测控总线技术第九章.ppt

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1、第9章 VXI总线,第十二讲,1、概述 2、VXI模块与主机箱 3、信号线,历史的回顾,VXIbus是VMEbus在仪器领域的扩展（VMEbus eXtensions for Instrumentation），是计算机操纵的模块化自动仪器系统。 VXIbus的演变 1979年，Motorola公布了一个面向68000微处理器的所谓VERSAbus。与此同时，诞生了一种被称为 “Eurocard” （IEC297-3）的印刷电路板标准。 1981年10月，Motorola, Mostek和Signetics宣布他们共同支持基于VERSAbus和Eurocard模块尺寸的系列板卡，这就是著名的VM

2、Ebus。1987年，VMEbus被IEEE正式接受为万用背板总线（Versatile Backplane Bus）标准VMEbus（ANSI/IEEE 1014-1987）。,VXI总线,VXIbus是VME总线在仪器领域的扩展(VMEbus eXtension for Instrumentation)。 1987年4月，美国Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal、Dana Instruments、 Tektronix和Wavetek等五家著名仪器公司求同存异，组成VXI总线联合体（VXIbus Consortium Inc.），提出 VXIb

3、us Rev.1.3规范文件。,1992年9月17日美国IEEE-P1155采纳VXIbus Rev.1.4作为IEEE工业用标准的基本文件。,VXIbus标准发展史,VXIbus规范的目标,VXIbus联合体制订VXI总线规范的目标是定义一系列对所有厂商开放的、与现有工业标准兼容的、基于VME总线的模块化仪器标准,其要点可概括为：, 使设备之间以明确的方式通信； 使VXI系统比标准的机架堆叠式系统具有更小的物理尺寸； 使用专门的通信协议和更宽的数据通道为测试系统提供更高的系统吞吐率； 提供可用于军事模块化仪器（Instrument on a Card）系统的测试设备； 通过使用虚拟仪器原理方

4、便地扩展测试系统的功能； 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； 在该规范内定义实现多模块仪器系统的方法。,VXIbus标准体系,国际上现有两个VXIbus组织 : VXIbus联合体 :主要负责VXIbus硬件（即仪器级）标准规范的制订； VPP系统联盟 :宗旨是通过制订一系列的VXIbus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。 1993年9月22日成立VXI即插即用系统联盟(VXI Plug VXI模块（插件）; 计算机及显示器等三部分组成。,图,二、VXI 模块 VXI总线测试系统的最小物理单元是组件模块(Assembly Module)。如图

5、所示，它由带电子元件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。模块有A、B、C、D四种规格。,VXI,VXIbus规范除电气与机械标准外，还包括包装、电磁兼容性、电源分布、VXI主机箱和嵌入模块的冷却方法与气流要求等。所有模块装入VXI主机箱的插槽，而通过模块前面板提供开关、LED指示、测试点与I/O连接等。,模块有A、B、C、D四种规格,三、VXI主机箱 组件模块的机械载体是主机箱(Mainframe)。与模块尺寸类型相适应，主机箱也有A、B、C、D四种尺寸可选择。 模块互连载体是主机箱的背板(Backplake)，背板与模块之间通过总线连接器衔接：三个96芯的连接器J1、J2、J3，模块

6、上的连接器对应为P1、P2、P3。 VXI规定，一个主机箱最多有13个(012号)槽位，其中0号槽比较特殊，位于机箱的最左边或最底部。 VXI主机箱还为系统提供适合仪器工作要求的公用电源、冷却和电磁屏蔽环境条件。,主机箱,图3-3,第二节 VXI总线信号线,一、 VXI总线的组成 VXI总线是模块间信号的载体。在VME总线基础上扩展了一些适应仪器特殊要求的信号线后形成的，其组成如图所示。从功能上看，VXI总线定义的信号可分为以下几类： * VME计算机总线 *仪器要求的信号线,VME计算机总线 时钟和同步总线 模块识别总线 触发总线 模拟加法总线 局部总线 星形总线 电源总线,二、VME计算机

7、总线 1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。 2DTB仲裁总线 VME总线支持多处理器的分布式系统。仲裁总线用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。 3优先中断总线 供VME总线系统的中断器（Interrupter）和中断处理器（Interrupt Handler）之间进行中断请求和中断认可使用。 4公用总线 为系统提供时钟、系统初始化及故障检测等功能。,数据传输总线（DTB）,数据传输总线用于在CPU板上的主模块(MASTER)与存储器板和输入输出板上的从模块(SLAVE)之间传送数据、地

