第2讲以软件定义模块化仪器系统

第2讲以软件定义模块化仪器系统第一页，共42页。第二讲

以软件定义的模块化仪器系统第二页，共42页。回顾:仪器系统的技术发展真空管技术晶体管技术(集成电路)以软件为中心的自定义系统192019652010第三页，共42页。以软件为中心的发展趋势PC处理器软件模块化仪器/分立仪器信号总线原始数据用户自定义功能配置软件是(合成仪器)测试系统的核心…，软件的任务就是去定义和控制硬件…——

Frost&Sullivan2006全球合成仪器测试设备报告第四页，共42页。模块化I/O架构可替换、升级、自定义PC处理器软件模块化I/O信号总线原始数据用户自定义功能配置虚拟仪器——软件定义的模块化硬件架构是英国国防部未来测试系统核心的必备技术——

MarcusRansom上校,英国国防部第五页，共42页。以软件定义的模块化仪器系统数据总线与定时同步模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O…软件采集模拟/数字信号传输原始数据;控制模块化仪器I/O之间的定时与同步自定义数据处理、分析、显示、共享等第六页，共42页。以软件定义的模块化仪器系统数据总线与定时同步模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O…软件通常是现成的模块化硬件，可直接从厂商购买；也可自行开发特殊模块紧密集成不同的硬件模块通过软件开发所要实现的自定义系统功能使系统级的设计和自定义成为可能第七页，共42页。以软件定义的模块化仪器系统数据总线与定时同步模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O…软件模块化硬件架构使系统升级和维护成本更低，也更易于进行扩展选择标准化的总线技术可以确保不同厂商模块之间的互操作性，并且保证系统所采用的技术体系具有长生命周期可通过软件开发随时增添更多功能使系统具有更好的长期可维护性第八页，共42页。以软件定义的模块化仪器系统数据总线与定时同步模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O模块化I/O…软件模块化架构便于在短时间内集成最新技术基于PC的标准总线技术随着PC技术的演进而不断增强性能，同时可以保持后向兼容通过高效的软件开发工具可以显著降低利用最新技术的复杂度便于利用最新技术第九页，共42页。以基于PXI总线的模块化系统为例模块化架构可以根据需要选择合适的I/O模块，并且便于系统维护和升级集成高速数据传输总线及定时同步总线的机箱背板集成高性能CPU的系统控制器可运行各种软件程序；可通过编程自定义系统功能PXI:PCIeXtensionforInstrumentation第十页，共42页。PXI机箱背板8条TTL传输线组成的触发总线,允许系统中任意模块都可产生触发信号数据总线由第2槽(定时槽位)发出的星型触发总线,通过等长度路由设计到达其他各槽,使各槽位之间触发信号偏差小于1ns

机箱背板上集成了一个10MHz的专用系统参考时钟，为各槽位提供精确的定时参考信号控制器槽位第十一页，共42页。PXI模块与机箱背板的连接PXI和CompactPCI的J1接口是一样的,主要是PCI数据总线PXI增加了J2接口部分，主要是PXI所特有的定时和同步触发总线第十二页，共42页。PXI模块化仪器不断提升的性能指标传统台式仪器分辨率(Bits)28262422201816141210841101001K10K100K1M10M100M1G10G100G采样率(S/s)620042010200520111997NIPXI-40717½-digitFlexDMM业界最快、最精确的数字万用表NIPXI-5922,24-bit,15MS/s业界最高分辨率数字化仪AgilentN6030A,15-bit,1.25GS/s业界最高更新速率的PXIAWGNIPXIe-51868-bit,12.5GS/s业界最高性能PXI数字化仪PhaseMatrixPXI-142026.5GHz业界最高频PXI下变频器第十三页，共42页。众多主流仪器厂商的支持PXI系统联盟(PXISA)成立于1998年,目前有70多家会员厂商第十四页，共42页。基于PXI平台的模块种类模拟输入/输出数字输入/输出计数器/定时器带有FPGA的可重配置I/O机器视觉运动控制信号调理温度/应变/压力/加速度LVDT/RVDT...示波器/数字化仪函数发生器/任意波形发生器动态信号分析仪高速数字I/O数字万用表/LCR表开关射频信号发生器矢量信号发生器矢量信号分析仪矢量网络分析仪可编程电源/源测量单元...总线接口以太网,USB,1394SATA,ATA/IDE,SCSIGPIBCAN/LIN/FlexRayDeviceNetRS-232,RS-485VXI/VME边界扫描/JTAGMIL-STD-1553,ARINCPCMCIA/CardBusProfibus...其他IRIG-B,GPS,1588同步磁盘阵列接口反射内存光纤传感器接口故障注入模块电源仿真器HDMI解码...用于自动化测试与控制的模块化I/O第十五页，共42页。PXI的广泛应用数据采集、自动化测试、控制…实验室自动化验证测试生产线测试应用工业现场控制现场数据采集系统第十六页，共42页。通过PXI等模块化仪器平台集成最新技术Gen2/Gen3PCIExpressVirtualizationCloudComputingFPGAMulticoreDataConverter……MorePXI具体将在《虚拟仪器技术的最新发展》专题深入介绍结合高效的软件工具可进一步降低使用这些新技术的复杂度第十七页，共42页。进一步发展:集成PCIExpress技术将PCIExpress总线融合到PXI中,形成PXIExpress

