第2講以軟件定義模塊化儀器系統(tǒng)

第2講以軟件定義模塊化儀器系統(tǒng)第一頁，共42頁。第二講

以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)第二頁，共42頁?；仡?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第三頁，共42頁。以軟件為中心的發(fā)展趨勢PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數(shù)據(jù)用戶自定義功能配置軟件是(合成儀器)測試系統(tǒng)的核心…，軟件的任務(wù)就是去定義和控制硬件…——

Frost&Sullivan2006全球合成儀器測試設(shè)備報告第四頁，共42頁。模塊化I/O架構(gòu)可替換、升級、自定義PC處理器軟件模塊化I/O信號總線原始數(shù)據(jù)用戶自定義功能配置虛擬儀器——軟件定義的模塊化硬件架構(gòu)是英國國防部未來測試系統(tǒng)核心的必備技術(shù)——

MarcusRansom上校,英國國防部第五頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時同步模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O模塊化I/O…軟件采集模擬/數(shù)字信號傳輸原始數(shù)據(jù);控制模塊化儀器I/O之間的定時與同步自定義數(shù)據(jù)處理、分析、顯示、共享等第六頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時同步模塊化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)所要實現(xiàn)的自定義系統(tǒng)功能使系統(tǒng)級的設(shè)計和自定義成為可能第七頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時同步模塊化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)升級和維護(hù)成本更低，也更易于進(jìn)行擴展選擇標(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)所采用的技術(shù)體系具有長生命周期可通過軟件開發(fā)隨時增添更多功能使系統(tǒng)具有更好的長期可維護(hù)性第八頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與定時同步模塊化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)而不斷增強性能，同時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)第九頁，共42頁。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)和升級集成高速數(shù)據(jù)傳輸總線及定時同步總線的機箱背板集成高性能CPU的系統(tǒng)控制器可運行各種軟件程序；可通過編程自定義系統(tǒng)功能PXI:PCIeXtensionforInstrumentation第十頁，共42頁。PXI機箱背板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)信號數(shù)據(jù)總線由第2槽(定時槽位)發(fā)出的星型觸發(fā)總線,通過等長度路由設(shè)計到達(dá)其他各槽,使各槽位之間觸發(fā)信號偏差小于1ns

機箱背板上集成了一個10MHz的專用系統(tǒng)參考時鐘，為各槽位提供精確的定時參考信號控制器槽位第十一頁，共42頁。PXI模塊與機箱背板的連接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所特有的定時和同步觸發(fā)總線第十二頁，共42頁。PXI模塊化儀器不斷提升的性能指標(biāo)傳統(tǒng)臺式儀器分辨率(Bits)28262422201816141210841101001K10K100K1M10M100M1G10G100G采樣率(S/s)620042010200520111997NIPXI-40717?-digitFlexDMM業(yè)界最快、最精確的數(shù)字萬用表NIPXI-5922,24-bit,15MS/s業(yè)界最高分辨率數(shù)字化儀AgilentN6030A,15-bit,1.25GS/s業(yè)界最高更新速率的PXIAWGNIPXIe-51868-bit,12.5GS/s業(yè)界最高性能PXI數(shù)字化儀PhaseMatrixPXI-142026.5GHz業(yè)界最高頻PXI下變頻器第十三頁，共42頁。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多家會員廠商第十四頁，共42頁?；赑XI平臺的模塊種類模擬輸入/輸出數(shù)字輸入/輸出計數(shù)器/定時器帶有FPGA的可重配置I/O機器視覺運動控制信號調(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)生器動態(tài)信號分析儀高速數(shù)字I/O數(shù)字萬用表/LCR表開關(guān)射頻信號發(fā)生器矢量信號發(fā)生器矢量信號分析儀矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可編程電源/源測量單元...總線接口以太網(wǎng),USB,1394SATA,ATA/IDE,SCSIGPIBCAN/LIN/FlexRayDeviceNetRS-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...用于自動化測試與控制的模塊化I/O第十五頁，共42頁。PXI的廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、自動化測試、控制…實驗室自動化驗證測試生產(chǎn)線測試應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第十六頁，共42頁。通過PXI等模塊化儀器平臺集成最新技術(shù)Gen2/Gen3PCIExpressVirtualizationCloudComputingFPGAMulticoreDataConverter……MorePXI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)雜度第十七頁，共42頁。進(jìn)一步發(fā)展:集成PCIExpress技術(shù)將PCIExpress總線融合到PXI中,形成PXIExpress

