1 VXI—跨世紀(jì)的儀器總線
VXI總線是VMEbus Extension for Instrumentation的縮寫，即VME總線在測量儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。這是一種新型測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)總線，其總線標(biāo)準(zhǔn)是一種在世界范圍內(nèi)完全開放的、適用于各國不同的廠家、不同應(yīng)用領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于它是電子儀器發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑，因此被國內(nèi)外專家譽(yù)為“跨世紀(jì)的儀器總線”、“劃時(shí)代的技術(shù)成果”，并被認(rèn)為是電子儀器和自動測試領(lǐng)域的“第三次革命”。VXI總線系統(tǒng)自80年代末問世以來，對國際儀器儀表自動化測控技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響，已成為國內(nèi)外關(guān)注的“熱點(diǎn)”。
VXI總線系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化、模塊化的顯著優(yōu)點(diǎn)，集測量、計(jì)算、通信功能于一體，是國際90年代一項(xiàng)高、新科技。它不僅繼承了GPIB智能儀器和VME總線的特點(diǎn)，還有高速、模塊化、易于使用等優(yōu)勢。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)它是國際上最新推出的開放式儀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主機(jī)箱、“0槽”控制器、具有各種功能的模塊化儀器和驅(qū)動軟件、軟面板(SFP)、軟件開發(fā)平臺以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。
(2)它采用了當(dāng)代多項(xiàng)高、新技術(shù)，包括微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動測試技術(shù)、圖形處理技術(shù)(虛擬儀器，軟面板)、智能化儀器儀表等光、電、機(jī)技術(shù)。
(3)其核心思想是使VXI產(chǎn)品成為開放式結(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，使用靈活。用戶購買VXI總線產(chǎn)品之后，在組建系統(tǒng)時(shí)能真正做到“即插即用”(Plug & Play)，立竿見影。人機(jī)界面良好，接近于“傻瓜”照相機(jī)的靈活程度。
(4)采用背板結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率快(40MB/s)，吞吐量大，系統(tǒng)組建靈活方便，易于同其他總線兼容。
(5)儀器系統(tǒng)由傳統(tǒng)的“多機(jī)箱堆放式”發(fā)展成“單機(jī)箱多模塊式”。它具有安裝密度高、體積小、重量輕、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。因其外形尺寸小，故可提高被測信號的保真度，能減小儀器與被測裝置的引線長度，降低系統(tǒng)噪聲和改善屏蔽效果。
(6)測試性能優(yōu)良，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，是對傳統(tǒng)測試系統(tǒng)更新?lián)Q代的理想產(chǎn)品。
(7)采用模塊化的嚴(yán)密設(shè)計(jì)與工藝保證，使之具有很高的可靠性，良好的電磁兼容性和很強(qiáng)的抗干擾能力，具有有效的自檢與自診斷能力和良好的可維修性，大大延長了使用壽命。其平均故障間隔時(shí)間(MTBF)一般能達(dá)到10萬小時(shí)，最高可達(dá)70萬小時(shí)(折合80年使用期!)
(8)資源利用率高，很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大縮短研制周期。能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，系統(tǒng)易于升級和擴(kuò)展，易于根據(jù)各種現(xiàn)場的需要方便地快速地更換模塊，重新組合系統(tǒng)。因此，即使若干年后老機(jī)型被淘汰，其主體部分(如計(jì)算機(jī)、VXI機(jī)箱、VXI模塊等)還可用于新機(jī)型，資源的重復(fù)使用率高達(dá)75%～85%，能將設(shè)備的成本及投資風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
(9)VXI總線系統(tǒng)有著豐富的軟件開發(fā)工具。測試人員只需調(diào)出代表儀器的圖標(biāo)，輸入相關(guān)的條件和參數(shù)，利用鼠標(biāo)器按測試流程將有關(guān)儀器連接起來，即可完成全部編程工作，自動生成測試程序，并以用戶指定方式顯示測量結(jié)果。
