第二以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)

1、聲明本課件供虛擬儀器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)等相關(guān)課程教師授課使用與參考. 教師可根據(jù)課程需要和實(shí)際情況在此課件基礎(chǔ)上增刪內(nèi)容本課件版權(quán)屬NI(中國(guó))公司所有，供中國(guó)大陸地區(qū)高校教師無償使用或在課程中引用，但使用或引用之前請(qǐng)聯(lián)系NI(中國(guó))公司高校市場(chǎng)部獲得免費(fèi)使用授權(quán) (聯(lián)系方式 )本課件不得用于公開出版或其他商業(yè)用途. 如需在公開出版物中引用其中部分內(nèi)容, 請(qǐng)與NI(中國(guó))公司高校市場(chǎng)部聯(lián)系獲得授權(quán)第二講以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)回顧: 儀器系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展真空管技術(shù)晶體管技術(shù)(集成電路)以軟件為中心的自定義系統(tǒng)192019652010以軟件為中心的發(fā)展趨勢(shì)PC處理器處理器軟件軟件模塊化儀器模塊化

2、儀器/分立儀器分立儀器信號(hào)信號(hào)總線總線原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)用戶用戶自定義自定義功能功能配置配置軟件是(合成儀器)測(cè)試系統(tǒng)的核心，軟件的任務(wù)就是去定義和控制硬件 Frost & Sullivan 2006全球合成儀器測(cè)試設(shè)備報(bào)告模塊化I/O架構(gòu)可替換、升級(jí)、自定義PC處理器處理器軟件軟件模塊化模塊化I/O信號(hào)信號(hào)總線總線原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)用戶用戶自定義自定義功能功能配置配置虛擬儀器軟件定義的模塊化硬件架構(gòu)是英國(guó)國(guó)防部未來測(cè)試系統(tǒng)核心的必備技術(shù) Marcus Ransom上校, 英國(guó)國(guó)防部以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時(shí)同步模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O軟件

3、采集模擬/數(shù)字信號(hào)傳輸原始數(shù)據(jù); 控制模塊化儀器I/O之間的定時(shí)與同步自定義數(shù)據(jù)處理、分析、顯示、共享等以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時(shí)同步模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O軟件通常是現(xiàn)成的模塊化硬件，可直接從廠商購(gòu)買；也可自行開發(fā)特殊模塊緊密集成不同的硬件模塊通過軟件開發(fā)所要實(shí)現(xiàn)的自定義系統(tǒng)功能使系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和自定義成為可能以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時(shí)同步模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O軟件模塊化硬件架構(gòu)使系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)成本更低，也更易于進(jìn)行擴(kuò)展選擇標(biāo)準(zhǔn)化的總線技術(shù)可以確保不同廠商模塊之間的互操作性，并且保證系統(tǒng)所采用

4、的技術(shù)體系具有長(zhǎng)生命周期可通過軟件開發(fā)隨時(shí)增添更多功能使系統(tǒng)具有更好的長(zhǎng)期可維護(hù)性以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時(shí)同步模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O軟件模塊化架構(gòu)便于在短時(shí)間內(nèi)集成最新技術(shù)基于PC的標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)隨著PC技術(shù)的演進(jìn)而不斷增強(qiáng)性能，同時(shí)可以保持后向兼容通過高效的軟件開發(fā)工具可以顯著降低利用最新技術(shù)的復(fù)雜度便于利用最新技術(shù)以基于PXI總線的模塊化系統(tǒng)為例模塊化架構(gòu)可以根據(jù)需要選擇合適的I/O模塊，并且便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)集成高速數(shù)據(jù)傳輸總線及定時(shí)同步總線的機(jī)箱背板集成高性能CPU的系統(tǒng)控制器可運(yùn)行各種軟件程序；可通過編程自定義系統(tǒng)功能PXI: PC

5、I eXtension for Instrumentation PXI機(jī)箱背板8條TTL傳輸線組成的觸發(fā)總線, 允許系統(tǒng)中任意模塊都可產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)總線由第2槽 (定時(shí)槽位) 發(fā)出的星型觸發(fā)總線, 通過等長(zhǎng)度路由設(shè)計(jì)到達(dá)其他各槽, 使各槽位之間觸發(fā)信號(hào)偏差小于1ns 機(jī)箱背板上集成了一個(gè)10MHz的專用系統(tǒng)參考時(shí)鐘， 為各槽位提供精確的定時(shí)參考信號(hào)控制器槽位PXI模塊與機(jī)箱背板的連接PXI 和 CompactPCI 的J1接口是一樣的, 主要是PCI數(shù)據(jù)總線PXI增加了J2接口部分，主要是PXI所特有的定時(shí)和同步觸發(fā)總線PXI模塊化儀器不斷提升的性能指標(biāo)傳統(tǒng)臺(tái)式儀器傳統(tǒng)臺(tái)式儀器分辨率 (Bi

