VXI虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)分析

1、VXI虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)分析1、引言虛擬儀器是以一種全新的理念來設(shè)計(jì)和發(fā)展的儀器。和傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器本質(zhì)上是一個(gè)開放式的結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作數(shù)據(jù)采集，通過GPIB或VXI總線，由通用計(jì)算機(jī)、DSP或其他CPU來作相應(yīng)的信號(hào)處理、存儲(chǔ)與顯示，就可能提供各種儀器的功能。由于微機(jī)或工作站的開放式結(jié)構(gòu)，虛擬儀器的功能完全是由用戶定義的，并且，隨著計(jì)算機(jī)功能的加強(qiáng)，虛擬儀器的處理功能日益優(yōu)于傳統(tǒng)的儀器。虛擬儀器的概念不僅適用于VXI系統(tǒng)，但VXI系統(tǒng)為虛擬儀器概念的實(shí)現(xiàn)提供了理想的環(huán)境。VXI bus標(biāo)準(zhǔn)和VPP規(guī)范的建立，使高密度、高效率、高速度、高度開放性、高可靠性和高度規(guī)范化的模塊化儀器走上

2、了標(biāo)準(zhǔn)化的道路，為自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，從而得到了積極的響應(yīng)、迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。2、VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專用接口。通用模塊包括：（1）信號(hào)調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；（2）信號(hào)輸出與控制；（3）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這三部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成一臺(tái)示波器、一臺(tái)數(shù)字化儀或一臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成一臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、一臺(tái)信號(hào)源或一臺(tái)控制器。專用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包

3、括一些現(xiàn)場(chǎng)總線接口和各類傳感器接口。基于VXI總線的虛擬儀器將多種技術(shù)結(jié)合起來，諸如高速ADC應(yīng)用技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化的觸發(fā)協(xié)議、共用存儲(chǔ)器協(xié)議、局部總線通路等。高速A/D變換器是確保信號(hào)采集精度和帶寬的根本。隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，ADC位數(shù)和速度不斷提高，程控儀器放大器不斷完善，數(shù)據(jù)傳輸能力不斷提高，為建立靈活、高性能信號(hào)拾取奠定了基礎(chǔ)；嚴(yán)格控制模塊的觸發(fā)和同步協(xié)議是保持虛擬儀器高性能的關(guān)鍵。 VXI具有8根TTL觸發(fā)線和2根ECL觸發(fā)線用于模塊的交叉同步，系統(tǒng)時(shí)鐘可分配到VXI的每一個(gè)模塊上，以確保模塊間的定時(shí)精度；局部總線（Local Bus）通路作為相鄰模塊間專用通信路經(jīng)，

4、支持更高數(shù)據(jù)傳輸速度。在實(shí)現(xiàn)VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是模塊的設(shè)計(jì)和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)。2.1VXI儀器模塊的設(shè)計(jì)原則VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有四種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要作出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。它的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測(cè)試系統(tǒng)吞吐量大大

5、提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號(hào)/輸出部分的模塊（如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出卡、模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡信號(hào)調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，它在高層次上用ASCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立HP-IB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進(jìn)行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號(hào)處理部分的模塊。2.2高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理在虛擬儀器中數(shù)字信號(hào)處理（DSP）十分重要，它可使出測(cè)量的重復(fù)性和穩(wěn)定性提高，它的計(jì)算能力可使虛擬儀器以算法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)多種

6、功能，并人吏其測(cè)量精度和速度僅受信號(hào)調(diào)理的影響。同時(shí)，DSP構(gòu)成時(shí)域測(cè)量與頻域測(cè)量的橋梁，可方便地實(shí)現(xiàn)時(shí)-頻特性的變換。但是，隨著信號(hào)分析帶寬的增長(zhǎng)、精度要求的提高，DSP處理瓶頸問題成為VXI虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題。一種有效的辦法是采用多DSP并行處理。在VXI虛擬儀器系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)多DSP并行處理，以及多DSP并行處理算法是研究的熱點(diǎn)之一。2.3VXI儀器接口設(shè)計(jì)VME總線將器件的接口總線功能分為主模塊功能、從模塊功能、總線請(qǐng)求模塊功能、總線促裁模塊功能、中斷管理模塊功能、中斷模塊功能、IACK菊花鏈驅(qū)動(dòng)模塊功能以及實(shí)用總線的一系列模塊功能，VXI儀器與控制模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)什么樣的接口功能，取決

