路等，构成DAQDAQ卡。卡。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.5 DAQ9.2.5 DAQ卡的基本性能指标卡的基本性能指标 1.1.模拟输入部分模拟输入部分 模拟输入通道数；模拟输入通道数；信号输入方式：单端、差动、单极信号输入方式：单端、差动、单极 性、双极性；性、双极性；信号输入范围；信号输入范围；放大器增益；放大器增益；模拟输入阻抗。模拟输入阻抗。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI 2.A/D 2.A/D转换部分转换部分 采样速率；采样速率；位数；位数；分辨
11、率；分辨率；精度；精度；3.D/A3.D/A转换部分转换部分 分辨率；分辨率；标称满量程；标称满量程；响应时间；响应时间；第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.2.6 DAQ9.2.6 DAQ仪器发展趋势仪器发展趋势 硬件趋于简单化；硬件趋于简单化；数字信号处理功能日益加强；数字信号处理功能日益加强；新的测试领域不断出现；新的测试领域不断出现；新器件增强新器件增强DAQDAQ仪器的功能与测量范围；仪器的功能与测量范围；虚拟仪器软件框架的发展将促进虚拟仪器软件框架的发展将促进DQADQA仪器仪器 向纵深发展；向纵深发展；第九章 虚拟仪器体系与
12、总线接口设备9.39.3 GPIBGPIB总线及接口设备总线及接口设备ProcessorUnit Under TestPXI 惠普公司在惠普公司在6060年代末和年代末和7070年代初开发了年代初开发了GPIBGPIB 通用仪器控制接口总线标准；通用仪器控制接口总线标准；IEEEIEEE国际组织在国际组织在19751975年对年对GPIBGPIB进行了标准进行了标准 化，由此化，由此GPIBGPIB变成了变成了IEEE 488IEEE 488标准；标准；术语术语GPIBGPIB，HP-IBHP-IB和和IEEE 488IEEE 488都是同义词。都是同义词。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备P
13、rocessorUnit Under TestPXI9.3.1 GPIB9.3.1 GPIB通用接口总线通用接口总线 1.GPIB1.GPIB总线接口系统特点总线接口系统特点 母线型连接方式；母线型连接方式；器件容量（器件容量（1515台）；台）；地址容量（地址容量（3131个听地址，个听地址，3131个讲地址）；个讲地址）；数传方式（比特并行、字节串行、双向异数传方式（比特并行、字节串行、双向异 步传递）；步传递）；最大传输速度为最大传输速度为1MBit/s1MBit/s；传输距离不超过传输距离不超过20m20m；接口功能共接口功能共1010种；种；控制方式两种（系统控制、负责控制）；控制方
14、式两种（系统控制、负责控制）；消息逻辑（消息逻辑（TTLTTL电平，负逻辑）。电平，负逻辑）。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI 2.GPIB 2.GPIB总线结构总线结构 GPIBGPIB是一个数字化的是一个数字化的2424线并行总线。包括：线并行总线。包括：8 8条数据线。既用来传送设备命令（条数据线。既用来传送设备命令（7 7 位），又用于传送地址和数据（位），又用于传送地址和数据（8 8位）；位）；5 5条控制线（条控制线（ATNATN、EOIEOI、IFCIFC、REN REN 和和 SRQSRQ）。管理系统工作；）。管理系统工作
15、；3 3条握手线（条握手线（DAVDAV、NRFDNRFD和和NDACNDAC）。实现设）。实现设 备输入备输入 输出时的信息交换；输出时的信息交换；8 8条地线。条地线。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI引线引线信号信号引线引线信号信号引线引线信号信号1 1DIO1DIO11010SQRSQR1919地地2 2DIO2DIO21111ANTANT2020地地3 3DIO3DIO31212机壳地机壳地2121地地4 4DIO4DIO41313DIO5DIO52222地地5 5EOIEOI1414DIO6DIO62323地地6 6DAVDAV
16、1515DIO7DIO72424地地7 7NRFDNRFD1616DIO8DIO88 8NDACNDAC1717RENREN9 9IFCIFC1818地地表表9-2 IEEE-4889-2 IEEE-488总线定义总线定义第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI 信号交换线及控制线功能：信号交换线及控制线功能：DAVDAV：数据线上有数据时有效；：数据线上有数据时有效；NRFDNRFD：1 1，表示接收器件准备好；，表示接收器件准备好；NDACNDAC：系统组件均接收到数据时为：系统组件均接收到数据时为1 1；ATNATN：0 0，为数据；，为数