8、址及有关的控制信号，由主模块起动并控制DTB的数据传送周期。,数据传输总线分为三类信号线： 寻址线 数据线 控制线 A01：A23：(地址) D00D15 AS (地址选通) AM0AM5 (地址修改) DS0(数据选通0) DS0 (数据选通0) DS1 (数据选通1) DS1 (数据选通1) BERR(总线错误) LWORD(长字) DTACK(数据传送认可) WRITE(读写),2DTB仲裁总线,VME标准支持多处理器的分布式微型计算机系统，即多块CPU板同时存在于一个VME系统中，并共享系统中的软硬件资源。当多个主模板申请DTB的使用权时，由VME的仲裁系统对这些申请进行协调。 仲裁总

9、线包括： BCLR（总线清除） BGnIN（总线允许输入n） BBSY（总线忙） BGnOUT（总线允许输出n） BRn（总线请求n）。 其中 n=0，1，2，3。,VME标准规定了3种仲裁算法： 优先权仲裁法 循环仲裁法 单级仲裁法,3优先中断总线,优先中断总线供VME系统中的中断模块和中断控制模块间进行中断请求和中断认可操作用。 VME支持两种中断子系统，即具有一个中断控制模块的单控制器系统和具有多个中断控制模块的分布式系统。 优先中断总线包括： IRQ1IRQ7 ； IACK(中断确认)； IACKIN1ACKOUT(中断认可菊花链)。 中断请求线具有不同的优先级，IRQ7最高，IRQ1

10、最低。,4公用总线,实用总线为VME系统提供系统时钟以及对系统进行初始化和故障诊断等功能。 实用总线包括： SYSCLK(系统时钟)；16MHz，系统操作的时间基准 ACFAIL (交流故障)； SERCLK(序列时钟)； SYSRESET(系统复位)； SERDAT(序列数据)； SYSFAIL(系统故障)等。,还有电源线，地线GND，保留线。,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： * MODID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

11、： CLK10是10MHz系统时钟。 CLK100： CLK100是100MHz系统时钟。 SYN100： SYNC100为同步信号线，用来使多个器件与给定的CLK100的上升沿同步。,三、VXI增加的信号线（8个子总线）,*仪器触发线 ：TTL、ECL。 *星形总线： STARX和STARY。 *模拟相加线 ： 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，-5V、2V和-2V,零槽和资源控制器,VXI机箱最左边的插槽包括有诸如背板时钟（

12、Backplane clock）、配置信号(configuration signals)、同步与触发信号(synchronization and trigger signals)等系统资源，因而只能在该槽中插入具有VXI“0槽”功能的设备即所谓的0槽模块，通常简称为0槽。 VXI资源管理器（RM）实际上是一个软件模块，它可以装在VXI模块或者外部计算机上。RM与0槽模块一起进行系统中每个模块的识别、逻辑地址的分配、内存配置、并用字符串协议建立命令者/从者之间的层次体制。,零槽模块主要为它所在的子系统中1槽12槽提供公共系统资源，保证每个主机箱能实现其基本功能。如;CLK10,MODID,CLK

13、100等 零槽资源控制器：能满足所有选用的仪器模块的各项要求，它包括VME总线资源管理器和VME总线系统控制器。 插在零槽中的模块可以具有其他功能：GPIB接口，IEEE1394接口，MXI接口等。,第十三讲,VXI器件 VXI系统的通信协议,第三节 VXI器件,一、VXI器件组成与分类 1器件模型 VXI模块功能和电路千差万别，但从VXI系统组建和管理角度看，它们都是VXI系统最基本和最低层的逻辑单元，通称VXI器件(Device)。 组成VXI系统的基本逻辑单元称为器件。一般来说，一个器件占据一个VXI总线插件，但也允许在一个插件上实现多个器件或者一个器件占据多个插件。计算机、数字多用表、

14、多路开关、信号发生器、人机接口和计数器等都可作为器件存在于VXI总线系统中。,下图描述了一个VXI器件的功能和逻辑组成，该模型和器件所支持的通信协议相联系，大致包括四个层次: 连接层:由物理层协议规定的连接器和总线接收/发送器，以保证器件与主机箱背板在机械和电气上相容； 数据传输层:实现包括原VMEbus规范在内的VXI总线定义的信号线及相应的接口功能； 器件操作区:用来支持系统的组态、通信和操作控制，它由VXI总线规范定义的一组标准组态/操作寄存器实现； 器件特定测试功能区:完全由器件设计者定义，但可能支持IEEE488.2和SCPI规范。,VXI总线器件的模型,2器件分类 器件之间的基本操