(10)便于用戶自行開發(fā)“虛擬儀器”。虛擬儀器(VI)是測量儀器、計(jì)算機(jī)與軟件這三者的有機(jī)結(jié)合。它將儀器硬件(例如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字I/O)、計(jì)算機(jī)資源(如微處理器，存儲器，顯示器)、軟件(例如軟面板，圖形界面，數(shù)據(jù)處理，信息交換等)有效地結(jié)合起來，構(gòu)成軟硬結(jié)合、虛實(shí)共體的新一代電子儀器。
2 VXI總線系統(tǒng)的發(fā)展史
2.1 國際發(fā)展動態(tài)
1987年，由美國的惠普(HP)、泰克(TEK)、雷卡(Racal)等5家公司在國際上率先成立了VXI總線聯(lián)合體，開創(chuàng)了VXI的新紀(jì)元。1988年美國制定了VXI總線軍用標(biāo)準(zhǔn)，1992年又制定了IEEE—1155標(biāo)準(zhǔn)。1993年制定了VXI“即插即用”(又譯為“插入即用”)標(biāo)準(zhǔn)，并成立了VXI“即插即用”系統(tǒng)聯(lián)盟。1996年，VXI總線系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全球標(biāo)準(zhǔn)化。與此同時(shí)，VXI市場已形成一定的規(guī)模。目前，全世界已有數(shù)百家工廠生產(chǎn)上千種產(chǎn)品。VXI模塊和系統(tǒng)的銷售額正以每年遞增30%～40%的高速度發(fā)展，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他儀器的增長率。預(yù)計(jì)到2000年，大約有50%的測試系統(tǒng)將使用VXI。VXI正在高新技術(shù)領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的生命力。例如，美國將在2002年建成距地球380公里高空、有兩個(gè)足球場大的永久性空間站，Maxsys公司最近已研制出基于VXI的能夠模擬空間站上敏感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的SES系統(tǒng)，它包括溫度及壓力傳感器、繼電器、開關(guān)、電壓源、電流源、程控負(fù)荷。目前，一方面正在制定與完善各種VXI總線技術(shù)規(guī)范，另一方面則加速VXI總線平臺的開發(fā)與推廣工作。VXI總線必將在21世紀(jì)發(fā)揮更大作用。
2.2 VXI總線系統(tǒng)在我國的發(fā)展應(yīng)用
近年來VXI總線系統(tǒng)在國際上獲得迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，立即引起國內(nèi)測量儀器和自動測試領(lǐng)域?qū)＜覀兊臉O大興趣與高度重視。1990年，我國與VXI總線聯(lián)合體建立了正式聯(lián)系，1993年航天部門首先開始引進(jìn)VXI產(chǎn)品。在94～95年期間我國多次舉辦過國際VXI產(chǎn)品展覽會，1995年中國計(jì)算機(jī)自動測量與控制技術(shù)協(xié)會和中國計(jì)量測試學(xué)會還先后組建“VXI技術(shù)委員會”和“VXI應(yīng)用技術(shù)服務(wù)中心”。此后，VXI總線系統(tǒng)開始全面進(jìn)入國內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域。如果說“八五”初期國內(nèi)對該項(xiàng)新技術(shù)尚為“隔岸觀火”，“八五”后期開始“躍躍欲試”，那么“九五”規(guī)劃期間則是“競相快上，大展宏圖”的全面起動階段，這正是歷史的機(jī)遇。近幾年來，我國對VXI總線系統(tǒng)經(jīng)歷了從“技術(shù)跟蹤——產(chǎn)品引進(jìn)——開發(fā)研制——推廣應(yīng)用”四個(gè)階段，已在該技術(shù)領(lǐng)域獲得長足發(fā)展，并取得一批重要科研成果
。由航天測控公司承擔(dān)的國家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目VXI總線C尺寸系列功能模塊(包括5位半DVM、A/D模塊、D/A模塊、I/O模塊、計(jì)數(shù)模塊等10余種)早已通過鑒定。由航天工業(yè)總公司三十五所研制成功的“智能化VXI總線目標(biāo)模擬器控制和驅(qū)動模塊”、由二院研制的“某型飛行器自動測控系統(tǒng)”、由中國科技大學(xué)等單位研制的“通訊產(chǎn)品自動測試系統(tǒng)”等等，標(biāo)志著我國電子儀器及自動測控技術(shù)已跨入國際先進(jìn)領(lǐng)域。我國航空航天系統(tǒng)已決定從戰(zhàn)斗機(jī)到干線飛機(jī)均采用VXI總線系統(tǒng)；長征三號、長征四號B、長征二號丁等大型運(yùn)載火箭的測控系統(tǒng)也以VXI總線作為今后更新?lián)Q代的首選目標(biāo)。
3 VXI總線儀器系統(tǒng)集成
3.1 VXI總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)模塊
