測試(自動)系統(tǒng)集成技術

1、測試（自動）系統(tǒng)集成技術 第三章第三章 VXI總線接口技術總線接口技術 陳長齡陳長齡 Tel 83202223 E-mail 3 VXI總線接口技術nVXIbus是VME總線在儀器領域的擴展(VMEbus eXtension for Instrumentation)。 n1987年4月，美國Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal、Dana Instruments、 Tektronix和Wavetek等五家著名儀器公司求同存異，組成VXI總線聯合體（VXIbus Consortium Inc.），提出 VXIbus Rev.1.3規(guī)范文件。 。n1

2、992年9月17日美國IEEE-P1155采納VXIbus Rev.1.4作為IEEE工業(yè)用標準的基本文件。n1993年9月22日成立VXI即插即用系統(tǒng)聯盟(VXI Plug&Play System Alliance)。該聯盟由National Instruments、GenRad、Racal Instruments、Tektronix和Wavetek五家公司發(fā)起，提出 VPP規(guī)范文件。 第一節(jié) VXI模塊與主機箱一、一、 VXI系統(tǒng)的組成與特點系統(tǒng)的組成與特點 如圖3-1所示，一個典型的VXI系統(tǒng)主要由VXI機箱、VXI模塊（插件）、計算機及顯示器等三部分組成。 二、二、VXI 模塊

3、模塊 VXI總線測試系統(tǒng)的最小物理單元是組件模塊(Assembly Module)。如圖3-2所示，它由帶電子元件和連接器的組件板、前面板和任選的屏蔽殼組成。模塊有A、B、C、D四種規(guī)格。第三章圖集第一節(jié) VXI模塊與主機箱三、三、VXI主機箱主機箱 組件模塊的機械載體是主機箱(Mainframe)。與模塊尺寸類型相適應，主機箱也有A、B、C、D四種尺寸可選擇。 模塊互連載體是主機箱的背板(Backplake)，背板與模塊之間通過總線連接器銜接：三個96芯的連接器J1、J2、J3，模塊上的連接器對應為P1、P2、P3。 VXI規(guī)定，一個主機箱最多有13個(012號)槽位，其中0號槽比較特殊，位

4、于機箱的最左邊或最底部。 VXI主機箱還為系統(tǒng)提供適合儀器工作要求的公用電源、冷卻和電磁屏蔽環(huán)境條件。第一節(jié) VXI模塊與主機箱 圖3-3 第二節(jié) VXI總線信號線一、一、 VXI總線的組成總線的組成 VXI總線是模塊間信號的載體。在VME總線基礎上擴展了一些適應儀器特殊要求的信號線后形成的，其組成如圖3-4（a）所示。從功能上看，VXI總線定義的信號可分為以下幾類： * VME計算機總線 *儀器要求的信號線第二節(jié) VXI總線信號線第二節(jié) VXI總線信號線二、二、VME計算機總線計算機總線n1數據傳輸總線（數據傳輸總線（DTB） DTB由總線主模塊控制，用于主、從模塊之間傳遞數據和狀態(tài)/識別信

5、息。分為尋址線、數據線和控制線。n2DTB仲裁總線仲裁總線 VME總線支持多處理器的分布式系統(tǒng)。仲裁總線用來解決多個主模塊爭奪DTB總線使用權的問題，防止總線沖突。n3優(yōu)先中斷總線優(yōu)先中斷總線 供VME總線系統(tǒng)的中斷器（Interrupter）和中斷處理器（Interrupt Handler）之間進行中斷請求和中斷認可使用。n4公用總線公用總線 為系統(tǒng)提供時鐘、系統(tǒng)初始化及故障檢測等功能。 第二節(jié) VXI總線信號線三、三、VXI增加的信號線增加的信號線 為適應高速、高性能儀器組件模塊的需要，VXI在保留VME系統(tǒng)總線的基礎上，新定義了一些面向儀器應用的信號線。這些新定義的信號線位于P2和P3連

6、接器上，包括：*模塊識別線 ：檢測特定位置上的模塊的是否存在 *時鐘和同步線：CLK10和CLK100、SYN100 *儀器觸發(fā)線 ：TTL、ECL和STARX和STARY星形觸發(fā)線。 *模擬相加線 ： SUMBUS是VXI背板上的模擬相加結點。 *局部總線：用于兩者之間高速通信， LBUS數據傳輸率高達250Mbps和1Gbps。 *電源線：+5V，+12V是VME標準； +24V是為模擬電路設計的，-5V、2V和-2V 第三節(jié) VXI器件一、一、VXI器件組成與分類器件組成與分類n1器件模型器件模型 VXI模塊功能和電路千差萬別，但從VXI系統(tǒng)組建和管理角度看，它們都是VXI系統(tǒng)最基本和最