15、作是信息传输。根据通信能力，VXI总线器件分为四类。 寄存器器件:仅具有只支持寄存器直接读/写协议最基本能力;一般只配置VMEbus的从模块功能。 如简单的开关、数字I/O卡、A/D转换器等。,存储器器件:是包含一定的存储器器件特征的、类似寄存器器件的VXI总线器件。ROM,RAM 消息型器件:是具有较高级通信能力的器件，这类器件设置了一组可以由其它模块访问的“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）与系统中的其它器件进行通信。 包含CPU并能理解ASCII命令的智能器件：如数字万用表、频谱分析仪、显示控制器、IEEE488-VXI总线等。,图9-20 VXI总

16、线器件分类,扩展器件:是专用的VXI总线器件，它具有配置寄存器供系统识别。这类器件允许将来定义更新种类的器件，以支持更高级的兼容性。 还有： 混合器件和非VXI总线器件。,二、 配置寄存器 VXI总线器件的寄存器分为两大部分： 配置(组态)寄存器和操作寄存器，地址分配如图所示。 其中，“器件类别相关的寄存器”随器件类型而异。 “器件相关的寄存器”完全由器件设计者定义。 配置寄存器: 共定义了六个配置寄存器，这些寄存器都是16位的，所有VXI总线器件都必须配备，其功能定义如图所示。,第三节 VXI器件,器件寄存器地址分配图,操作,组态,器件配置寄存器功能定义图,第三节 VXI器件,三、 器件类别

17、相关的寄存器 器件类别相关的寄存器随器件类型不同定义不同，下面分述如下： 寄存器器件:VXI规范没有对所有寄存器器件定义与器件类别相关的寄存器。 消息型器件:定义了一组标准通信寄存器，以支持VXI总线系统较高级的通信协议。其中，协议寄存器、响应寄存器和数据低寄存器是所有消息型器件必备的。 存储器器件：定义了一个特征寄存器，是只读寄存器，用来存放存储器器件的一些重要特征。 扩展器件：定义为“子类和子类相关寄存器”，以便适应新一类的VXI总线器件。,第三节 VXI器件,四、VXI器件的初始化和终止操作 1、上电初始化 1）在开机瞬间，SYSRESET线被置为有效电平，迫使系统中各器件处于复位状态。

18、 2）当SYSRESET位被释放，器件开始自检。自检使器件和VXI总线的通信能力得到初始化。 3）如果器件自检没通过。继续置SYSRESET有效，点亮“故障灯”。4.9s后，这些条件表示自检失败。 4）若成功自检，释放SYSRESET。准备好于VXI总线通信。 5）需要进一步初始化的器件。继续等待命令。 6）清除自检失败的器件 7）当“复位”位被清除时，器件开始另一个自检过程。 2、配置寄存器初始化 在SYSRESET被释放的4.9s内进行。,终止操作： 1）硬复位 2）软复位 3）VXI总线命令 4）与器件相关的终止,第四节 VXI系统的通信协议,一、 通信层次划分 VXI总线系统的通信协议

19、分若干层次，由器件的不同硬件和软件提供支持，如图所示。 VMEbus的读/写/中断周期等操作:VXI总线系统最低层的通信协议。 中断通信协议:指从者具有请求中断周期，向其命令者传送状态/识别字（STATUS/ID），表明它出于何原因请求中断的一种能力； 字串行协议:受通信寄存器支持的，消息型器件必须执行的，命令者/从者器件间通信应该恪守的标准通信规程。 共享存储器协议：允许两个非命令者/从者关系的、在同一种水平上的器件通过存储器块进行双向通信 。 VXI仪器通信协议：器件执行某些公共的测试操作命令。,第四节 VXI系统的通信协议,VXI 总 线 系 统 的 通 信 层 次,VXI总线中参与通信

20、的单元包括: 基于寄存器的从者; 基于消息的从者; 基于消息的命令者。,基于寄存器的从者,基于寄存器的从者是指基于寄存器的器件的通信单元。 这类器件的通信协议在VXI标准中没有定义，即基于寄存器的从者不支持VXI总线的任何通信协议。控制基于寄存器的器件的协议完全取决于器件。这类器件的设计者可随意规定寄存器间的配合和正常操作所需的控制协议。,基于消息的从者,基于消息的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它器件。,基于消息的命令者,基于消息的命令者是基于消息的器件对其它器件进行控制的接口。 基于消息的从者和命令者都使用VXI总线基于消息的器件协议进行通信。,命令者与从者之

