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、自動測試技術等相關課程教師授課使用與參考. 教師可根據課程需要和實際情況在此課件基礎上增刪內容本課件版權屬NI(中國)公司所有，供中國大陸地區(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聯系NI(中國)公司高校市場部獲得免費使用授權 (聯系方式 )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容, 請與NI(中國)公司高校市場部聯系獲得授權第二講以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)回顧: 儀器系統(tǒng)的技術發(fā)展真空管技術晶體管技術(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信號總線總線原始數據原始數據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)測試系統(tǒng)的核心，軟件的任務就是去定義和控制硬件 Frost & Sullivan 2006全球合成儀器測試設備報告模塊化I/O架構可替換、升級、自定義PC處理器處理器軟件軟件模塊化模塊化I/O信號信號總線總線原始數據原始數據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是英國國防部未來測試系統(tǒng)核心的必備技術 Marcus Ransom上校, 英國國防部以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數據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

3、采集模擬/數字信號傳輸原始數據; 控制模塊化儀器I/O之間的定時與同步自定義數據處理、分析、顯示、共享等以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數據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)所要實現的自定義系統(tǒng)功能使系統(tǒng)級的設計和自定義成為可能以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數據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使系統(tǒng)升級和維護成本更低，也更易于進行擴展選擇標準化的總線技術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性以軟件定義的模塊化儀器系統(tǒng)數據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軟件模塊化架構便于在短時間內集成最新技術基于PC的標準總線技術隨著PC技術的演進而不斷增強性能，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的復雜度便于利用最新技術以基于PXI總線的模塊化系統(tǒng)為例模塊化架構可以根據需要選擇合適的I/O模塊，并且便于系統(tǒng)維護和升級集成高速數據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: PC

5、I eXtension for Instrumentation PXI機箱背板8條TTL傳輸線組成的觸發(fā)總線, 允許系統(tǒng)中任意模塊都可產生觸發(fā)信號數據總線由第2槽 (定時槽位) 發(fā)出的星型觸發(fā)總線, 通過等長度路由設計到達其他各槽, 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數據總線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PXI模塊化儀器不斷提升的性能指標傳統(tǒng)臺式儀器傳統(tǒng)臺式儀器分辨率 (Bi

6、ts)28262422201816141210841101001K10K100K1M10M100M1G10G100G采樣率 (S/s)6200420102005 20111997NI PXI-4071 7-digit FlexDMM業(yè)界最快、最精確的數字萬用表NI PXI-5922, 24-bit, 15 MS/s業(yè)界最高分辨率數字化儀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)聯盟 (PXISA) 成立于1998年, 目前有70多家會員廠商基于PXI平臺的模塊種類模擬輸入/ 輸出數字輸入/ 輸出計數器/ 定時器帶有FPGA的可重配置I/O機器視覺運動控制信號調理溫度/ 應變/ 壓力/ 加速度LVDT/RVDT. . .示波器/ 數字化儀函數發(fā)生器/ 任意波形發(fā)生器動態(tài)信號分析儀高速數字I/O數字萬用表/ LCR表開關射頻信號發(fā)生器矢量信號發(fā)生器矢量信號分析儀矢量網絡分析儀可編程電源/ 源測量單元. . .總線接口以太網, 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/OPXI的廣泛應用數據采集、自動化測試、控制實驗室自動化驗證測試生產線測試應用工業(yè)現場控制現場數據采集系統(tǒng)通過PXI等模塊化儀器平臺集成最新技術Gen2/Gen3PCI ExpressVirtualizationCloud ComputingFPGAMulticoreData Conver

9、terMorePXI具體將在虛擬儀器技術的最新發(fā)展專題深入介紹結合高效的軟件工具可進一步降低使用這些新技術的復雜度進一步發(fā)展: 集成PCI Express技術 將PCI Express總線融合到PXI中, 形成PXI Express (PXIe) 進一步顯著擴展傳輸總線帶寬 基于差分串行的PCI Express總線，實現高達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的超高帶寬對于射頻/寬帶中頻、圖像采集、高速并行數字I/O等應用具有重要意義具體將在虛擬儀器技術的最新發(fā)展專題深入介紹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

10、 / PXI / USB等測試管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境驅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等模塊化硬件驅動 驅動的重要性：“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 (應用程序接口)，可供應用開發(fā)環(huán)境軟件調用 通常提供C/C+、LabVIEW及VB下的API接口，供使用相關開發(fā)語言的開發(fā)者調用 功能性 同樣的硬件通過不同的驅動軟件可“暴露”不同程度的開放功能給用戶 好的驅動應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 除了提供應用程序接口外，好的驅動程序還應提供硬件診斷、調試、維護管