(PXIe)進(jìn)一步顯著擴展傳輸總線帶寬基于差分串行的PCIExpress總線，實現(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PXIExpress的超高帶寬對于射頻/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》專題深入介紹第十八頁，共42頁。對于模塊化平臺的軟件編程模塊化平臺的軟件層次軟件如PCI/PXI/USB等測試管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境驅(qū)動軟件處理總線平臺模塊化I/O各種模塊化儀器如NI-DAQmx等如LabVIEW等如TestStand等第十九頁，共42頁。模塊化硬件驅(qū)動驅(qū)動的重要性：“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)動軟件可“暴露”不同程度的開放功能給用戶好的驅(qū)動應(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)動程序還應(yīng)提供硬件診斷、調(diào)試、維護(hù)管理等功能，從而進(jìn)一步方便開發(fā)者的使用第二十頁，共42頁。多種總線和平臺共存許多實際的測控系統(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,需要繼續(xù)維護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)USB:即插即用PXI

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CompactPCI最高帶寬;最低延時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)第二十一頁，共42頁。常見總線的帶寬和延時比較PCI/PXI(Express)具有最佳的傳輸帶寬和延時特性，因此最適合作為混合總線系統(tǒng)的核心(不會成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i)第二十二頁，共42頁。支持多種總線的混合總線系統(tǒng)第二十三頁，共42頁?；旌峡偩€測控系統(tǒng)舉例軟件通過軟件整合混合總線應(yīng)用，降低復(fù)雜性PXI選擇具有高吞吐量、低延時的PXI作為混合測試系統(tǒng)的核心445.5mmx177mmx434.8mm1個嵌入式PC1個定時控制設(shè)備1個100MS/s,14-bit的數(shù)字化儀(2通道)1個7?位的DMM1個100M高速數(shù)字I/O2個100MS/s,16-bit的任意波形發(fā)生器(共4通道)1個大電流通用繼電器開關(guān)1個500MHz多路復(fù)用器矩陣1個Ultra2SCSI接口1個1MS/s,12-bit模擬輸出(8通道)1個GPIB控制器和千兆以太網(wǎng)接口2個聲音和振動分析設(shè)備(共16通道)1個6.6GHz

