VXI总线仪器系统

1　VXI—跨世纪的仪器总线
　　VXI总线是VMEbusExtensionforInstrumentation的缩写，即VME总线在测量仪器领域的扩展。这是一种新型测量仪器的标准总线，其总线标准是一种在世界范围内完全开放的、适用于各国不同的厂家、不同应用领域的行业标准。由于它是电子仪器发展史上一个重要的里程碑，因此被国内外专家誉为“跨世纪的仪器总线”、“划时代的技术成果”，并被认为是电子仪器和自动测试领域的“第三次革命”。VXI总线系统自80年代末问世以来，对国际仪器仪表自动化测控技术的发展产生了重大的影响，已成为国内外关注的“热点”。
　　VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著优点，集测量、计算、通信功能于一体，是国际90年代一项高、新科技。它不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还有高速、模块化、易于使用等优势。其主要优点如下：
　　(1)它是国际上最新推出的开放式仪器系统。该系统主要由主机箱、“0槽”控制器、具有各种功能的模块化仪器和驱动软件、软面板(SFP)、软件开发平台以及系统应用软件等组成。
　　(2)它采用了当代多项高、新技术，包括微电子技术、计算机技术、自动测试技术、图形处理技术(虚拟仪器，软面板)、智能化仪器仪表等光、电、机技术。
　　(3)其核心思想是使VXI产品成为开放式结构的总线系统。标准统一，使用灵活。用户购买VXI总线产品之后，在组建系统时能真正做到“即插即用”(PlugPlay)，立竿见影。人机界面良好，接近于“傻瓜”照相机的灵活程度。
　　(4)采用背板结构，数据传输速率快(40MB/s)，吞吐量大，系统组建灵活方便，易于同其他总线兼容。
　　(5)仪器系统由传统的“多机箱堆放式”发展成“单机箱多模块式”。它具有安装密度高、体积小、重量轻、易于携带等优点。因其外形尺寸小，故可提高被测信号的保真度，能减小仪器与被测装置的引线长度，降低系统噪声和改善屏蔽效果。
　　(6)测试性能优良，技术指标先进，是对传统测试系统更新换代的理想产品。
　　(7)采用模块化的严密设计与工艺保证，使之具有很高的可靠性，良好的电磁兼容性和很强的抗干扰能力，具有有效的自检与自诊断能力和良好的可维修性，大大延长了使用寿命。其平均故障间隔时间(MTBF)一般能达到10万小时，最高可达70万小时(折合80年使用期!)
　　(8)资源利用率高，很容易实现系统集成，大大缩短研制周期。能实现系统资源共享，系统易于升级和扩展，易于根据各种现场的需要方便地快速地更换模块，重新组合系统。因此，即使若干年后老机型被淘汰，其主体部分(如计算机、VXI机箱、VXI模块等)还可用于新机型，资源的重复使用率高达75%～85%，能将设备的成本及投资风险降至最低。
　　(9)VXI总线系统有着丰富的软件开发工具。测试人员只需调出代表仪器的图标，输入相关的条件和参数，利用鼠标器按测试流程将有关仪器连接起来，即可完成全部编程工作，自动生成测试程序，并以用户指定方式显示测量结果。
　　(10)便于用户自行开发“虚拟仪器”。虚拟仪器(VI)是测量仪器、计算机与软件这三者的有机结合。它将仪器硬件(例如A/D、D/A转换器，数字I/O)、计算机资源(如微处理器，存储器，显示器)、软件(例如软面板，图形界面，数据处理，信息交换等)有效地结合起来，构成软硬结合、虚实共体的新一代电子仪器。

2　VXI总线系统的发展史
　　2.1　国际发展动态
　　1987年，由美国的惠普(HP)、泰克(TEK)、雷卡(Racal)等5家公司在国际上率先成立了VXI总线联合体，开创了VXI的新纪元。1988年美国制定了VXI总线军用标准，1992年又制定了IEEE—1155标准。1993年制定了VXI“即插即用”(又译为“插入即用”)标准，并成立了VXI“即插即用”系统联盟。1996年，VXI总线系统已实现全球标准化。与此同时，VXI市场已形成一定的规模。目前，全世界已有数百家工厂生产上千种产品。VXI模块和系统的销售额正以每年递增30%～40%的高速度发展，这远远超过其他仪器的增长率。预计到2000年，大约有50%的测试系统将使用VXI。VXI正在高新技术领域显示出强大的生命力。例如，美国将在2002年建成距地球380公里高空、有两个足球场大的永久性空间站，Maxsys公司最近已研制出基于VXI的能够模拟空间站上敏感器与执行机构的SES系统，它包括温度及压力传感器、继电器、开关、电压源、电流源、程控负荷。目前，一方面正在制定与完善各种VXI总线技术规范，另一方面则加速VXI总线平台的开发与推广工作。VXI总线必将在21世纪发挥更大作用。
　　2.2　VXI总线系统在我国的发展应用
　　近年来VXI总线系统在国际上获得迅速发展和广泛应用，立即引起国内测量仪器和自动测试领域专家们的极大兴趣与高度重视。1990年，我国与VXI总线联合体建立了正式联系，1993年航天部门首先开始引进VXI产品。在94～95年期间我国多次举办过国际VXI产品展览会，1995年中国计算机自动测量与控制技术协会和中国计量测试学会还先后组建“VXI技术委员会”和“VXI应用技术服务中心”。此后，VXI总线系统开始全面进入国内各个领域。如果说“八五”初期国内对该项新技术尚为“隔岸观火”，“八五”后期开始“跃跃欲试”，那么“九五”规划期间则是“竞相快上，大展宏图”的全面起动阶段，这正是历史的机遇。近几年来，我国对VXI总线系统经历了从“技术跟踪——产品引进——开发研制——推广应用”四个阶段，已在该技术领域获得长足发展，并取得一批重要科研成果。由航天测控公司承担的国家“八五”重点科技攻关项目VXI总线C尺寸系列功能模块(包括5位半DVM、A/D模块、D/A模块、I/O模块、计数模块等10余种)早已通过鉴定。由航天工业总公司三十五所研制成功的“智能化VXI总线目标模拟器控制和驱动模块”、由二院研制的“某型飞行器自动测控系统”、由中国科技大学等单位研制的“通讯产品自动测试系统”等等，标志着我国电子仪器及自动测控技术已跨入国际先进领域。我国航空航天系统已决定从战斗机到干线飞机均采用VXI总线系统；长征三号、长征四号B、长征二号丁等大型运载火箭的测控系统也以VXI总线作为今后更新换代的首选目标。

