7 虚拟仪器系统集成的总线技术

1. 7 虚拟仪器系统集成的总线技术 7.1 总线的概述 7.2 GPIB总线 7.3 VXI总线 7.4 PXI总线 7.5 网络化总线技术

2. 7.1 总线的概述 • 总线的定义和分类 • 1．总线的定义 总线是连接有若干设备并进行信号传送的一条信号线或一组信号线，或者说，总路线是实现将信号从一个源或多个源传送至一个目的地或多个目的地的一条或多条导线。 总线就是一种符合某些标准的通信连接线路及其接口的总称。“公用”和“标准”是总线的两大特点。

3. 2．总线的分类 常见的分类法及类型如下： • ·按其传送数据的方式分，可分为串行总线和并行总线； • ·按应用层次分，可分为片内总线、片间（板内）总线、内部（模板、机箱）总线、外部（设备互连）总线、现场总线及网络总线等； • ·按总线的作用域分，可分为全局总线和本地总线（Local Bus）； • ·按标准化程度分，可分为标准总线和非标准化（专用）总线； • ·按总线传送的信息种类分，可分为地址总线、数据总线、控制总线、电源总线、模拟信号总线及标准信号总线等。 • ·按用途分，可分为计算机总线、测控总线和外设总线

4. 1）内部总线和外部总线 • (1)片内总线 每片比较复杂的集成电路芯片内部都含有数万个元部件，这些元部件采用总线结构互连在一起，这一级的总线由于在芯片内被称为片内总线。 • (2)片间总线 片间总路线是指在模板上的各芯片之间的连接总线，用于芯片一级的互连。 • （3）内总线（模块总线） 内总线又称为模块总线，指模块式仪器机箱内的底板总线，用来实现系统机箱中各种功能模块之间的互连，并构成测控系统。 • （4）外总线 计算机与外围设备之间，计算机与控制设备之间，计算机与可程控仪器之间，计算机与机箱及功能组件之间，计算机与计算机之间的相互关系，从物理形体上看，它们属于不同的物理形体。

5. 2）并行总线与串行总线 • （1）并行传送方式在数据传输时，如果一个数据编码字符的所有各位都并排传输，同时发送，又同时被接收，则将这种传送方式称为并行传送方式。 • 2）串行传送方式在数据传输时，如果一个数据编码字符的各位不是同时发送，而是按一定顺序，一位接着一位在信道中被发送与接收，则称之为串行传送方式。

6. 总线标准与标准总线 • 1．总线标准 为了充分发挥总线的作用，每个总线标准都必须具有具体和明确的规范说明，通常包括如下几个方面的技术规范或特性。 • （1）机械特性 • （2）电气特性 • （3）功能特性 • （4）过程特性

7. 2．标准总线 • 1）标准总线的产生 标准总线的产生通常有以下两中途径： ① 某计算机制造厂家（或公司）在研制本公司的微机系统时所采用的一种总线，由于其性能优越，得到用户普遍接受，逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实上的总线标准。 ② 在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总线标准，公布后由厂家和用户使用。 • 2）采用标准总线的优点 ①具有开放性，简化系统设计；简化系统结构，提高系统可靠性； ②具有互换性，便于系统的扩展和更新；能得到多家厂商的支持，便于生产和维修，经济性好。

8. 测控总线 • 1．测控总线的类型 • 1）测控机箱底板总线（内总线） 测控机箱底板总线是指组成测控系统各种机箱的底板总线。 • 2）测控机箱与计算机互连总线（外总线） 测控机箱与计算机互连总线是指连接测控机箱（或机柜）和计算机的总线，这些测控机箱（或机柜）是独立于计算机的，互连总线的连接组成计算机控制的测控系统或测控网络。

9. （1）串行总线 串行总线通常是指按位串行传送数据的通路。 （2）并行总线 并行传输优于串行传输的主要特征在于它为CPU与外部设备之间的信息传输提供了类似于访问存储器的工作方式，通过并行输入/输出端口与外部设备进行信息交换，具有较高的速率和简单的协议。 • 3）现场总线 所谓现场总线，是指计算机网络与生产过程专用网络或工业控制网络，以及与生产现场基层的自动化设备之间传送信息的公共通路

10. 测控总线的发展趋势为： ①在机箱底板总线中，VXI总线Compact PCI和PXI总线代表着这类总线当前的水平，相应产品正在迅速发展之中； ②在互连总线中，低速系统中GPIB总线使用的时间很长了，MXI总线将作为VXI机箱与计算机的标准总线；串行总线，如USB总线、IEEE 1394总线等，在传输速率上取得了重要突破，且价格便宜，有可能逐步代替现有的其他并行或串行互连总线，并成为测量和仪器网络总线之一。 ③观场总线将进一步融合网络新技术，朝着开放统一的方向发展。