(PXIe)进一步显著扩展传输总线带宽基于差分串行的PCIExpress总线，实现高达2GB/s每槽专属带宽硬件接口仍可兼容大部分原有PXI模块软件完全兼容PXIExpress的超高带宽对于射频/宽带中频、图像采集、高速并行数字I/O等应用具有重要意义具体将在《虚拟仪器技术的最新发展》专题深入介绍第十八页，共42页。对于模块化平台的软件编程模块化平台的软件层次软件如PCI/PXI/USB等测试管理软件测控系统开发软件环境驱动软件处理总线平台模块化I/O各种模块化仪器如NI-DAQmx等如LabVIEW等如TestStand等第十九页，共42页。模块化硬件驱动驱动的重要性：“承上启下，连接软硬”一般由模块化仪器厂商提供提供若干API(应用程序接口)，可供应用开发环境软件调用通常提供C/C++、LabVIEW及VB下的API接口，供使用相关开发语言的开发者调用功能性同样的硬件通过不同的驱动软件可“暴露”不同程度的开放功能给用户好的驱动应该尽可能使用户能访问到较多的硬件功能，具有更高灵活性易用性除了提供应用程序接口外，好的驱动程序还应提供硬件诊断、调试、维护管理等功能，从而进一步方便开发者的使用第二十页，共42页。多种总线和平台共存许多实际的测控系统内都存在多种仪器总线由历史发展和特殊的具体应用所决定GPIB:分立仪器的常用接口;特殊用途的仪器

VXI:较早的模块化平台,需要继续维护现有系统USB:即插即用PXI

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CompactPCI最高带宽;最低延时集成的同步功能集成多种总线接口Ethernet/LAN/LXI:分布式/远程系统第二十一页，共42页。常见总线的带宽和延时比较PCI/PXI(Express)具有最佳的传输带宽和延时特性，因此最适合作为混合总线系统的核心(不会成为数据传输的瓶颈)第二十二页，共42页。支持多种总线的混合总线系统第二十三页，共42页。混合总线测控系统举例软件通过软件整合混合总线应用，降低复杂性PXI选择具有高吞吐量、低延时的PXI作为混合测试系统的核心445.5mmx177mmx434.8mm1个嵌入式PC1个定时控制设备1个100MS/s,14-bit的数字化仪(2通道)1个7½位的DMM1个100M高速数字I/O2个100MS/s,16-bit的任意波形发生器(共4通道)1个大电流通用继电器开关1个500MHz多路复用器矩阵1个Ultra2SCSI接口1个1MS/s,12-bit模拟输出(8通道)1个GPIB控制器和千兆以太网接口2个声音和振动分析设备(共16通道)1个6.6GHz