7、低層的邏輯單元，通稱VXI器件(Device)。圖3-12描述了一個VXI器件的功能和邏輯組成，該模型和器件所支持的通信協(xié)議相聯系，大致包括四個層次: 連接層:由物理層協(xié)議規(guī)定的連接器和總線接收/發(fā)送器，以保證器件與主機箱背板在機械和電氣上相容； 數據傳輸層:實現包括原VMEbus規(guī)范在內的VXI總線定義的信號線及相應的接口功能； 器件操作區(qū):用來支持系統(tǒng)的組態(tài)、通信和操作控制，它由VXI總線規(guī)范定義的一組標準組態(tài)/操作寄存器實現； 器件特定測試功能區(qū):完全由器件設計者定定義，但可能支持IEEE488.2和SCPI規(guī)范。第三節(jié) VXI器件 圖3-12 VXI總線器件的模型第三節(jié) VXI器件n

8、2器件分類器件分類 器件之間的基本操作是信息傳輸。根據通信能力，VXI總線器件分為四類。n 寄存器器件:僅具有只支持寄存器直接讀/寫協(xié)議最基本能力;一般只配置VMEbus的從模塊功能。n 存儲器器件:是包含一定的存儲器器件特征的、類似寄存器器件的VXI總線器件。n 消息型器件:是具有較高級通信能力的器件，這類器件設置了一組可以由其它模塊訪問的“通信寄存器”，使該器件可通過某種特定的通信協(xié)議（如VXI總線字串行協(xié)議）與系統(tǒng)中的其它器件進行通信。n 擴展器件:是為VXI未來發(fā)展而定義的。第三節(jié) VXI器件二、二、 配置寄存器配置寄存器nVXI總線器件的寄存器分為兩大部分： 配置(組態(tài))寄存器和操作

9、寄存器，地址分配如圖3-13所示。其中，“器件類別相關的寄存器”隨器件類型而異?！捌骷嚓P的寄存器”完全由器件設計者定義。n配置寄存器: 共定義了六個配置寄存器，這些寄存器都是16位的，所有VXI總線器件都必須配備，其功能定義如圖3-14所示。 第三節(jié) VXI器件n 圖3-13 器件寄存器地址分配圖第三節(jié) VXI器件 圖 3.14 器件配置寄存器功能定義圖第三節(jié) VXI器件三、三、 器件類別相關的寄存器器件類別相關的寄存器 器件類別相關的寄存器隨器件類型不同定義不同，下面分述如下：n寄存器器件:VXI規(guī)范沒有對所有寄存器器件定義與器件類別相關的寄存器。 n消息型器件:定義了一組標準通信寄存器，

10、以支持VXI總線系統(tǒng)較高級的通信協(xié)議。其中，協(xié)議寄存器、響應寄存器和數據低寄存器是所有消息型器件必備的。n存儲器器件：定義了一個特征寄存器，是只讀寄存器，用來存放存儲器器件的一些重要特征。n擴展器件：定義為“子類和子類相關寄存器”，以便適應新一類的VXI總線器件。 第三節(jié) VXI器件n四、VXI器件的初始化和終止操作第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議一、一、 通信層次劃分通信層次劃分 VXI總線系統(tǒng)的通信協(xié)議分若干層次，由器件的不同硬件和軟件提供支持，如圖3-17所示。nVMEbus的讀/寫/中斷周期等操作:VXI總線系統(tǒng)最低層的通信協(xié)議。n中斷通信協(xié)議:指從者具有請求中斷周期，向其命令者傳送狀態(tài)/

11、識別字（STATUS/ID），表明它出于何原因請求中斷的一種能力；n字串行協(xié)議:受通信寄存器支持的，消息型器件必須執(zhí)行的，命令者/從者器件間通信應該恪守的標準通信規(guī)程。n共享存儲器協(xié)議：允許兩個非命令者/從者關系的、在同一種水平上的器件通過存儲器塊進行雙向通信 。nVXI儀器通信協(xié)議：器件執(zhí)行某些公共的測試操作命令。第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議 圖3-17 VXI 總 線 系 統(tǒng) 的 通 信 層 次第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議二、字串行通信協(xié)議二、字串行通信協(xié)議1. 傳送控制方式 字串行通信協(xié)議:是指命令者將命令/數據以串行方式向從者的某一固定寄存器單元(如數據寄存器)進行傳送的通信控制協(xié)議，