7、于該模塊采用的器件類型和對(duì)VXI總線資源的要求。在VXI總線中以一種等級(jí)管理方式管理VXI系統(tǒng)，引入了命令者和從者的概念。命令者模塊可設(shè)置從者區(qū)域，指定一些寄存器基器件作為它的從者。當(dāng)向命令者發(fā)送高級(jí)ASCII命令，命令者對(duì)這些命令作出解釋，然后將必要的二進(jìn)制信息發(fā)送給寄存器基受令者。因此，命令者具有主模塊功能，并應(yīng)支持信號(hào)產(chǎn)生能力、響應(yīng)產(chǎn)生能力、事件產(chǎn)生能力、27個(gè)VXI字串行命令等協(xié)議的執(zhí)行。如果命令者是0#槽控制器，還須支持兩個(gè)對(duì)MODID線操作的命令，同時(shí)，應(yīng)具有資源管理功能：完成VXI系統(tǒng)中所有器件的識(shí)別、VXI系統(tǒng)自檢和診斷、VXI系統(tǒng)A24和A32地址空間分配、VX系統(tǒng)等級(jí)管理以

8、及啟動(dòng)正常系統(tǒng)操作等功能。消息基器件需實(shí)現(xiàn)支持字串行協(xié)議。實(shí)現(xiàn)支持字串行協(xié)議有兩種方法，第一種方法是使用專用I/O電路，用硬件對(duì)字串行命令譯碼。由于字串行已標(biāo)準(zhǔn)化，故對(duì)I/O接口有可能利用專用硬件電路獲得更好的性能。第二種方法是把CPU（或DSP）引人接口，使用軟件命令譯碼。用軟件對(duì)字串行命令譯碼時(shí)，微處理器的地址線和數(shù)據(jù)線與儀器電路、VME總線相連。在這種方式中，用戶可以利用這些連線靈活地使用VME中已有的各種通訊方法。這種方式靈活簡(jiǎn)便的特性使它成為最常用的方法。3、VXI虛擬儀器的軟件平臺(tái)軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用PC機(jī)、工作站的

9、強(qiáng)大功能。同時(shí)VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)采模塊、CPU/DSP模塊來構(gòu)成虛擬儀器成為可能。VPP聯(lián)盟提出的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)如圖3所示的五層結(jié)構(gòu)。最低層的資源管理軟件執(zhí)行VXI總線系統(tǒng)特性、系統(tǒng)的初始化與組態(tài)；在建立VXI虛擬儀器過程中，用戶通過資源編譯器組態(tài)VXI系統(tǒng)；通過交互式控制工具監(jiān)控和調(diào)試VXI系統(tǒng)背板和VXI器件；通過調(diào)用功能庫實(shí)現(xiàn)VXI底層通訊協(xié)議。 VISA不僅適合于VXI，也適合于GPIB等其它總線，VXI總線接口軟件必須與其他儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)兼容，以便于系統(tǒng)集成。儀器驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)某

10、一特定儀器的控制與通信，包括軟面板和三層資源（I/O層資源，儀器層資源，用戶定義的資源、），是VXI總線虛擬儀器的核心，是完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析和顯示能力與儀器驅(qū)動(dòng)器融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必須的軟件工具和環(huán)境。下面簡(jiǎn)單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的方法。第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（.UIR）：用戶接口資源、文件是儀器模塊開發(fā)者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。一個(gè)Lab Windows/CVI的GUI由

11、面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項(xiàng)和說明項(xiàng)構(gòu)成。圖4是多通道數(shù)據(jù)采集與頻譜分析儀的一個(gè)面板設(shè)計(jì)。第二步：Lab Windows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程：應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè)用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，它由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windwos編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Lab Windows/CVI中使用不同類型的控制項(xiàng)，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在Lab Windows/CVI的開發(fā)平臺(tái)中，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用兩種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和事件循環(huán)處理法?；卣{(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制項(xiàng)產(chǎn)生的COMM