RF下變頻器1個IF數(shù)字化儀1個空槽用于擴展基于GPIB/USB/LXI/串行總線以及用于VXI的MXI總線整合其他儀器平臺(通過PXI控制器上的接口及其他專用接口模塊連接)第二十四頁，共42頁。問題在實際的混合總線測控系統(tǒng)中，除了基于PXI、PCI、VXI等平臺的模塊化儀器之外，還往往需要對基于其他總線的臺式儀器進(jìn)行控制和通信總線從硬件上保障了通信的進(jìn)行，軟件方面如何實施？第二十五頁，共42頁。儀器控制(InstrumentControl)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，對分立儀器參數(shù)進(jìn)行配置和控制，并獲取分立儀器的測量數(shù)據(jù)的過程基于PC技術(shù)的控制器:如個人電腦、服務(wù)器、PXI控制器等儀器總線:GPIB、串口、USB、LAN等涉及的關(guān)鍵技術(shù)總線技術(shù)(總線的電氣連接定義)軟件驅(qū)動概念說明其實通過PCI/PXI/VXI等總線對模塊化儀器進(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，使開發(fā)者不必關(guān)心底層的儀器控制和通信技術(shù)第二十六頁，共42頁。儀器控制的軟件層次儀器驅(qū)動程序VISA接口硬件驅(qū)動如488.2驅(qū)動、串口驅(qū)動等對不同接口的抽象層針對特定儀器，如Agilent34401A驅(qū)動開發(fā)軟件環(huán)境如LabVIEW等軟件開發(fā)環(huán)境其實可以直接通過各種接口硬件驅(qū)動來與分立儀器通信，但是VISA可以使該過程簡化；而如果針對某一特定儀器已經(jīng)有了專用的儀器驅(qū)動程序，則可進(jìn)一步簡化儀器控制的過程都屬于驅(qū)動層第二十七頁，共42頁。VISA虛擬儀器軟件架構(gòu)(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)可通過高層次的API調(diào)用底層驅(qū)動可以控制基于GPIB、串口、USB、VXI以及其他總線的儀器，針對不同的儀器選擇所調(diào)用的底層驅(qū)動（如串口驅(qū)動或GPIB驅(qū)動），使上層用戶不必關(guān)心，簡化了儀器控制第二十八頁，共42頁。SCPI——與儀器“交談”時的“語言”GPIB、串口等接口總線和接口驅(qū)動、VISA等軟件層建立了通信鏈路相當(dāng)于電話線具體“通話”時傳遞信息的語言——SCPIStandardCommandsforProgrammableInstruments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查詢所支持的控制字符一些SCPI命令舉例*IDN? 查詢設(shè)備ID號*RST 設(shè)備reset*TST? 自檢MEAS? 讀取測量結(jié)果第二十九頁，共42頁。儀器驅(qū)動程序針對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)一步簡化了儀器控制操作模塊化儀器廠商對模塊化儀器所提供的驅(qū)動API也屬于儀器驅(qū)動程序可以訪問/idnet，免費獲取9,000多種不同廠商的儀器驅(qū)動程序第三十頁，共42頁。IVI——InterchangeableVirtualInstrumentation也是一種儀器驅(qū)動軟件層技術(shù)：“可互換虛擬儀器”仍然基于VISA技術(shù)，由國際組織制定規(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)出針對這一類儀器的驅(qū)動針對具體儀器的儀器驅(qū)動程序:針對某一儀器,如HP34401AIVI驅(qū)動:針對某一類儀器,如數(shù)字萬用表,示波器…優(yōu)缺點更加靈活安裝、配置、修改相對較復(fù)雜第三十一頁，共42頁?；旌峡偩€的虛擬儀器系統(tǒng)架構(gòu)總結(jié)測試系統(tǒng)管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅(qū)動內(nèi)部儀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IVI或VISA+底層接口驅(qū)動第三十二頁，共42頁。本課程對應(yīng)學(xué)習(xí)重點測試系統(tǒng)管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅(qū)動內(nèi)部儀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IVI或VISA+底層接口驅(qū)動本課程使用基于USB總線的NIELVIS/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)動使用方法與模塊化儀器驅(qū)動基本一樣不作為學(xué)習(xí)重點，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，是課程重點僅要求有所了解第三十三頁，共42頁。系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境常見的開發(fā)環(huán)境NILabVIEW直觀的圖形化開發(fā)編程環(huán)境，有時LabVIEW語言也叫G語言內(nèi)置豐富的測控相關(guān)控件和處理函數(shù)本課程學(xué)習(xí)的主要語言第三十四頁，共42頁。應(yīng)用開發(fā)環(huán)境LabVIEW提供大量現(xiàn)成的符合測控系統(tǒng)風(fēng)格的前面板控件，簡化界面設(shè)計與數(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，容易上手第三十五頁，共42頁。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)動進(jìn)行儀器控制通過IVI控制儀器第三十六頁，共42頁。LabVIEW與硬件的無縫連接(續(xù))PersonalComputersPXISystemsCompactRIOCustomDesignSingle-BoardRIOLabVIEW``Real-TimeLabVIEWDesktopLabVIEWFPGALabVIEWMPU/MCU代碼可發(fā)布到不同的執(zhí)行對象，包括嵌入式控制器、FPGA等第三十七頁，共42頁。LabVIEW集成的諸多功能基于配置的助手工具簡化開發(fā)多種模塊和工具包加速應(yīng)用開發(fā)內(nèi)置超過1,000種信號處理與分析函數(shù)近10種射頻與無線協(xié)議工具包機器視覺、運動控制報表生成,數(shù)據(jù)庫連接更多…針對多核處理器的優(yōu)化大型