11. 2．测控总线的性能指标 • （1）总线宽度 总线宽度主要是指数据总线的宽度，以位（bit）为单位。 • （2）寻址能力 寻址能力主要是指地址总线的位数及所能直接寻址的存储器空间的大小。 • （3）总线频率 总线周期是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位。 • （4）数据传输率 总线的数据传输率（也称为总线带宽）是指在某种数据传输方式下，总线所能达到的数据传输速率，即每秒传送的字节数，单位为MB/s

12. （5）总线的定时协议 ①同步总线定时 ②异步总线定时 ③半同步总线定时 • （6）热插拔 测控总线的热插拔即允许带电拔插工作中的基于该测控总线的板卡，要求带电插拔板卡而不影响系统运行，以便维修故障板卡或重新配置系统。 • （7）即插即用 即插即用（Plug and Play，简称PnP）是指计算机系统所拥有的自动配置扩展板卡及其他设备的能力。 • （8）负载能力 负载能力是指总线上所有能挂接的器件个数。

13. 7.2 GPIB总线 • GPIB总线概述 • 1．GPIB总线的发展历程 GPIB（General Purpose Interface Bus）源于惠普公司于1965年提出的HP-IB总线 • 2．GPIB系统的连接方式 （1）级联方式 只需要一台计算机，计算机和测控设备及测控设备之间都通过GPIB标准电缆连接。 （2）组网连接方式 每台测试仪器各由一台计算机控制，所有的计算机组网，由一台主控计算机控制各采集计算机进行数据采集

14. GPIB总线的主要特征 • 1．总线型连接方式 测试系统内计算机和所有仪器均通过一组标准并行外总线相互连接，配有标准接口的仪器可以方便地接入系统，仪器数量的增减不影响其他仪器的连接。 • 2．总线构成 IEEE 488总线包括16条信号线，其中8条数据线，5条接口管理线和3条挂钩线。总线采用24脚插头座。 • 3．器件容量 包括计算机在内，系统内可连接的设备数目最多15个，这主要受目前TTL接口驱动器最大驱动电流的影响。

15. 4．地址容量 系统中每一个仪器都设置有一个地址，IEEE488规定采用5bit来编地址，得到25=32个地址。 • 5．数据传输方式 IEEE 488总线是一种异步双向型总线，按照位并行和字节串行方式传输数据，采用三线挂钩技术控制数据交换 • 6．传输距离 整个系统的连接电缆的最大长度为20m。 • 7．接口功能 仪器与接口系统之间的每一种交互作用称为一种接口功能

16. 8．工作方式 3种工作方式为： “听者”功能,“讲者”功能,“控者”方式。 • 9．通信的控制与管理 采用主从方式，由控者任命讲者与听者，由控者处理服务（中断）请求。 • 10．控制转移与听讲变换 系统中有一个系统控者，任何一段时间还要有一个责任控者。 • 11．GPIB的可扩展性 控者可以使设备处于远地方式或本地方式。

17. GPIB接口功能 • 1．讲功能（T功能） 讲功能是指通过接口总线向别的设备发送信息的功能。 • 2．听功能（L功能） 听功能是指通过总线接收其他设备送来的信息的功能。 • 3．控功能（C功能） 控功能是指管理系统通信的功能。 • 4．源握手功能（SH功能） 源握手功能实质是一种配合控者功能和讲者功能同步地完成发送接口信息和设备信息的功能。 • 5．听者握手功能（AH功能） 听者握手功能是一种配合听者功能可靠地接收设备信息和接口信息的功能。

18. 6．服务请求功能（SR功能） 该功能使设备能在出现溢出、过载、超量程、精度低、失锁、错码等情况时及时地向控者发出服务请求。 • 7．并行查询功能（PP功能） 当控者接到服务请求后，就要对诸设备逐个查询，以便确定是哪一台设备提出了服务请求，此操作过程称为串行查询。 • 8．远控/本地功能（R/L功能） 当设备的工作受设备自身面板上的开关、旋钮等控制时称为“本地控制”，而通过总线受控于系统控者时，则称为“远地控制”。 • 9．设备清除功能（DC功能） 本功能使设备在接收到控者发来的清除命令后，返回到预定的初始状态。 10．设备触发功能（DT功能）