6、ts)28262422201816141210841101001K10K100K1M10M100M1G10G100G采樣率 (S/s)6200420102005 20111997NI PXI-4071 7-digit FlexDMM業(yè)界最快、最精確的數(shù)字萬用表NI PXI-5922, 24-bit, 15 MS/s業(yè)界最高分辨率數(shù)字化儀Agilent N6030A, 15-bit, 1.25GS/s業(yè)界最高更新速率的PXI AWGNI PXIe-5186 8-bit, 12.5GS/s 業(yè)界最高性能PXI數(shù)字化儀PhaseMatrix PXI-1420 26.5GHz 業(yè)界最高頻PXI下變頻器

7、眾多主流儀器廠商的支持PXI系統(tǒng)聯(lián)盟 (PXISA) 成立于1998年, 目前有70多家會(huì)員廠商基于PXI平臺(tái)的模塊種類模擬輸入/ 輸出數(shù)字輸入/ 輸出計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器帶有FPGA的可重配置I/O機(jī)器視覺運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)調(diào)理溫度/ 應(yīng)變/ 壓力/ 加速度LVDT/RVDT. . .示波器/ 數(shù)字化儀函數(shù)發(fā)生器/ 任意波形發(fā)生器動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀高速數(shù)字I/O數(shù)字萬用表/ LCR表開關(guān)射頻信號(hào)發(fā)生器矢量信號(hào)發(fā)生器矢量信號(hào)分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可編程電源/ 源測(cè)量單元. . .總線接口以太網(wǎng), USB, 1394SATA, ATA/IDE, SCSIGPIBCAN/ LIN/ FlexRayDeviceNe

8、tRS-232, RS-485VXI/VME邊界掃描/ JTAGMIL-STD-1553, ARINCPCMCIA/ CardBusProfibus. . .其他IRIG-B, GPS, 1588同步磁盤陣列接口反射內(nèi)存光纖傳感器接口故障注入模塊電源仿真器HDMI解碼. . .用于自動(dòng)化測(cè)試與控制的模塊化I/OPXI的廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化測(cè)試、控制實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化驗(yàn)證測(cè)試生產(chǎn)線測(cè)試應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過PXI等模塊化儀器平臺(tái)集成最新技術(shù)Gen2/Gen3PCI ExpressVirtualizationCloud ComputingFPGAMulticoreData Conver

9、terMorePXI具體將在虛擬儀器技術(shù)的最新發(fā)展專題深入介紹結(jié)合高效的軟件工具可進(jìn)一步降低使用這些新技術(shù)的復(fù)雜度進(jìn)一步發(fā)展: 集成PCI Express技術(shù) 將PCI Express總線融合到PXI中, 形成PXI Express (PXIe) 進(jìn)一步顯著擴(kuò)展傳輸總線帶寬 基于差分串行的PCI Express總線，實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GB/s每槽專屬帶寬 硬件接口仍可兼容大部分原有PXI模塊 軟件完全兼容 PXI Express的超高帶寬對(duì)于射頻/寬帶中頻、圖像采集、高速并行數(shù)字I/O等應(yīng)用具有重要意義具體將在虛擬儀器技術(shù)的最新發(fā)展專題深入介紹對(duì)于模塊化平臺(tái)的軟件編程 模塊化平臺(tái)的軟件層次軟件如PCI

10、 / PXI / USB等測(cè)試管理軟件測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境驅(qū)動(dòng)軟件處理總線平臺(tái)模塊化I/O各種模塊化儀器如NI-DAQmx等如LabVIEW等如TestStand等模塊化硬件驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)的重要性：“承上啟下，連接軟硬” 一般由模塊化儀器廠商提供 提供若干API (應(yīng)用程序接口)，可供應(yīng)用開發(fā)環(huán)境軟件調(diào)用 通常提供C/C+、LabVIEW及VB下的API接口，供使用相關(guān)開發(fā)語言的開發(fā)者調(diào)用 功能性 同樣的硬件通過不同的驅(qū)動(dòng)軟件可“暴露”不同程度的開放功能給用戶 好的驅(qū)動(dòng)應(yīng)該盡可能使用戶能訪問到較多的硬件功能，具有更高靈活性 易用性 除了提供應(yīng)用程序接口外，好的驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)提供硬件診斷、調(diào)試、維護(hù)管

