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1、仪表智能化与总线测试技术第二章 典型的总线测试系统单 梁自动化学院电气工程系2第二章主要内容n总线概念nDAQ仪器与总线nGPIB仪器与总线nPCI总线nVXI仪器与总线nPXI总线n现场总线n其他总线32.0总线概述总线的定义： 总线是一组信号线的集合，它也是在一种系统中各功能部件之间进行信息传输的公共通道。 总线是自动测试技术的重要组成部分。 一个自动测试系统，就是利用一种向仪器测试功能扩展的计算机总线的技术形式，来组建成一个自动测试的硬件整体。 总线的特点在于公共性和兼容性，如果是某一两个部件之间的专用信号连接，就不能够称其为总线。 42.0总线概述总线的性能指标：1）总线宽度：主要指数
2、据总线的宽度，以位数(bit)为单位16位、32位。2）寻址能力：主要指地址总线的位数及所能直接寻址的存储器空间的大小。地址总线位数越多，寻址空间越大。3）总线频率：总线周期是微处理器完成一步操作的最小时间单位，是衡量总线工作速度的一个重要指标。4）传输率：总线在某种数据传输方式下能达到的数据传输速率，以每秒字节数计算MB/s。例：32位总线，频率66MHz，一个字节数据为8位，一次数据传输需要8个周期，则数据传输速率为： Q3266/8/833（MB/s)或264（Mbps）52.0总线概述总线的性能指标（续）：5）总线的定时协议：在总线上进行信息传送，必须遵守定时协议，以使源与目的同步。
3、同步总线定时：信息传送由公共时钟控制。 异步总线定时：一个信号出现在总线上的时刻取决于前一个信号的出现，顺序发生。 半同步总线定时：前两种混合挂钩方式。6）负载能力：指总线上所有能挂接的器件个数。由于总线只有扩展槽能提供给用户使用，因此负载能力一般是指总线上的扩展槽数目。62.0总线概述总线的分类：1）片内总线：片内总线是指微处理器芯片内的总线，用于连接微处理器内部各逻辑功能单元。总线的结构与功能设计由芯片厂家完成。2）片间总线：又称元件级总线。是指一个微处理器应用系统中连接各芯片的总线。一般包括地址总线、数据总线和控制总线。3）内总线：又称板级总线。是指微机系统内连接各插件板的总线。4）外总
4、线：又称通信总线，用于微机系统间、微机系统与外设之间、微机系统与其他系统之间的通信连线。72.0总线概述具有总线系统的仪表特点：1）硬件易于实现模块化设计；2）支持多厂商产品；3）易于实现系统升级；4）具有良好的可维护性；5）便于组织大规模生产，经济性好。82.1DAQ仪器与总线2.1.1DAQ基本概念DAQ：Data Acquisition 数据采集仪器 一种典型的虚拟仪器DAQ仪器：以微型计算机为平台，将计算机硬件（某类总线、特定功能的数据采集卡）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定的仪器测量和分析功能。NI5911：数字化仪NI4451：动态信号采集器NI5911NI445
5、192.1.2DAQ仪器组成方式1）内插式： 仪器卡插入微机的内部总线上而构成DAQ仪器。2）外挂式： 微机总线引到扩展箱，在扩展箱里插入仪器卡，构成DAQ仪器。3）直接外挂式： 微机外总线接口（并口、USB口等）上接入仪器卡。 DAQ仪器也称为总线插卡仪器。102.1.3DAQ仪器的特点1）缩短了研制周期，提高了产品的竞争 力；2）可视化与直读性；3）测试过程控制与强大的数据处理能力；4）模块化与多功能性；5）集成化与扩展性；6）操作自动化与方便性。112.1.4DAQ仪器设计的关键技术1）总线扩展与接口技术 基于某一种工业计算机标准总线: PCI、ISA、USB、IEEE1394等。2）A
6、/D和D/A转换技术 A/D和D/A一起构成测控仪器的核心，其转换精度将很大程度上决定仪器的性能。3）多路开关和滤波放大技术 高质量的多路开关用来实现自动调档和通道切换； 滤波电路的好坏直接影响仪器的精度。122.1.4DAQ仪器设计的关键技术4）高速缓存电路 一般多通道信息采集场合均需要采用高速缓存技术。5）实时采样和等效采样技术；6）可编程逻辑器件和逻辑控制电路。13实时采样与等效采样实时采样：在某一时间内所采集的一组数据与该时间内的一连续的物理量在相应时刻点的量值一一对应。等效采样：一连续的物理量的若干周期内采集若干量值，以组合数据方式还原波形，反映某一周期信号的某些周期性特征。142.