分A尺寸(3.9×6.3英寸)、B尺寸(9.2×6.3英寸)、C尺寸(9.2×13.4英寸)、D尺寸(14.4×13.4英寸)四種。其中，C尺寸約占85%。VXI的電氣結(jié)構(gòu)是在0槽控制器的控制下，各儀器模塊可通過高速通信通道聯(lián)絡(luò)，同步工作，儀器之間經(jīng)局部總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。機(jī)箱分5槽、13槽等規(guī)格。
3.1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
VXI總線系統(tǒng)可簡化為資源管理器和組態(tài)寄存器兩種。資源管理器用于完成下述軟件功能：識別所有的儀器，對管理器進(jìn)行自檢，分配存儲器，分配中斷線，分配通信等級。資源管理器可管理0～255共計(jì)256個(gè)VXI總線儀器。
VXI總線組態(tài)寄存器用于存儲儀器模塊的各種信息。每個(gè)VXI總線儀器都包含以下信息：儀器型號及裝置類型，通信能力，狀態(tài)信息，存儲器的需求。VXI總線的通信又分兩種類型：消息基，寄存器基。前者支持高級的標(biāo)準(zhǔn)VXI總線通信協(xié)議，例如字串行協(xié)議；后者不支持高級通信協(xié)議，僅支持VXI總線的配置寄存器，因此不能通用。
3.1.3 控制器結(jié)構(gòu)
常用的控制器有以下幾種：
a.IEEE-488控制器。它可以接幾個(gè)主機(jī)箱，亦可同時(shí)接IEEE-488儀器。其特點(diǎn)是具有最普通的儀器界面，容易將VXI總線儀器與IEEE-488儀器混合使用，最高傳輸速率為1MB/s，速度最慢，最多可控制168個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，價(jià)格最低。
b.嵌入式(亦稱內(nèi)置式)VXI總線控制器。它能直接放入主機(jī)箱中，并具有一臺通用計(jì)算機(jī)(486或586微機(jī))的全部功能。其主要特點(diǎn)是外形尺寸小，能直接控制VXI總線及12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，傳輸速率達(dá)40MB/s，速度最快。
c.MXI控制器。其價(jià)格與IEEE-488控制器相當(dāng)，傳輸速率可達(dá)(20～33)MB/s。
3.1.4 VXI即插即用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
采用VXI即插即用標(biāo)準(zhǔn)能夠降低成本并完全支持對VXI儀器、控制器和軟件的操作，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成與軟件編程。該系統(tǒng)是通過一個(gè)被稱作“框架”的特殊部分，用作聯(lián)接VXI總線儀器與系統(tǒng)軟件的橋梁。此框架能提供可操作的軟件，并規(guī)定了一個(gè)良好的軟、硬件環(huán)境。目前通用的框架就是由Windows所支持的，稱為WIN框架。它是基于Windows軟件，采用Intel PC技術(shù)支持最廣泛的編程語言，并可移植到視窗98環(huán)境中。
從技術(shù)上講，WIN框架采用Windows的圖形用戶界面，通過動態(tài)聯(lián)接庫(DLL)和虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(VISA)通信I/O來控制VXI儀器。WIN框架包括儀器驅(qū)動器、軟面板、在線文件、基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、VISA通信I/O和標(biāo)準(zhǔn)安裝程序。VXI即插即用系統(tǒng)的應(yīng)用程序必須通過VISA通信I/O之后，才能經(jīng)硬件I/O去控制VXI總線儀器。
3.2 系統(tǒng)集成
3.2.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)集成由硬件(主機(jī)箱、控制器和儀器模塊)和軟件所組成。下面給出由HP公司提供的系統(tǒng)集成典型實(shí)例：
●E1401B型C尺寸13槽主機(jī)箱
●E1406A型0槽控制器
●外部控制器(586微機(jī))
●E2073型HPIB總線接口卡
●E1411B型5位半數(shù)字多用表模塊
●E1428A型數(shù)字示波器模塊
●E1340A型函數(shù)發(fā)生器模塊
●E1413B型64通道A/D模塊
●E1328A型4通道D/A模塊
●E1330B型32通道數(shù)字I/O模塊
●E1469A型4×16繼電器開關(guān)模塊
●HP/VEE5.0軟件
3.2.2 軟件的安裝
首先要安裝VISA通信I/O，再裝入所需的編程語言，最后裝儀器的軟件。儀器軟件包含軟面板、驅(qū)動程序、在線文件、基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的目錄結(jié)構(gòu)。
3.2.3 系統(tǒng)檢驗(yàn)
在系統(tǒng)集成之后應(yīng)操作儀器的軟面板，檢查儀器的通信是否正常。
參考文獻(xiàn)
［1］ Gauravgoel.Hahly flexible Production Testing With LabVIEW and VXI.VXI Journal Winter,1996
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