21、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。 最简单的通信是使用数据寄存器和响应寄存器，以字串行方式传送数据。 所有基于消息的器件都能执行这种协议，是为基于消息的器件定义的最基本的通信方式，在硬件和软件的实现上也很简单，而且还能为完成系统任务提供所需要的通信能力。,通信方式,字串行协议：最简单、最基本 共享存储器协议：复杂通信协议 高速数据通道FDC,二、字串行通信协议 1. 传送控制方式 字串行通信协议:是指命令者将命令/数据以串行方式向从者的某一固定寄存器单元(如数据寄存器)进行传送的通信控制协议，用于消息型命令者与消息型从者之间传输VXI字串行控制命令或数据。该协议

22、推荐了两种传送控制方式： *正常传送方式（NTM）:是一种软件查询非定时异步传送方式，数据传送进程由响应寄存器的有关位进行控制。 *快速挂钩方式（FHS）:是用从者的DTACK*和BERR*信号线状态强制定时的同步字串行序列传送。,2.字/长字/扩展长字串行传送 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。 3字节传送协议 字节传送协议是命令者和从者之间传输8位数据，借助“字节有效”和“字节请求”两个字串行命令完成。DIR和DOR,4消息型器件可响应的字串行命令 为了统一消息型器件在VXI总线系统运行中的行为规范，定义了29条不同能力消息型器件应

23、选择响应的字串行命令。 组态命令 (6): 正常操作命令 (7): 状态无关命令 (16) :,VXI总线规范在比系统结构更高的别级上，定义了反映测试仪器特征的VXI仪器设计规则，这就是VXI仪器协议。 所谓VXI仪器:就是指支持字串行通信协议，执行 “正常操作命令”，接受VXI总线接口器件（如IEEE488-VXI接口）控制的消息型器件。 VXI仪器协议的传输如图所示。,三、 VXI仪器的基本操作协议,第四节 VXI系统的通信协议,VXI总线仪器协议,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件

24、,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI接口器件,VXI仪器 可选的命令： Trigger Read STB Set Lock Clear Lock,VXI仪器 要求的命令： Byte Request Byte Available Clear,VXI仪器 可选的信号： request true request false,VXI仪器,第四节 VXI系统的通信

25、协议,1命令者到仪器的数据字节传送: 利用“字节有效”命令，按字节传送协议。 2仪器到命令者的数据字节传送: 命令者传送“字节请求”字串命令给仪器。 3清除VXI总线仪器:清除输入/输出序列缓冲器。 4触发VXI总线仪器: 5. 本地封锁: 6. 服务请求操作:支持“请求真(rt)”和“请求假(rf)” 7. 串行查询操作SPOLL:可选择执行“读STB”命令。,VXI测试系统 VXI快速数据通道（FDC） VXI模块的总线接口设计,第十四讲,第五节 VXI测试系统,一、 VXI系统共用资源 VXI总线规范规定，系统共用资源器件用于总线系统资源管理: 第一是0号槽服务器件: 它在物理连接层向系

26、统提供共用资源； 第二称为资源管理器: 它提供系统的逻辑组态和管理服务。,第五节 VXI测试系统,10号槽服务器件 0号槽器件向VXI总线系统的112号槽提供共用资源，其逻辑组成和主要功能可归纳为以下几点： 系统时钟功能模块。提供SYSCLK(16MHZ)、 CLK10、CLK100和SYN100时钟和同步信号； STARX和STARY星形触发线程控组合矩阵； 系统复位等管理模块。SYSRESET*、ACFAIL* 和SYSFAIL*信号； 模块识别功能模块。驱动和接收 MODID00 MODID12线。,第五节 VXI测试系统,2资源管理器 是提供总线系统组态和管理服务的VXI器件。一个资源

27、管理器必须是具有命令者能力的消息型器件，其逻辑地址为0 ，通常也提供0号槽服务。资源管理器按其组态能力可分为静态(SC-Static Configuration)资源管理器和动态(DC-Dynamic Configuration)资源管理器。 SC资源管理器为系统提供6种组态服务功能，通常在系统上电时执行: (1) 识别系统中所有的VXI总线器件 (2) 管理系统自测试和诊断序列 (3) 配置系统的A24和A32地址空间,第五节 VXI测试系统,(4) 配置系统的命令者/从者层级 (5) 分配VME总线的IRQ线 (6) 启动正常系统操作,推荐了几种典型的用户测试系统的构成形式。,二、VXI