7、1.5DAQ仪器的发展趋势1）硬件趋于简单化；2）数字信号处理功能日益加强；3）新的测试领域不断发展；4）新器件的发展将显著增强DAQ仪器的功能和测试范围；5）虚拟仪器软件框架的发展将促进DAQ仪器向纵深发展。 未来DAQ仪器技术的发展，将有可能真正实现“把实验室装进电脑”这一目标。15 美国惠普（HP）公司从60年代中期就开始着力解决自动测试动测试 系统统接口标标准化问题问题 。 1972年公布了它们们的通用接口系统统，命名为为HP-IB。 1975年美国电电气与电电子工程师协师协 会（IEEE）在HP-IB基础础上制定了IEC-488-75可程控仪仪表的数字接口标标准。 国际电际电 工委员
8、员会以IEEE-488-75为为基础础，制定了IEC-625可程控测测量仪仪表的接口系统统标标准。 1978年IEEE也把IEEE-488-75标标准修改为为IEEE-488-78标标准。 这这两个标标准都是国际际公认认的总线标总线标 准，按这这两个标标准配置的接口都称为为通用标标准接口，由它们们构成的系统统都称GPIB（General Purpose Interface Bus）系统统。2.2 GPIB总线特性162.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结构 GPIB使用8位并行、字节串行、异步通信方式，所有字节通过总线顺序传送，数据传输率最高可达8MB/s。GPIB是一个24脚（扁
9、平接口插座, IEEE-488-78）或25脚（IEC-625）数字化并行总线，由16根信号线、8根接地返回线盒屏蔽层组成。GPIB仪器之间的通信通过接口系统发送仪器消息（数据消息）和接口消息（管理消息）来实现。172.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结构 GPIB的16根信号线中：8根双向数据线：用于双向传输数据消息和命令消息。5根控制（接口管理）线：用于管理信息在接口上的流通。3根握手线：用于控制仪器之间信息字节的传输，保证数据线上信息字节的发送和接收不产生传输错误。182.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结构 192.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结
10、构 202.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结构 212.2 GPIB总线特性2.2.1 GPIB总线结构 22(1) 数据线线（DIO1DIO8） 用来进进行双向异步信息传递传递 。 被传传送的信息可以是多线线接口消息，也可以是设设备备消息。 当ATN=1表示数据线线上传传送的是接口消息，当ATN=0表示数据线线上传传送的是设备设备 消息。 无论论是接口消息还还是设备设备 消息均采用七位ASCII码码，第8位可作为为奇偶校验验，或处处于任意状态态。 2.2.2 GPIB总线定义和功能 23(2)挂钩线钩线 （DAV，NRFD，ADAC） GPIB总线标准采用了三线互锁联络技术，又
11、称三线挂钩技术。三线挂钩技术由下列三条挂钩线来实现。 2.2.2 GPIB总线定义和功能 24(2)挂钩线钩线 （DAV，NRFD，ADAC）2.2.2 GPIB总线定义和功能 (1)DAV(DATA VALID)数据有效线 =1 数据线上的数据有效 =0 无效(2)NRFD(NOT READY FOR DATA)还未准备好接收数据信号线 =1至少有一个听者还没准备就绪 =0皆准备就绪(3)NDAC(NOT DATA ACCEPTED)未收到数据信号线 =1至少有一个听者还没把数据接收下来 =0均已完成数据接收252.2.2 GPIB总线定义和功能 (1)ATN(ATTENTION)注意线=1