RF下变频器1个IF数字化仪1个空槽用于扩展基于GPIB/USB/LXI/串行总线以及用于VXI的MXI总线整合其他仪器平台(通过PXI控制器上的接口及其他专用接口模块连接)第二十四页，共42页。问题在实际的混合总线测控系统中，除了基于PXI、PCI、VXI等平台的模块化仪器之外，还往往需要对基于其他总线的台式仪器进行控制和通信总线从硬件上保障了通信的进行，软件方面如何实施？第二十五页，共42页。仪器控制(InstrumentControl)仪器控制基于PC技术的控制器通过仪器总线连接分立仪器，对分立仪器参数进行配置和控制，并获取分立仪器的测量数据的过程基于PC技术的控制器:如个人电脑、服务器、PXI控制器等仪器总线:GPIB、串口、USB、LAN等涉及的关键技术总线技术(总线的电气连接定义)软件驱动概念说明其实通过PCI/PXI/VXI等总线对模块化仪器进行控制和数据操作也属于仪器控制，而且软件层次也是类似的，只不过往往这些模块化仪器已提供完善的驱动，使开发者不必关心底层的仪器控制和通信技术第二十六页，共42页。仪器控制的软件层次仪器驱动程序VISA接口硬件驱动如488.2驱动、串口驱动等对不同接口的抽象层针对特定仪器，如Agilent34401A驱动开发软件环境如LabVIEW等软件开发环境其实可以直接通过各种接口硬件驱动来与分立仪器通信，但是VISA可以使该过程简化；而如果针对某一特定仪器已经有了专用的仪器驱动程序，则可进一步简化仪器控制的过程都属于驱动层第二十七页，共42页。VISA虚拟仪器软件架构(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)可通过高层次的API调用底层驱动可以控制基于GPIB、串口、USB、VXI以及其他总线的仪器，针对不同的仪器选择所调用的底层驱动（如串口驱动或GPIB驱动），使上层用户不必关心，简化了仪器控制第二十八页，共42页。SCPI——与仪器“交谈”时的“语言”GPIB、串口等接口总线和接口驱动、VISA等软件层建立了通信链路相当于电话线具体“通话”时传递信息的语言——SCPIStandardCommandsforProgrammableInstruments本质上就是一些命令字符集，由一些主流仪器厂商在1990年定义，可查询具体仪器手册查询所支持的控制字符一些SCPI命令举例*IDN? 查询设备ID号*RST 设备reset*TST? 自检MEAS? 读取测量结果第二十九页，共42页。仪器驱动程序针对某一特定仪器提供的一组API函数，可供应用开发者直接在应用开发软件环境中调用用户不需要通过SCPI与仪器打交道，也不需要学习底层硬件接口编程控制甚至不需要学习VISA编程使用更加直观，进一步简化了仪器控制操作模块化仪器厂商对模块化仪器所提供的驱动API也属于仪器驱动程序可以访问/idnet，免费获取9,000多种不同厂商的仪器驱动程序第三十页，共42页。IVI——InterchangeableVirtualInstrumentation也是一种仪器驱动软件层技术：“可互换虚拟仪器”仍然基于VISA技术，由国际组织制定规范将具有相似功能的仪器归为一类抽象出其特征，进而开发出针对这一类仪器的驱动针对具体仪器的仪器驱动程序:针对某一仪器,如HP34401AIVI驱动:针对某一类仪器,如数字万用表,示波器…优缺点更加灵活安装、配置、修改相对较复杂第三十一页，共42页。混合总线的虚拟仪器系统架构总结测试系统管理软件测控系统开发软件环境模块化仪器驱动内部仪器总线模块化仪器分立式仪器总线分立式仪器现成仪器驱动IVI或VISA+底层接口驱动第三十二页，共42页。本课程对应学习重点测试系统管理软件测控系统开发软件环境模块化仪器驱动内部仪器总线模块化仪器分立式仪器总线分立式仪器现成仪器驱动IVI或VISA+底层接口驱动本课程使用基于USB总线的NIELVIS/myDAQ，虽然是外部总线，不过可看做基于USB总线的模块化仪器，在编程使用方面，与基于其他总线的模块化仪器是完全一样的主要使用DAQmx驱动使用方法与模块化仪器驱动基本一样不作为学习重点，今后工作中如有需要可自学，较容易贯通以LabVIEW学习为主，是课程重点仅要求有所了解第三十三页，共42页。系统开发软件环境常见的开发环境NILabVIEW直观的图形化开发编程环境，有时LabVIEW语言也叫G语言内置丰富的测控相关控件和处理函数本课程学习的主要语言第三十四页，共42页。应用开发环境LabVIEW提供大量现成的符合测控系统风格的前面板控件，简化界面设计与数据表达直观的数据流编程方式，符合工程思维方式，并且无需学习文本编程语法规则，容易上手第三十五页，共42页。LabVIEW与硬件的无缝连接模块化仪器通过VISA进行仪器控制通过Plug&Play仪器驱动进行仪器控制通过IVI控制仪器第三十六页，共42页。LabVIEW与硬件的无缝连接(续)PersonalComputersPXISystemsCompactRIOCustomDesignSingle-BoardRIOLabVIEW``Real-TimeLabVIEWDesktopLabVIEWFPGALabVIEWMPU/MCU代码可发布到不同的执行对象，包括嵌入式控制器、FPGA等第三十七页，共42页。LabVIEW集成的诸多功能基于配置的助手工具简化开发多种模块和工具包加速应用开发内置超过1,000种信号处理与分析函数近10种射频与无线协议工具包机器视觉、运动控制报表生成,数据库连接更多…针对多核处理器的优化大型