17、据；1 1，为地址；，为地址；EOIEOI：数据传输结束标志；：数据传输结束标志；IFCIFC：系统清：系统清0 0（复位）；（复位）；RENREN：1 1，为启动远程控制条件；，为启动远程控制条件；SRQSRQ：1 1，服务请求。，服务请求。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under TestPXI 3.GPIB 3.GPIB接口功能接口功能 听功能：接收信号、数据；听功能：接收信号、数据；讲功能：发送信号、数据；讲功能：发送信号、数据；控功能：通过微处理器发布各种指令；控功能：通过微处理器发布各种指令；源握手功能：为讲功能和控功能服务；源握手功能：为讲功能和控
18、功能服务；受握手功能：为听功能服务；受握手功能：为听功能服务；服务请求功能：系统故障时运行相应处理；服务请求功能：系统故障时运行相应处理；并行点名功能：控功能同时查询并行点名功能：控功能同时查询8 8个仪器；个仪器；远程控制功能：选择远程或本地控制方式；远程控制功能：选择远程或本地控制方式；触发功能：产生一个内部信号，启动有关仪触发功能：产生一个内部信号，启动有关仪 器工作；器工作；清除功能：使仪器回到初始状态。清除功能：使仪器回到初始状态。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.4 VXI9.4 VXI总线及接口设备总线及接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.4.1
19、 VXI9.4.1 VXI标准的发展标准的发展 VXIbusVXIbus是是VMEbus VMEbus（VMEbus eXtensions for VMEbus eXtensions for InstrumentationInstrumentation）在仪器领域的扩展。）在仪器领域的扩展。19871987年年7 7月，月，VXIbusVXIbus规范的第一个版本发布。规范的第一个版本发布。19921992年年9 9月月IEEEIEEE标准局批准为标准局批准为IEEE-1155-1992IEEE-1155-1992标准标准 19931993年年2 2月经美国国家标准研究院批准，并于月经美国国家
20、标准研究院批准，并于19931993年年9 9月出版发行。月出版发行。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备表表9-3 VXIbus标准发展史标准发展史版版本本0.00.01.01.01.11.11.21.21.31.31.41.4IEEE-IEEE-11551155日日期期1987.7.1987.7.9 91987.8.1987.8.24241987.10.1987.10.7 71988.6.1988.6.21211989.7.1989.7.14141992.4.1992.4.21211993.9.1993.9.2020第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备ProcessorUnit Under T
21、estPXI9.4.2 VXI9.4.2 VXI总线目标总线目标 使设备之间以明确的方式通信；使设备之间以明确的方式通信；使使VXIVXI系统比标准的机架堆叠式系统具有更小系统比标准的机架堆叠式系统具有更小 的物理尺寸；的物理尺寸；使用专门的通信协议和更宽的数据通道为测试使用专门的通信协议和更宽的数据通道为测试 系统提供更高的系统吞吐率；系统提供更高的系统吞吐率；提供可用于军事模块化仪器（提供可用于军事模块化仪器（Instrument onInstrument on a Card a Card）系统的测试设备；）系统的测试设备；通过使用虚拟仪器原理方便地扩展测试系统的通过使用虚拟仪器原理方便地
22、扩展测试系统的 功能；功能；通过使用统一的公共接口降低系统集成时的软通过使用统一的公共接口降低系统集成时的软 件开发成本；件开发成本；在该规范内定义实现多模块仪器系统的方法。在该规范内定义实现多模块仪器系统的方法。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.4.3 VXI9.4.3 VXI标准体系标准体系 国际上现有两个国际上现有两个VXIbusVXIbus组织组织VXIbusVXIbus联联合体和合体和VPPVPP系统联盟。系统联盟。VXIbusVXIbus联合体主要负责联合体主要负责VXIbusVXIbus硬件（即仪硬件（即仪器级）标准规范的制订；器级）标准规范的制订；VPPVPP系统联盟的宗旨