3　VXI总线仪器系统集成
　　3.1　VXI总线系统的结构特点
　　3.1.1　标准模块
　　分A尺寸(3.9×6.3英寸)、B尺寸(9.2×6.3英寸)、C尺寸(9.2×13.4英寸)、D尺寸(14.4×13.4英寸)四种。其中，C尺寸约占85%。VXI的电气结构是在0槽控制器的控制下，各仪器模块可通过高速通信通道联络，同步工作，仪器之间经局部总线进行数据交换。机箱分5槽、13槽等规格。
　　3.1.2　系统的结构
　　VXI总线系统可简化为资源管理器和组态寄存器两种。资源管理器用于完成下述软件功能：识别所有的仪器，对管理器进行自检，分配存储器，分配中断线，分配通信等级。资源管理器可管理0～255共计256个VXI总线仪器。
　　VXI总线组态寄存器用于存储仪器模块的各种信息。每个VXI总线仪器都包含以下信息：仪器型号及装置类型，通信能力，状态信息，存储器的需求。VXI总线的通信又分两种类型：消息基，寄存器基。前者支持高级的标准VXI总线通信协议，例如字串行协议；后者不支持高级通信协议，仅支持VXI总线的配置寄存器，因此不能通用。
　　3.1.3　控制器结构
　　常用的控制器有以下几种：
　　a.IEEE-488控制器。它可以接几个主机箱，亦可同时接IEEE-488仪器。其特点是具有最普通的仪器界面，容易将VXI总线仪器与IEEE-488仪器混合使用，最高传输速率为1MB/s，速度最慢，最多可控制168个标准模块，价格最低。
　　b.嵌入式(亦称内置式)VXI总线控制器。它能直接放入主机箱中，并具有一台通用计算机(486或586微机)的全部功能。其主要特点是外形尺寸小，能直接控制VXI总线及12个标准模块，传输速率达40MB/s，速度最快。
　　c.MXI控制器。其价格与IEEE-488控制器相当，传输速率可达(20～33)MB/s。
　　3.1.4　VXI即插即用系统的结构
　　采用VXI即插即用标准能够降低成本并完全支持对VXI仪器、控制器和软件的操作，便于实现系统集成与软件编程。该系统是通过一个被称作“框架”的特殊部分，用作联接VXI总线仪器与系统软件的桥梁。此框架能提供可操作的软件，并规定了一个良好的软、硬件环境。目前通用的框架就是由Windows所支持的，称为WIN框架。它是基于Windows软件，采用IntelPC技术支持最广泛的编程语言，并可移植到视窗98环境中。
　　从技术上讲，WIN框架采用Windows的图形用户界面，通过动态联接库(DLL)和虚拟仪器软件结构(VISA)通信I/O来控制VXI仪器。WIN框架包括仪器驱动器、软面板、在线文件、基本结构数据、VISA通信I/O和标准安装程序。VXI即插即用系统的应用程序必须通过VISA通信I/O之后，才能经硬件I/O去控制VXI总线仪器。
　　3.2　系统集成
　　3.2.1　系统组成
　　系统集成由硬件(主机箱、控制器和仪器模块)和软件所组成。下面给出由HP公司提供的系统集成典型实例：
　　●E1401B型C尺寸13槽主机箱
　　●E1406A型0槽控制器
　　●外部控制器(586微机)
　　●E2073型HPIB总线接口卡
　　●E1411B型5位半数字多用表模块
　　●E1428A型数字示波器模块
　　●E1340A型函数发生器模块
　　●E1413B型64通道A/D模块
　　●E1328A型4通道D/A模块
　　●E1330B型32通道数字I/O模块
　　●E1469A型4×16继电器开关模块
　　●HP/VEE5.0软件
　　3.2.2　软件的安装
　　首先要安装VISA通信I/O，再装入所需的编程语言，最后装仪器的软件。仪器软件包含软面板、驱动程序、在线文件、基本结构数据和标准的目录结构。
　　3.2.3　系统检验
　　在系统集成之后应操作仪器的软面板，检查仪器的通信是否正常。

参考文献

［1］　Gauravgoel.HahlyflexibleProductionTestingWithLabVIEWandVXI.VXIJournal　Winter,1996
［2］　陈光.VXI总线测试平台技术.成都：电子科技大学出版社，1996