12、用于消息型命令者與消息型從者之間傳輸VXI字串行控制命令或數據。該協(xié)議推薦了兩種傳送控制方式： *正常傳送方式（NTM）:是一種軟件查詢非定時異步傳送方式，數據傳送進程由響應寄存器的有關位進行控制。 *快速掛鉤方式（FHS）:是用從者的DTACK*和BERR*信號線狀態(tài)強制定時的同步字串行序列傳送。 第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議n2.字/長字/擴展長字串行傳送 字串行通信有三種形式：字串行、長字串行和擴展長字串行，數據寬度分別為16位、32位和64位。n3字節(jié)傳送協(xié)議 字節(jié)傳送協(xié)議是命令者和從者之間傳輸8位數據，借助“字節(jié)有效”和“字節(jié)請求”兩個字串行命令完成。n4消息型器件可響應的字串行命令

13、 為了統(tǒng)一消息型器件在VXI總線系統(tǒng)運行中的行為規(guī)范，定義了29條不同能力消息型器件應選擇響應的字串行命令，如表3.8所示。 組態(tài)命令 (6): 正常操作命令 (7): 狀態(tài)無關命令 (16) : 第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議 三、三、 VXI儀器的基本操作協(xié)議儀器的基本操作協(xié)議 VXI總線規(guī)范在比系統(tǒng)結構更高的別級上，定義了反映測試儀器特征的VXI儀器設計規(guī)則，這就是VXI儀器協(xié)議。 所謂VXI儀器:就是指支持字串行通信協(xié)議，執(zhí)行表3.8列出的“正常操作命令”，接受VXI總線接口器件（如IEEE488-VXI接口）控制的消息型器件。 VXI儀器協(xié)議的傳輸如圖3-18所示。第四節(jié) VXI系統(tǒng)的

14、通信協(xié)議n 圖3-18 VXI總線儀器協(xié)議VXI接口器件VXI儀器VXI儀器要求的命令：Byte RequestByte AvailableClearVXI儀器可選的命令：TriggerRead STBSet LockClear LockVXI儀器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V

15、XI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接口器件接口器件VXI儀器儀器可選的命令：可選的命令：TriggerRead STBSet LockClear LockVXI儀器儀器要求的命令：要

16、求的命令：Byte RequestByte AvailableClearVXI儀器儀器可選的信號：可選的信號：request truerequest falseVXI儀器儀器第四節(jié) VXI系統(tǒng)的通信協(xié)議n1命令者到儀器的數據字節(jié)傳送: 利用“字節(jié)有效”命令，按字節(jié)傳送協(xié)議。n2儀器到命令者的數據字節(jié)傳送: 命令者傳送“字節(jié)請求”字串命令給儀器。n3清除VXI總線儀器:清除輸入/輸出序列緩沖器。n4觸發(fā)VXI總線儀器:n5. 本地封鎖:n6. 服務請求操作:支持“請求真(rt)”和“請求假(rf)”n7. 串行查詢操作:可選擇執(zhí)行“讀STB”命令。 第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)一、一、

17、VXI系統(tǒng)共用資源系統(tǒng)共用資源 VXI總線規(guī)范規(guī)定，系統(tǒng)共用資源器件用于總線系統(tǒng)資源管理: 第一是0號槽服務器件: 它在物理連接層向系統(tǒng)提供共用資源； 第二稱為資源管理器: 它提供系統(tǒng)的邏輯組態(tài)和管理服務。第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)n10號槽服務器件 0號槽器件向VXI總線系統(tǒng)的112號槽提供共用資源，其邏輯組成和主要功能可歸納為以下幾點：n系統(tǒng)時鐘功能模塊。提供SYSCLK(16MHZ)、 CLK10、CLK100和SYN100時鐘和同步信號；nSTARX和STARY星形觸發(fā)線程控組合矩陣；n系統(tǒng)復位等管理模塊。SYSRESET*、ACFAIL* 和SYSFAIL*信號；n模塊識別

18、功能模塊。驅動和接收 MODID00 MODID12線。第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)n2資源管理器 是提供總線系統(tǒng)組態(tài)和管理服務的VXI器件。一個資源管理器必須是具有命令者能力的消息型器件，其邏輯地址為0 ，通常也提供0號槽服務。資源管理器按其組態(tài)能力可分為靜態(tài)(SC-Static Configuration)資源管理器和動態(tài)(DC-Dynamic Configuration)資源管理器。nSC資源管理器為系統(tǒng)提供6種組態(tài)服務功能，通常在系統(tǒng)上電時執(zhí)行:n (1) 識別系統(tǒng)中所有的VXI總線器件n (2) 管理系統(tǒng)自測試和診斷序列 n (3) 配置系統(tǒng)的A24和A32地址空間 第五節(jié)第