11、理等功能，從而進一步方便開發(fā)者的使用多種總線和平臺共存 許多實際的測控系統(tǒng)內都存在多種儀器總線 由歷史發(fā)展和特殊的具體應用所決定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)維護現有系統(tǒng)USB: 即插即用PXI / 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/遠程系統(tǒng)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 (不會成為數據傳輸的瓶頸)支持多種總線的混合總線系統(tǒng)混合總線測控系統(tǒng)舉例軟件通過軟件整合混

12、合總線應用，降低復雜性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445.5 mm x 177 mm x 434.8 mm1個嵌入式PC1個定時控制設備1個100 MS/s, 14-bit 的數字化儀(2通道)1個7 位的DMM1個100 M 高速數字I/O2個100 MS/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1個500 MHz多路復用器矩陣1個Ultra2 SCSI接口1個1 MS/s, 12-bit模擬輸出(8通道)1個GPIB控制器和千兆以太網接口2個聲音和振動分析設備(共16通道)1個6.6 GHz RF下變頻器1個IF數字化儀1個空槽

13、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)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行控制和通信 總線從硬件上保障了通信的進行，軟件方面如何實施？儀器控制 (Instrument Control) 儀器控制 基于PC技術的控制器通過儀器總線連接分立儀器，對分立儀器參數進行配置和控制，并獲取分立儀器的測量數據的過程 基于PC技術的控制器: 如個人電腦、服務器、PXI控制器等 儀器總線: GPIB、串口、USB、LAN等

14、涉及的關鍵技術 總線技術 (總線的電氣連接定義) 軟件驅動 概念說明 其實通過PCI / PXI / VXI 等總線對模塊化儀器進行控制和數據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動，使開發(fā)者不必關心底層的儀器控制和通信技術儀器控制的軟件層次儀器驅動程序VISA接口硬件驅動如488.2驅動、串口驅動等對不同接口的抽象層針對特定儀器，如Agilent 34401A驅動開發(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有了專用的儀器驅動程序，則可進一步簡化儀

15、器控制的過程都屬于驅動層VISA 虛擬儀器軟件架構 (Virtual Instrument Software Architecture) 可通過高層次的API調用底層驅動 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用的底層驅動（如串口驅動或GPIB驅動），使上層用戶不必關心，簡化了儀器控制VISAVirtual Instrument System ArchitectureSerialGPIBUSBVXISCPI 與儀器“交談”時的“語言” GPIB、串口等接口總線和接口驅動、VISA等軟件層建立了通信鏈路 相當于電話線 具體“通話”時傳遞信息的語言SC

16、PI Standard Commands for Programmable Instruments 本質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?查詢設備ID號 *RST設備reset *TST?自檢 MEAS?讀取測量結果儀器驅動程序針對某一特定儀器提供的一組API函數，可供應用開發(fā)者直接在應用開發(fā)軟件環(huán)境中調用 用戶不需要通過SCPI與儀器打交道，也不需要學習底層硬件接口編程控制甚至不需要學習VISA編程 使用更加直觀，進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動API也屬于儀器驅動

17、程序 可以訪問 Virtual Instrumentation 也是一種儀器驅動軟件層技術：“可互換虛擬儀器” 仍然基于VISA技術，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，進而開發(fā)出針對這一類儀器的驅動 針對具體儀器的儀器驅動程序: 針對某一儀器, 如HP34401A IVI驅動: 針對某一類儀器, 如數字萬用表, 示波器 優(yōu)缺點 更加靈活 安裝、配置、修改相對較復雜混合總線的虛擬儀器系統(tǒng)架構總結測試系統(tǒng)管理軟件測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅動內部儀器總線模塊化儀器分立式儀器總線分立式儀器現成儀器驅動IVI 或 VISA+底層接口驅動本課程對應學習重點測試系統(tǒng)管理軟件

18、測控系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境模塊化儀器驅動內部儀器總線模塊化儀器分立式儀器總線分立式儀器現成儀器驅動IVI 或 VISA+底層接口驅動本課程使用基于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驅動使用方法與模塊化儀器驅動基本一樣不作為學習重點，今后工作中如有需要可自學，較容易貫通以LabVIEW學習為主，是課程重點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LabVIEW語言也叫G語言 內置豐富的測控相關控件和處理函數 本課程學

19、習的主要語言應用開發(fā)環(huán)境LabVIEW提供大量現成的符合測控系統(tǒng)風格的前面板控件，簡化界面設計與數據表達直觀的數據流編程方式，符合工程思維方式，并且無需學習文本編程語法規(guī)則，容易上手LabVIEW與硬件的無縫連接模塊化儀器通過VISA進行儀器控制通過Plug&Play儀器驅動進行儀器控制通過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化開發(fā) 多種模塊和工具包加速應用開發(fā) 內置超過1,000種信號處理與分析函數 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, 數據庫連