23、是通过制订一系列的系统联盟的宗旨是通过制订一系列的VXIbusVXIbus软件（即系统级）标准来提供一个开放软件（即系统级）标准来提供一个开放的系统结构，使其更容易集成和使用。的系统结构，使其更容易集成和使用。VXIbusVXIbus仪器级和系统级规范文件分别由仪器级和系统级规范文件分别由1010个标准组成，参见表个标准组成，参见表2-42-4和表和表2-52-5。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备表9-4 VXIbus仪器级标准规范文件标标准代号准代号标标准名称准名称VXI-1VXI-1VXIbusVXIbus系系统规统规范范(IEEE1155-1992)(IEEE1155-1992)VXI
24、-2VXI-2VXIbusVXIbus扩扩展的寄存器基器件和展的寄存器基器件和扩扩展的存展的存储储器器件器器件VXI-3VXI-3VXIbusVXIbus器件器件识别识别的字符串命令的字符串命令VXI-4VXI-4VXIbusVXIbus通用助通用助记记符符VXI-5VXI-5VXIbusVXIbus通用通用ASCIIASCII系系统统命令命令VXI-6VXI-6VXIbusVXIbus多机箱多机箱扩扩展系展系统统VXI-7VXI-7VXIbusVXIbus共享存共享存储储器数据格式器数据格式规规范范VXI-8VXI-8VXIbusVXIbus冷却冷却测测量方法量方法VXI-9VXI-9VXI
25、busVXIbus标标准准测试测试程序程序规规范范VXI-10VXI-10VXIbusVXIbus高速数据通道高速数据通道第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备表9-5 VXIbus系统级标准规范文件标标准代号准代号标标准名称准名称VPP-1VPP-1VPPVPP系系统联统联盟章程盟章程VPP-2VPP-2VPPVPP系系统统框架技框架技术规术规范范VPP-3VPP-3仪仪器器驱动驱动程序程序技技术规术规范范VPP-3.1VPP-3.1VPPVPP仪仪器器驱动驱动程序程序结结构和构和设计设计技技术规术规范范VPP-3.2VPP-3.2VPPVPP仪仪器器驱动驱动程序开程序开发发工具技工具技术规术规
26、范范VPP-3.3VPP-3.3VPPVPP仪仪器器驱动驱动程序功能面板技程序功能面板技术规术规范范VPP-3.4VPP-3.4VPPVPP仪仪器器驱动驱动程序程序编编程接口技程接口技术规术规范范VPP-4VPP-4标标准的准的软软件件输输入入输输出接口技出接口技术规术规范范VPP-4.1VPP-4.1VISA-1VISA-1虚虚拟仪拟仪器器软软件体系件体系结结构主要技构主要技术规术规范范VPP-4.2VPP-4.2VISA-2 VISAVISA-2 VISA转换库转换库（VTLVTL）技）技术规术规范范VPP-4.2.2VPP-4.2.2VISA-2.2VISA-2.2视视窗框架的窗框架的V
27、TLVTL实实施技施技术规术规范范VPP-5VPP-5VXIVXI组组件知件知识库识库技技术规术规范范VPP-6VPP-6包装和安装技包装和安装技术规术规范范VPP-7VPP-7软软面板技面板技术规术规范范VPP-8VPP-8VXIVXI模模块块/主机机械技主机机械技术规术规范范VPP-9VPP-9仪仪器制造商器制造商缩缩写写规则规则VPP-10VPP-10VXIP&P LOGOVXIP&P LOGO技技术规术规范和范和组组件注册件注册第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.4.4 VXI9.4.4 VXI总线的系统结构总线的系统结构 1.1.结构配置结构配置VXIVMEA AB BP1P1P1
28、P3P1P2P2P23.9”6.3”9.2”6.3”9.2”13.4”C14.4”13.4”D P1 VME 计算机总线：计算机总线：16bit 数据传输总线数据传输总线,16M 地地 址址,仲裁总线仲裁总线,优先中断总线，优先中断总线，公用总线。公用总线。P2 中间行增加中间行增加:VME 32-bit 数据总线数据总线,4G 地址。地址。P2 外部行增加外部行增加:10MHz 时钟总线时钟总线,TTL&ECL 触发总触发总线线,12 pin 本地总线，模拟加法总线本地总线，模拟加法总线,模块识别总线模块识别总线,电源总线。电源总线。P3 增加高性能：增加高性能：100MHz 时钟总线时钟总
29、线,100MHz 同步同步总线总线ECL 星形总线星形总线,ECL 触发总线，触发总线，24 pin 本地总本地总线线,电源总线。电源总线。图图2-10 VXI2-10 VXI模块尺寸与总线分布模块尺寸与总线分布第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-11 9-11 典型典型D D尺寸主机箱尺寸主机箱未屏蔽未屏蔽D D尺尺寸模块寸模块电源、冷却系统等电源、冷却系统等机箱屏蔽机箱屏蔽冷却空气槽冷却空气槽0 0号槽本地母线键号槽本地母线键后背板后背板屏蔽屏蔽D D尺寸尺寸模块模块双宽度屏蔽双宽度屏蔽D D尺寸模块尺寸模块未屏蔽未屏蔽C C尺尺寸模块寸模块第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备2.2.