19、五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)n(4) 配置系統(tǒng)的命令者/從者層級n(5) 分配VME總線的IRQ線n(6) 啟動正常系統(tǒng)操作 第第五五節(jié)節(jié) VXI測測試試系系統(tǒng)統(tǒng) 推薦了幾種典型的用戶測試系統(tǒng)的構成形式。 圖3-19 典型的VXI總線測試系統(tǒng)結構二、二、VXI系統(tǒng)的典系統(tǒng)的典型結構型結構第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)三、三、 VXI系統(tǒng)的控制計算機及接口系統(tǒng)的控制計算機及接口需要測試控制計算機來運行用戶測試應用程序、控制系統(tǒng)的總線操作、測試操作和數據處理。測試控制計算機可分為內嵌式和外接式兩種。n1. 內嵌式測試控制計算機 內嵌式測控計算機是按VXI總線規(guī)范設計的計算機模塊，插入主機箱的

20、個槽位的空間。對內嵌式測控控制器(計算機)的要求是：(1)與VME總線和高性能的VXI儀器總線相容；(2)支持VME周期操作和VXI總線字串行通信協(xié)議；(3)具有號槽服務和VXI總線系統(tǒng)資源管理能力；(4)還需提供通用計算機的能力。第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)n2外接測試控制計算機接口 外接一臺通用計算機作為VXI系統(tǒng)的測試控制控制計算機是多數用戶的選擇。但通用計算機不能直接和VXI系統(tǒng)總線相連，因此必須設計專用的接口轉換模塊，如圖3.20所示。通過設計這樣的接口轉換模塊，計算機原則上可以使用任何通信或儀器總線實現與VXI總線的信息交換，如GPIB、RS232、USB、IEEE1394

21、、LAN等。在目前VXI測試系統(tǒng)應用中，廣泛采用的外計算機接口有以下幾種： GPIB-VXI接口 , VXI-MXI接口 , 1394-VXI接口第五節(jié)第五節(jié) VXI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng) 圖 3-20 外接測試控制計算機與VXI系統(tǒng)的連接第六節(jié) VXI快速數據通道（FDC）n一、FDC的作用n二、FDC存儲器的定義n三、FDC存儲器的管理n四、FDC數據傳輸過程第七節(jié) VXI模塊的總線接口設計第八節(jié) 其它模塊式儀器總線n模塊式儀器總線還有很多，CAMAC，“個人儀器”總線（AT/PCI/CPCI ）等。近年影響重大，數PXI總線，nPXI（PCI eXtension for Instrumenta

22、tion）是PCI在儀器領域的擴展。它由PXI系統(tǒng)聯盟在1997年制定，將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術發(fā)展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范。PXI的目的是將通用PC的性價比優(yōu)勢應用到模塊式儀器領域，形成一種高性價比的虛擬儀器測試平臺。nPXI的優(yōu)勢在于：模塊體積更小，數據傳輸速率更高（總線最大帶寬為132Mb/s），受惠PC市場價格更低。但PXI在電磁兼容性（EMC）、單機箱插槽數量、電源品種、電源功率、冷卻能力等方面均不敵VXI總線。 第八節(jié)第八節(jié) 其它模塊其它模塊式儀器總線儀器總線一、PXI規(guī)范的體系結構nPXI總線規(guī)范涵蓋了三大方面的內容：機械規(guī)

23、范、電氣規(guī)范和軟件規(guī)范，如圖3-29所示。第八節(jié)第八節(jié) 其它模塊其它模塊式儀器總線儀器總線圖3-29PXI: PCI在儀器領域的擴展機械規(guī)范電氣規(guī)范軟件規(guī)范CompactPCIPXI新增特性PCI和CompactPCI儀器功能操作功能驅動軟件8槽IEC連接器EuroCard機械封條定義系統(tǒng)槽位置冷卻環(huán)境測試32/64位傳輸33MHz66MHz觸發(fā)總線局部總線參考時鐘星型觸發(fā)Windows NTWindows 95Windows 98Windows2000設備驅動程序VISA圖形API高級語言API第八節(jié)第八節(jié) 其它模塊其它模塊式儀器總線儀器總線1. 機械規(guī)范及特性 PXI和CompactPCI模塊的結構形狀,針孔連接器完全相同，兼容性使二者保持了較好的互操作性 。 PXI新增加：J2連接器定義64位PCI總線和PXI新增加的信號，環(huán)境測試和主動冷卻要求，“系統(tǒng)槽”必須位于最左端 。 第八節(jié)第八節(jié) 其它模塊其它模塊式儀器總線儀器總線n圖3-3