第2講以軟件定義模塊化儀器系統第一頁，共42頁。第二講

以軟件定義的模塊化儀器系統第二頁，共42頁?；仡?儀器系統的技術發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192019652010第三頁，共42頁。以軟件為中心的發展趨勢PC處理器軟件模塊化儀器/分立儀器信號總線原始數據用戶自定義功能配置軟件是(合成儀器)測試系統的核心…，軟件的任務就是去定義和控制硬件…——

Frost&Sullivan2006全球合成儀器測試設備報告第四頁，共42頁。模塊化I/O架構可替換、升級、自定義PC處理器軟件模塊化I/O信號總線原始數據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是英國國防部未來測試系統核心的必備技術——

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、共享等第六頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統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；也可自行開發特殊模塊緊密集成不同的硬件模塊通過軟件開發所要實現的自定義系統功能使系統級的設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，并且保證系統所采用的技術體系具有長生命周期可通過軟件開發隨時增添更多功能使系統具有更好的長期可維護性第八頁，共42頁。以軟件定義的模塊化儀器系統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第九頁，共42頁。以基于PXI總線的模塊化系統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的系統控制器可運行各種軟件程序；可通過編程自定義系統功能PXI:PCIeXtensionforInstrumentation第十頁，共42頁。PXI機箱背板8條TTL傳輸線組成的觸發總線,允許系統中任意模塊都可產生觸發信號數據總線由第2槽(定時槽位)發出的星型觸發總線,通過等長度路由設計到達其他各槽,使各槽位之間觸發信號偏差小于1ns

機箱背板上集成了一個10MHz的專用系統參考時鐘，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總線第十二頁，共42頁。PXI模塊化儀器不斷提升的性能指標傳統臺式儀器分辨率(Bits)28262422201816141210841101001K10K100K1M10M100M1G10G100G采樣率(S/s)620042010200520111997NIPXI-40717?-digitFlexDMM業界最快、最精確的數字萬用表NIPXI-5922,24-bit,15MS/s業界最高分辨率數字化儀AgilentN6030A,15-bit,1.25GS/s業界最高更新速率的PXIAWGNIPXIe-51868-bit,12.5GS/s業界最高性能PXI數字化儀PhaseMatrixPXI-142026.5GHz業界最高頻PXI下變頻器第十三頁，共42頁。眾多主流儀器廠商的支持PXI系統聯盟(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/數字化儀函數發生器/任意波形發生器動態信號分析儀高速數字I/O數字萬用表/LCR表開關射頻信號發生器矢量信號發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/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現場控制現場數據采集系統第十六頁，共42頁。通過PXI等模塊化儀器平臺集成最新技術Gen2/Gen3PCIExpressVirtualizationCloudComputingFPGAMulticoreDataConverter……MorePXI具體將在《虛擬儀器技術的最新發展》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第十七頁，共42頁。進一步發展:集成PCIExpress技術將PCIExpress總線融合到PXI中,形成PXIExpress

(PXIe)進一步顯著擴展傳輸總線帶寬基于差分串行的PCIExpress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PXIExpress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開發軟件環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等第十九頁，共42頁。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)，可供應用開發環境軟件調用通常提供C/C++、LabVIEW及VB下的API接口，供使用相關開發語言的開發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、維護管理等功能，從而進一步方便開發者的使用第二十頁，共42頁。多種總線和平臺共存許多實際的測控系統內都存在多種儀器總線由歷史發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,需要繼續維護現有系統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/遠程系統第二十一頁，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的核心(不會成為數據傳輸的瓶頸)第二十二頁，共42頁。支持多種總線的混合總線系統第二十三頁，共42頁?；旌峡偩€測控系統舉例軟件通過軟件整合混合總線應用，降低復雜性PXI選擇具有高吞吐量、低延時的PXI作為混合測試系統的核心445.5mmx177mmx434.8mm1個嵌入式PC1個定時控制設備1個100MS/s,14-bit的數字化儀(2通道)1個7?位的DMM1個100M高速數字I/O2個100MS/s,16-bit的任意波形發生器(共4通道)1個大電流通用繼電器開關1個500MHz多路復用器矩陣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接口2個聲音和振動分析設備(共16通道)1個6.6GHz

RF下變頻器1個IF數字化儀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？第二十五頁，共42頁。儀器控制(InstrumentControl)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，使開發者不必關心底層的儀器控制和通信技術第二十六頁，共42頁。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Agilent34401A驅動開發軟件環境如LabVIEW等軟件開發環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，則可進一步簡化儀器控制的過程都屬于驅動層第二十七頁，共42頁。VISA虛擬儀器軟件架構(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)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——SCPIStandardCommandsforProgrammableInstruments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? 讀取測量結果第二十九頁，共42頁。儀器驅動程序針對某一特定儀器提供的一組API函數，可供應用開發者直接在應用開發軟件環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也屬于儀器驅動程序可以訪問/idnet，免費獲取9,000多種不同廠商的儀器驅動程序第三十頁，共42頁。IVI——InterchangeableVirtualInstrumentation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HP34401AIVI驅動:針對某一類儀器,如數字萬用表,示波器…優缺點更加靈活安裝、配置、修改相對較復雜第三十一頁，共42頁?；旌峡偩€的虛擬儀器系統架構總結測試系統管理軟件測控系統開發軟件環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+底層接口驅動第三十二頁，共42頁。本課程對應學習重點測試系統管理軟件測控系統開發軟件環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第三十三頁，共42頁。系統開發軟件環境常見的開發環境NILabVIEW直觀的圖形化開發編程環境，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習的主要語言第三十四頁，共42頁。應用開發環境LabVIEW提供大量現成的符合測控系統風格的前面板控件，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控制儀器第三十六頁，共42頁。LabVIEW與硬件的無縫連接(續)PersonalComputersPXISystemsCompactRIOCustomDesignSingle-BoardRIOLabVIEW``Real-TimeLabVIEWDesktopLabVIEWFPGALabVIEWMPU/MCU代碼可發布到不同的執行對象，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多種模塊和工具包加速應用開發內置超過1,000種信號處理與分析函數近10種射頻與無線協議工具包機器視覺、運動控制報表生成,數據庫連接更多…針對多核處理器的優化大型