30、电气结构电气结构图图9-12 VXI9-12 VXI总线电气结构总线电气结构星形线模块识别线时钟与同步线触发总线VME总线局部总线全全局局总总线线单单总总线线0 0槽槽模模块块1 1槽槽模模块块2 2槽槽模模块块3 3槽槽模模块块4 4槽槽模模块块加法总线第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备3.3.系统控制方案系统控制方案图图9-13 GPIB9-13 GPIB控制控制第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-14 9-14 嵌入式控制嵌入式控制第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-15 MXI9-15 MXI控制控制第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备9.5 PXI9.5 PXI总线及接口设
31、备总线及接口设备ProcessorUnit Under TestPXI9.5.1 PXI9.5.1 PXI规范体系结构规范体系结构 19971997年年9 9月月1 1日，日，NINI发布了一种全新的开发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范放性、模块化仪器总线规范PXIPXI。PXIPXI是是PCIPCI在仪器领域的扩展在仪器领域的扩展 (PCI(PCI eXtensions for Instrumentation),eXtensions for Instrumentation),它将它将CompactPCICompactPCI规范定义的规范定义的PCIPCI总线技术发展成总线技术发展成适
32、合于试验、测量与数据采集场合应用的适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。虚拟仪器体系结构。第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备PXIPXI软件机械电气图图9-16 PXI9-16 PXI规范体系结构规范体系结构第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备1.PXI1.PXI机械规范及其特点机械规范及其特点图图9-17 PXI9-17 PXI机械规范体系结构机械规范体系结构机械机械特性特性环境测试主动冷却Eurocard坚固封装CompactPCI互操作性第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-18 PXI9-18 P
33、XI模块机构与连接器模块机构与连接器64-bit PCI and PXI Feature3UPXIJ1J232-bit PCI6UPXIJ5J4J3J2J164-bit PCI and PXI Features32-bit PCIPXI ReservedPXI ReservedPXI Reserved第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-19 9-19 一个完整的一个完整的PXIPXI系统系统第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备2.PXI2.PXI规范的电气性能规范的电气性能表表9-6 PXI与与VXI总线总线面向面向仪仪器器领领域的域的扩扩性能比性能比较较参考参考时钟时钟触触发线发线星形星
34、形总线总线局部局部总线总线VXI10 MHz ECL10 MHz ECL8 TTL&2 ECL仅仅 D 尺寸系尺寸系统统12 线线PXI10 MHz TTL8 TTL每槽一根每槽一根13 线线第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备图图9-21 PXI9-21 PXI总线电气性能总线电气性能第九章 虚拟仪器体系与总线接口设备3.PXI3.PXI软件规范软件规范 要求包括支持要求包括支持Microsoft Windows NT 和和95 (WIN32)这样的标准操作系统框架；这样的标准操作系统框架；要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准 的工业开发环境（如的工业开发环境（如NI的的LabVIEW、Lab Windows/CVI和和Microsoft的的VC/C+、VB 和和Borland的的C+等）；等）；符合符合VISA规范的设备驱动程序（规范的设备驱动程序（WIN32 device drivers）。）。