28、系统的典型结构,典型的VXI总线测试系统结构,第五节 VXI测试系统,三、 VXI系统的控制计算机及接口 需要测试控制计算机来运行用户测试应用程序、控制系统的总线操作、测试操作和数据处理。测试控制计算机可分为内嵌式和外接式两种。 1. 内嵌式测试控制计算机 内嵌式测控计算机是按VXI总线规范设计的计算机模块，插入主机箱的个槽位的空间。对内嵌式测控控制器(计算机)的要求是： (1)与VME总线和高性能的VXI仪器总线相容； (2)支持VME周期操作和VXI总线字串行通信协议； (3)具有号槽服务和VXI总线系统资源管理能力； (4)还需提供通用计算机的能力。,第五节 VXI测试系统,2外接测试控

29、制计算机接口 外接一台通用计算机作为VXI系统的测试控制控制计算机是多数用户的选择。但通用计算机不能直接和VXI系统总线相连，因此必须设计专用的接口转换模块，如图所示。通过设计这样的接口转换模块，计算机原则上可以使用任何通信或仪器总线实现与VXI总线的信息交换，如GPIB、RS232、USB、IEEE1394、LAN等。在目前VXI测试系统应用中，广泛采用的外计算机接口有以下几种： GPIB-VXI接口 , VXI-MXI接口 , 1394-VXI接口,第五节 VXI测试系统,外接测试控制计算机与VXI系统的连接,第六节 VXI快速数据通道（FDC）,一、FDC的作用 二、FDC存储器的定义

30、三、FDC存储器的管理 四、FDC数据传输过程,第七节 VXI模块的总线接口设计,其它模块式仪器总线,第十五讲,第八节 其它模块式仪器总线,模块式仪器总线还有很多，CAMAC，“个人仪器”总线（AT/PCI/CPCI ）等。近年影响重大，数PXI总线， PXI（PCI eXtension for Instrumentation）是PCI在仪器领域的扩展。它由PXI系统联盟在1997年制定，将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。PXI的目的是将通用PC的性价比优势应用到模块式仪器领域，形成一种高性价比的虚拟仪器测试平台。 P

31、XI的优势在于：模块体积更小，数据传输速率更高（总线最大带宽为132Mb/s），受惠PC市场价格更低。但PXI在电磁兼容性（EMC）、单机箱插槽数量、电源品种、电源功率、冷却能力等方面均不敌VXI总线。,第八节 其它模块式仪器总线,一、PXI规范的体系结构 PXI总线规范涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范，如图所示。,第八节 其它模块式仪器总线,图3-29,1. 机械规范及特性 PXI和CompactPCI模块的结构形状,针孔连接器完全相同，兼容性使二者保持了较好的互操作性 。 PXI新增加：J2连接器定义64位PCI总线和PXI新增加的信号，环境测试和主动冷却要求，“系统槽”

32、必须位于最左端 。,第八节 其它模块式仪器总线,模块的结构形状,针孔连接器,第八节 其它模块式仪器总线,2. 电气规范及特性 PXI电气性能,第八节 其它模块式仪器总线,如 表 所示，与VXI总线系统相比，PXI增加的系统参考时钟、触发线和星形线全部都是TTL逻辑电平。PXI没有提供ECL电源。 表 PXI与VXI面向仪器领域的扩展性能的比较 参考时钟 触发线 星形线 局部 模块 模拟和 电源 连接器 总线 识别 VXI 10MHz ECL8 ECL ECL12 有 有 5V,2V DIN41612 ECL100M TTL6 +12V,+24V PXI 10MHz TTL8 TTL TTL13

33、 无 无 5V, 12V IEC- 1076 +3.3V,第八节 其它模块式仪器总线,多机箱测试系统,第八节 其它模块式仪器总线,3. 软件规范 PXI将Micorsoft Windows NT和 Microsoft Windows 95定义为其标准软件框架，并要求所有仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序，使PXI成为一种系统级规范，保证系统易于集成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费用。,第八节 其它模块式仪器总线,PXI单机箱测试系统,二、PXI测试系统,第八节 其它模块式仪器总线,PXI多机箱测试系统,第八节 其它模块式仪器总线,PXI多机箱测试系统外控制器,第八节 其它模块式仪器总线,PXI混合测试系统,