12、数据线上传送的是接口消息=0:数据线上传送的是设备消息(2)IFC(INTERFACE CLEAR)接口清除线=1各设备皆回到已知得初始态=0维持原态(3)REN(REMOTE ENABLE)远地使能线=1远地工作方式=0本地工作方式(4)SRQ(SERVICE REQUEST)服务请求线=1至少有一台设备提出服务请求（主动消息）=0表示没有设备提出服务请求（被动消息）262.2.2 GPIB总线定义和功能 (5)EOI(END OR INDENTIFY)讲者数据发送结束控者发布并行点名识别标志EOI=1&ATN=0EOI=1&ATN=1EOI=0既非结束也非识别27GPIB系统统采用广播式通
13、信。l 讲讲者必须须先知道是否所有的听着已准备备好接收数据。l 只有在都准备备就绪绪的条件下，讲讲者才被允许许把要广播的数据放置到数据线线上去。l 讲讲者向所有听者宣布数据线线上数据有效。l 听者在得知数据线线上数据有效后才允许许从数据线线上接收数据。l 接收完毕毕后，还应还应 当通知讲讲者，只有当讲讲者得知所有听者都已接收完毕毕，方可从数据线线上把数据撤除。每个字节传节传 送皆按上述过过程进进行。 2.2.3 GPIB通讯原理 28a）讲者工作过程 ; b）听者工作过程29远地消息接口功能设备功能本地消息接口消息设备消息设备功能接口功能本地消息 接口功能设备功能的本地消息设备功能接口功能的本
14、地消息设备消息（程控指令，测量或显示数据、状态字节）多线接口消息（通令、指令、寻址令、副令）单线接口消息接口消息本地消息远地消息消息2.2.4 GPIB消息编码格式 30设备消息。通过总线，在两台设备的设备功能之间传递的消息称为设备消息。例如程控命令、测量数据、状态字节等。接口消息。通过总线，在两台设备的接口功能之间传递的消息称为接口消息。接口消息用来管理接口本身的操作，使接口功能状态发生变迁。接口消息又分为单线接口消息与多线接口消息。远地消息。凡通过总线传来的消息称为远地消息。设备消息与接口消息都属于远地消息。规定用三个大写英文字母表示。本地消息。在一台设备内部的设备功能与接口功能之间传递的
15、消息称为本地消息。本地消息分为两种，一种是由设备功能发往接口功能的本地消息，IEC-625对这类本地消息作了规定。还有一种是由接口功能发往设备功能的本地消息，IEC-625对此没作规定，可由设备设计者自行决定。 2.2.4 GPIB消息编码格式 311. 单线接口消息编码 32 多线线接口消息是指使用数据线线DIO传传送的接口消息，它用于管理接口系统统。多线线接口消息用七位ASCII码进码进 行编码编码 （DIO1DIO7），DIO8不用。多线线接口消息分为为通令、指令、寻寻址令、副令四种。 2. 多线接口消息编码 33(1)通令（Universal Command） 通令由责任控者发出，系统
16、中其它设备都必须听，并立即执行。通令编码格式为（001），其高3位为001表示通令，低4位不同编码就代表不同通令。IEC-625规定了5条通令如前页所示。34(2) 指令 指令也是由责任控者发出的，但在发出指令之前必须先寻址，使准备接收该指令的设备被任命为听者。指令的7位编码格式为（000），其高3位为000表示指令，低4位的不同编码代表不同的指令。3536(3) 副令 副令是主令（上面介绍的10种母线命令也称主令）的补充，副令只有2条： PPE（并行点名可能）：该副令是PPC主令的补充。PPC主令已使被寻址设备参加并行点名组态，在其后再补充副令PPE（具有特定编码）进行编组，以便并行点名。PPE编码为：110SP3P2P1。其中高3位110表示副令，P3P2P1的编码表示第几条DIO线用来分配给该设备进行并行点名，P3P2P1=000对应DIO1，P3P2Pl=111对应DIO8，S称为响应检测位，它规定用什么电平回答没有服务请求。 PPD（并行点名不可能）：该副令也是PPC主令的补充。PPC主令已使被寻址设备参加并行点名组态，其后再补充副令PPD，则使已参加并行点名组态的设备的组态
