虚拟仪器总线接口技术

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1、第第 2 2 章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 Driver2.1 GPIB总线n（General Purpose Interface Bus，GPIB）n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。2.1.1 GPIB的基本性能设备容量设备容量是指GPIB接

2、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； 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； 数传速度最高可达1Mbyte/s； 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 ； 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” ； 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。2.1.2 GPIB器件及接口功能n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、

3、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；n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”；n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n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。 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； 讲者职能讲者是通过接口发送各种数据和信息的设备 ； 听者职能听者是能够通过接口接收数据的仪器设备。2.GPIB接口功能听功能

4、： 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：快速查询请求服务装置，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。3.GPIB消息n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；n按消息的用途，消息可分为接口消息和器件消息；n按消息传送路径的不同，消息可分

5、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2.1.3 GPIB总线结构nGPIB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n16条信号线按功能分为： 8根双向8位数据线n 3根数据挂钩联络线n 5根接口管理控制线n引脚分配对应关系：10 : SRQ 11 : ATN 12 : 机壳地 1316: DIO5DIO8 17 : REN 1824: 地14：DIO1DIO45 : EOI6 : DAV 7 : NRFD8 : NDAC9 : IFC2. GPIB电缆及电缆接插

6、头 3.GPIB三线挂钩原理n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。2.1.4 GPIB仪器系统 GPIB设备的 串行连接GPIB设备的 星型连接2.2 VXI总线 nVXI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。nVXI(VMEbus Extensions for Instrumentation)nVME(Versabus Module European)nVXI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

7、和自动测 试系统的优秀平台。VXI uses standard technologyGPIBGPIBVMEVMEbusbusVXI基于VME和GPIB2.2.1 VXI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。2.2.2 VXI器件、模块与机箱nVXI测试系统采用器件模块机箱的方 式构成系统；nVXI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 ；n电源和冷却散热装置为机箱内的全部器件 共用；n良好的电磁兼容性。1. VXI器件n器件是组

8、成VXI总线系统最基本的逻辑单元 ；n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；n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0255。 器件分类n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 扩展器件寄存器基器件n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

9、行接口 卡都属于寄存器基器件。 消息基器件 n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n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

10、议。 2. VXI模块nVXI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。n规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。P1、P2、P3三 个96脚J型连接 器和信号通路典型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1. VXI总线组成n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。nVXI总线是VME总线在仪器领域的扩展，所以VXI

11、 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。2.2.3 VXI总线组成及功能VXI总线的电气结构示意图2. VME总线功能nVME计算机总线n时钟和同步总线n模块识别总线n触发总线n模拟相加总线n局部总线n电源线 1) VME计算机总线nVME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

12、 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 n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：

13、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。2.2.4 VXI总线的通信协议1. VXI总线通信协议模型 2. VXI总线通信协议 nVXI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。n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

14、意规定寄存器间的配合和正常 操作所需的控制协议。n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。n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

15、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D15D9为命令标识，内容固定，D7D0是命令者向从者发送的数 据字节，D8用来传送END消息，为1时表示这次发送的字节是