19. GPIB接口总线组成 • 1．GPIB系统构成

20. 2．GPIB接口信号 按GPIB信号线的作用可分为三组。 • （1）8根双向数据输入/输出总线 输入/输出总线（DIO1~DIO8）用于进行双向、异步、互锁地传输地址信息和数据（8位）、命令（7位）。 • （2）3根通信联络线 通信联络线用做通信双方数据传输过程中的应答信号线，它们分别是“数据有效DAV”，“未准备好接收数据NRFD”以及“数据未接收完毕NDAC”。 • （3）5根接口管理线 5根接口管理线分别是“注意线ATN”，“接口清除线IFC”，“远控线REN”，“服务请求线SRQ”，“结束或识别线EOI”

21. GPIB总线表

22. 三线通信联络过程 三线通信联络（亦称握手）实际上就是利用DAV、NRFD、NDAC三根线的通信联络操作来保证信息在总线上准确可靠地传递。

23. Labview中的GPIB子VI • GPIB子模板 GPIB子模板的调用路径是Functions>>Instrument I/O>>GPIB，如图

24. GPIB子VI应用举例 • 【例7-1】GPIB Write子VI调用。 对指定的GPIB设备进行写操作，需要调用GPIB Write子VI，如图所示。 在上面的程序中，GPIB Write子VI把“MEAS:VOLT:AC?”命令字符串（测量交流电压的程控仪器标准命令，SCPI）写入地址 = 2的GPIB设备中，其他参数采用默认值mode=0，timeout ms=25000。

25. 【例7-2】 GPIB Read子VI调用。 对指定的GPIB设备进行读操作，需要调用GPIB Read子VI，如图所示。 在上面的程序中，GPIB Read子VI从地址 = 2的GPIB设备中读取20个字节的数据，其他参数采用默认值mode=0，timeout ms=25000。本例中，如果读够了20个字节，或检测到EOI，或者超出25000ms时间，读取过程将结束。

26. VXI总线 • VXI总线概述 1．VXI总线产生的技术背景 （1）技术发展的需要 ①个人仪器的发展，要求对仪器模块及其连接进行标准化 ②对测控仪器模块及测控系统在小型化、便携性和连接可靠等方面的要求提高 ③对测控速度要求的不断提高 （2）基于VME总线技术 VME总线是构成VXI总线的基础，它是一种主要用于微型计算机和数字系统的总线标准，被IEEE和IEC分别定为IEEE 1014标准和IEC821标准，在工业上已获得了广泛的应用。

27. 2．VXI总线技术的发展概况 VXI总线标准的发展史

28. VXI总线的结构 • 1．VXI总线的物理结构 从物理结构看，一个VXI总线系统由一个能为嵌入模块提供安装环境与背板连接的主机箱组成

29. 2．VXI总线的电气结构 VXI总线的电气结构如图

30. VXI总线按逻辑功能可把VXI总线分为8组总线，如表所示。其中全局总线是可访问的，所有VXI总线模块共享全局总线；单一总线以一对一方式从0槽到其他模块；专用总线为相邻模块的局部总线（本地总线）。VXI总线按逻辑功能可把VXI总线分为8组总线，如表所示。其中全局总线是可访问的，所有VXI总线模块共享全局总线；单一总线以一对一方式从0槽到其他模块；专用总线为相邻模块的局部总线（本地总线）。

31. （1）VME总线 VME计算机总线即IEEE-STD-1014标准和ICE821标准。VME计算机总线由数据传输总线、仲裁总线、优先级中断总线和公用总线4组总线组成。 • （2）触发线 触发线分为TTL和ECL触发线： TTL触发线是用于模块间通信的、集电极开路的TTL信号线。 两条ECL线是用做模块间的定时源的。 • （3）模块识别总线 模块识别总线MODID线用于识别逻辑设备物理位置或槽号。

32. （4）模拟相加总线 模块相加总线是VXI总线系统背板上的一条模拟相加结点。 • （5）局部总线 局部总线是用于VXI总线系统的两个相邻模块通信的总线。 • 3．电磁兼容和噪声 作为最基本的电磁兼容性要求，在VXI总线系统中加入一个新的模块不得影响其他模块的性能。 VXI总线也包括了对传导辐射及其敏感度要求的描述与限制，以防止电源噪声影响模块性能。

33. VXI总线系统控制方案 • 1．0槽与资源管理器 VXI机箱最左边的插槽包括背板时钟、配置信号、同步与触发信号等系统资源，因此，只能在该槽中插入具有VXI“0槽”功能的设备——0槽模块。 • 2．控制方案 • （1）GPIB控制方案 • （2）嵌入式控制方案 • （3）MXI控制方案 • （4）IEEE1394配置方案