11、理等功能，從而進(jìn)一步方便開發(fā)者的使用多種總線和平臺(tái)共存 許多實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)都存在多種儀器總線 由歷史發(fā)展和特殊的具體應(yīng)用所決定GPIB: 分立儀器的常用接口; 特殊用途的儀器 VXI: 較早的模塊化平臺(tái), 需要繼續(xù)維護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)USB: 即插即用PXI / CompactPCI 最高帶寬; 最低延時(shí) 集成的同步功能 集成多種總線接口Ethernet/LAN/LXI: 分布式/遠(yuǎn)程系統(tǒng)常見總線的帶寬和延時(shí)比較PCI/PXI (Express) 具有最佳的傳輸帶寬和延時(shí)特性，因此最適合作為混合總線系統(tǒng)的核心 (不會(huì)成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i)支持多種總線的混合總線系統(tǒng)混合總線測(cè)控系統(tǒng)舉例軟件通過軟件整合混

12、合總線應(yīng)用，降低復(fù)雜性PXI選擇具有高吞吐量、低延時(shí)的PXI作為混合測(cè)試系統(tǒng)的核心445.5 mm x 177 mm x 434.8 mm1個(gè)嵌入式PC1個(gè)定時(shí)控制設(shè)備1個(gè)100 MS/s, 14-bit 的數(shù)字化儀(2通道)1個(gè)7 位的DMM1個(gè)100 M 高速數(shù)字I/O2個(gè)100 MS/s, 16-bit的任意波形發(fā)生器(共4通道)1個(gè)大電流通用繼電器開關(guān)1個(gè)500 MHz多路復(fù)用器矩陣1個(gè)Ultra2 SCSI接口1個(gè)1 MS/s, 12-bit模擬輸出(8通道)1個(gè)GPIB控制器和千兆以太網(wǎng)接口2個(gè)聲音和振動(dòng)分析設(shè)備(共16通道)1個(gè)6.6 GHz RF下變頻器1個(gè)IF數(shù)字化儀1個(gè)空槽

13、用于擴(kuò)展基于GPIB/USB/LXI/串行總線以及用于VXI的MXI總線整合其他儀器平臺(tái)(通過PXI控制器上的接口及其他專用接口模塊連接)問題 在實(shí)際的混合總線測(cè)控系統(tǒng)中，除了基于PXI、PCI、VXI等平臺(tái)的模塊化儀器之外，還往往需要對(duì)基于其他總線的臺(tái)式儀器進(jìn)行控制和通信 總線從硬件上保障了通信的進(jìn)行，軟件方面如何實(shí)施？?jī)x器控制 (Instrument Control) 儀器控制 基于PC技術(shù)的控制器通過儀器總線連接分立儀器，對(duì)分立儀器參數(shù)進(jìn)行配置和控制，并獲取分立儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)的過程 基于PC技術(shù)的控制器: 如個(gè)人電腦、服務(wù)器、PXI控制器等 儀器總線: GPIB、串口、USB、LAN等

14、涉及的關(guān)鍵技術(shù) 總線技術(shù) (總線的電氣連接定義) 軟件驅(qū)動(dòng) 概念說明 其實(shí)通過PCI / PXI / VXI 等總線對(duì)模塊化儀器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)操作也屬于儀器控制，而且軟件層次也是類似的，只不過往往這些模塊化儀器已提供完善的驅(qū)動(dòng)，使開發(fā)者不必關(guān)心底層的儀器控制和通信技術(shù)儀器控制的軟件層次儀器驅(qū)動(dòng)程序VISA接口硬件驅(qū)動(dòng)如488.2驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)等對(duì)不同接口的抽象層針對(duì)特定儀器，如Agilent 34401A驅(qū)動(dòng)開發(fā)軟件環(huán)境如LabVIEW等軟件開發(fā)環(huán)境其實(shí)可以直接通過各種接口硬件驅(qū)動(dòng)來與分立儀器通信，但是VISA可以使該過程簡(jiǎn)化；而如果針對(duì)某一特定儀器已經(jīng)有了專用的儀器驅(qū)動(dòng)程序，則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化儀

15、器控制的過程都屬于驅(qū)動(dòng)層VISA 虛擬儀器軟件架構(gòu) (Virtual Instrument Software Architecture) 可通過高層次的API調(diào)用底層驅(qū)動(dòng) 可以控制基于GPIB、串口、USB、VXI以及其他總線的儀器，針對(duì)不同的儀器選擇所調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng)（如串口驅(qū)動(dòng)或GPIB驅(qū)動(dòng)），使上層用戶不必關(guān)心，簡(jiǎn)化了儀器控制VISAVirtual Instrument System ArchitectureSerialGPIBUSBVXISCPI 與儀器“交談”時(shí)的“語言” GPIB、串口等接口總線和接口驅(qū)動(dòng)、VISA等軟件層建立了通信鏈路 相當(dāng)于電話線 具體“通話”時(shí)傳遞信息的語言SC