34. 3．VXI总线器件的分类 3．VXI总线器件的分类

35. （1）寄存器基器件 典型的以寄存器为主的器件是一种不带内含智能的单片模块，它能对底板进行寄存器读和写。这些模块诸如：开关、数字I/O插件、单片的ADC（模-数转换器）和DAC（数-模转换器）。 • （2）消息基器件 消息基器件不仅有配置寄存器而且还有通信寄存器，它们通常是带有内含微处理器的智能器件，能够接收和执行ASCII指令。所有的消息基VXI总线器件，都必须能用VXI字串协议通过通信寄存器进行通信。

36. 4．字符串协议 VXI Bus字符串协议的功能非常像IEEE 488协议，同一时刻在器件之间一位（One bit）一位或一个字（One word）一个字地传递数据信息。这样，VXI消息基器件之间实际上在按照与IEEE 488仪器非常类似的方式进行通信。 VXI总线定义了三种形式的串行协议：字串行通信协议（16位）、长字串行通信协议（32位）和扩展长字串行通信协议（48位）。

37. 5．VXI总线通信层次和命令者/从者层次

38. VXI Bus定义了一个命令者/从者通信协议（Commander/Servant Hierarchies），便于用户利用VXI器件分层的概念建立一种分层体制，相互通信的器件双方一个为命令者，另一个为从者。 • 6．中断与异步事件 通过硬件中断或者直接向其命令者的硬件信号寄存器写特定信息，从者可以把异步状态和事件通知其命令者。无总线主控器的器件总是通过中断发送这些信息，而有总线主控器能力的器件既可以用中断方式，也可以用发送信号的方式与其命令者通信。

39. Labview中的VXI子VI • 1．VXI子模板 VXI总线子模板包含了高低层VXI总线读写，字串口操作、中断操作、总线扩展等功能模块，其调用途径是Functions→ALL Functions→Instrument I/O→VXI，如图

40. 2．对指定消息基VXI设备读写子VI介绍 • （1）WSrd.vi的介绍： • （2）WSwrt.vi的介绍：

41. 3．VXI子VI应用举例 【例7-4】向指定的消息基VXI设备写入数据，并返回状态。 程序示例如图所示：

42. 该程序实现了与消息基VXI的通信，首先指定消息基VXI设备的逻辑地址，然后发送缓冲器内的数据，返回设备的响应。

43. 7.4 PXI总线 • PXI总线概述 PXI（PCI eXtensions for Instumentation. PCI面向仪器的扩展）是一种新的模块化仪器平台，PXI系统能够提供高性能的测量，可以充分享受开放式工业标准化PC技术所带来的低成本、简便易用、灵活及高性能等优点。PXI的核心技术是CompactPCI工业计算机体系结构、Microsoft Windows软件及VXI总线的定时和触发功能

44. PXI总线规范

45. PXI的机械结构 1．PXI系统结构和机械结构

46. PXI的机械结构与VXI相似，PXI规范定义了一个包括电源系统、冷却系统和安插模块槽位的一个标准机箱。PXI在机械结构方面与CPCI的要求基本上相同，采用Eurocard规范。PXI支持两种类型尺寸的模块：3U和6U。PXI的机械结构与VXI相似，PXI规范定义了一个包括电源系统、冷却系统和安插模块槽位的一个标准机箱。PXI在机械结构方面与CPCI的要求基本上相同，采用Eurocard规范。PXI支持两种类型尺寸的模块：3U和6U。 • ·3U尺寸的模块有两个连接器，J1用来连接32位的PCI信号，J2用来连接64位的PCI信号和PXI的新增信号。 • ·6U尺寸的模块有5个连接器，除了J1和J2以外，J3、J4、J5的信号引脚用于将来的PXI扩展。

47. 2．与CompactPCI共享的PXI机械特性 PX总线提供了两条与CompactPCI标准兼容的途径。 ①高性能IEC连接器 ②Eurocard机械封装与模块尺寸

48. 3．新增电气封装规范 • （1）系统槽定位 PXI定义系统槽位于总线段的左端，这种定义是CPCI规范中允许配置的一种。 • （2）新增机械特性 所有在PICMG 2.0 R2.1（CPCI规范）中定义的机械规范都适用于PXI系统，但是PXI包含了以下要求以简化系统的集成： ·PXI规定模块所需求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动； ·PXI规范建议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动和冲击试验； ·PXI规范还规定了所有模块的工作温度和存储温度范围。

49. （3）与Compact PCI的互操作性 PXI的重要特性之一是维护了与标准CPCI产品的互操作性，PXI与CPCI的互操作性如图

50. PXI的电气结构 PXI总线的电气特性