16、PI Standard Commands for Programmable Instruments 本質(zhì)上就是一些命令字符集，由一些主流儀器廠商在1990年定義，可查詢具體儀器手冊(cè)查詢所支持的控制字符 一些SCPI命令舉例 *IDN?查詢?cè)O(shè)備ID號(hào) *RST設(shè)備reset *TST?自檢 MEAS?讀取測(cè)量結(jié)果儀器驅(qū)動(dòng)程序針對(duì)某一特定儀器提供的一組API函數(shù)，可供應(yīng)用開發(fā)者直接在應(yīng)用開發(fā)軟件環(huán)境中調(diào)用 用戶不需要通過SCPI與儀器打交道，也不需要學(xué)習(xí)底層硬件接口編程控制甚至不需要學(xué)習(xí)VISA編程 使用更加直觀，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了儀器控制操作 模塊化儀器廠商對(duì)模塊化儀器所提供的驅(qū)動(dòng)API也屬于儀器驅(qū)動(dòng)

17、程序 可以訪問 Virtual Instrumentation 也是一種儀器驅(qū)動(dòng)軟件層技術(shù)：“可互換虛擬儀器” 仍然基于VISA技術(shù)，由國(guó)際組織制定規(guī)范 將具有相似功能的儀器歸為一類抽象出其特征，進(jìn)而開發(fā)出針對(duì)這一類儀器的驅(qū)動(dòng) 針對(duì)具體儀器的儀器驅(qū)動(dòng)程序: 針對(duì)某一儀器, 如HP34401A IVI驅(qū)動(dòng): 針對(duì)某一類儀器, 如數(shù)字萬用表, 示波器 優(yōu)缺點(diǎn) 更加靈活 安裝、配置、修改相對(duì)較復(fù)雜混合總線的虛擬儀器系統(tǒng)架構(gòu)總結(jié)測(cè)試系統(tǒng)管理軟件測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部?jī)x器總線模塊化儀器分立式儀器總線分立式儀器現(xiàn)成儀器驅(qū)動(dòng)IVI 或 VISA+底層接口驅(qū)動(dòng)本課程對(duì)應(yīng)學(xué)習(xí)重點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)管理軟件

18、測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部?jī)x器總線模塊化儀器分立式儀器總線分立式儀器現(xiàn)成儀器驅(qū)動(dòng)IVI 或 VISA+底層接口驅(qū)動(dòng)本課程使用基于USB總線的NI ELVIS/myDAQ，雖然是外部總線，不過可看做基于USB總線的模塊化儀器，在編程使用方面，與基于其他總線的模塊化儀器是完全一樣的主要使用DAQmx驅(qū)動(dòng)使用方法與模塊化儀器驅(qū)動(dòng)基本一樣不作為學(xué)習(xí)重點(diǎn)，今后工作中如有需要可自學(xué)，較容易貫通以LabVIEW學(xué)習(xí)為主，是課程重點(diǎn)僅要求有所了解系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境常見的開發(fā)環(huán)境NI LabVIEW 直觀的圖形化開發(fā)編程環(huán)境，有時(shí)LabVIEW語言也叫G語言 內(nèi)置豐富的測(cè)控相關(guān)控件和處理函數(shù) 本課程學(xué)

19、習(xí)的主要語言應(yīng)用開發(fā)環(huán)境LabVIEW提供大量現(xiàn)成的符合測(cè)控系統(tǒng)風(fēng)格的前面板控件，簡(jiǎn)化界面設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)表達(dá)直觀的數(shù)據(jù)流編程方式，符合工程思維方式，并且無需學(xué)習(xí)文本編程語法規(guī)則，容易上手LabVIEW與硬件的無縫連接模塊化儀器通過VISA進(jìn)行儀器控制通過Plug&Play儀器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行儀器控制通過IVI控制儀器LabVIEW與硬件的無縫連接 (續(xù))Personal ComputersPXI SystemsCompactRIOCustom DesignSingle-Board RIOLabVIEWReal-TimeLabVIEW DesktopLabVIEWFPGALabVIEWMPU/MCU代碼可發(fā)布到不同的執(zhí)行對(duì)象，包括嵌入式控制器、FPGA等LabVIEW集成的諸多功能 基于配置的助手工具簡(jiǎn)化開發(fā) 多種模塊和工具包加速應(yīng)用開發(fā) 內(nèi)置超過1,000種信號(hào)處理與分析函數(shù) 近10種射頻與無線協(xié)議工具包 機(jī)器視覺、運(yùn)動(dòng)控制 報(bào)表生成, 數(shù)據(jù)庫(kù)連