Информационно-измерительные технологии на базе стандарта VXIbus (обзор)
В. Н. Леньшин, ЦАТИ, Москва
Одним из прогрессивных направлений развития шины VMEbus является ее расширение VXI (VMEbus eXtention for Instrumentation - расширение VMEbus для измерительной техники). Основываясь на шине VMEbus и полностью включая ее как подмножество, интерфейс VXI представляет собой самостоятельный стандарт на контрольно-измерительную и управляющую аппаратуру высшего класса точности.
 

Введение

Первоначально стандарт был ориентирован на применение, в основном, в военно-промышленном комплексе для создания контрольно-диагностического и радиоизмерительного оборудования. В связи с тем, что стандарт разрабатывался специально для такого класса задач, он удовлетворяет большинству военно-промышленных стандартов, включая MIL-45662А, соответствует промышленному стандарту качества ISO 9000, а также стандартам на электромагнитную совместимость и помехозащищенность (EN 55011, EN 50082-1). Все технические решения, обеспечивающие эти требования, учтены в аппаратуре VXI еще на стадии проектирования и не требуют дополнительных затрат на их обеспечение при сборке системы и ее эксплуатации.

В настоящее время интерфейс VXI является наиболее перспективным для создания контрольно-диагностических и высокопрецизионных измерительно-управляющих систем и комплексов самого различного назначения. На западном рынке он имеет устойчивую динамику роста выпускаемой и реализуемой продукции (по сравнению с любым иным базовым контрольно-диагностическим оборудованием), устойчивую тенденцию к техническому совершенствованию и расширению областей применения.

Большинство ведущих приборостроительных фирм реализуют свою продукцию в стандарте VXI, рассматривая его как основу построения современных приборов и аналитического оборудования. Применение стандартного промышленного магистрально-модульного интерфейса VMEbus /IЕС821/IЕЕЕ, ANSI 1014 дало возможность производителям измерительной аппаратуры повысить конкурентоспособность своей продукции и наряду с высокой точностью обеспечить ее высокую производительность. Традиции приборостроительных компаний, выпускавших, как правило, функционально-законченные изделия, дали новое направление в развитии магистрально-модульных измерительных систем (ММИС). ММИС на базе VXIbus отличаются высокой степенью интеллекта на всех уровнях аппаратных и программных средств, что значительно снижает затраты на разработку, создание, отладку и эксплуатацию прикладных VXI-систем. Комплексный подход к разработке стандарта позволил все чаще говорить не просто о шине VXI, а о VXI-технологиях в области информационно-измерительной техники, направленных на максимальное облегчение труда разработчиков и пользователей систем автоматизации. Не случайно, что большинство производителей VXI-аппаратуры стали членами объединенной программы plug&play ("установи и работай"), направленной на достижение полной совместимости продукции различных изготовителей, а также на снижение трудоёмкости освоения VXI-систем до уровня бытовой техники.

Привлекательность нового стандарта оказалась настолько высокой, что большинство потребителей, использовавших традиционную цифровую измерительную технику, без раздумий сделали ставку на VXI-аппаратуру. Особую популярность этот стандарт приобретает при автоматизации испытаний и исследований сложных технических объектов и комплексов, при создании систем контроля, диагностики и мониторинга, когда цена точности и надежности выше сиюминутной экономии средств на закупку. При модернизации своей исследовательской и испытательной базы такие фирмы, как General Electric, Boeing, Lockheed, General Dynamics, Martin Marietta, ABB, ITT, Shell, Shevron и др. активно внедряют VXI-технологии при разработке и испытаниях новых видов продукции.

В настоящем обзоре не предполагается давать подробное описание стандарта, а ставится задача изложить общие принципы построения VXI-систем, представить варианты конфигураций, а также возможности технических и программных средств.

История

В своем развитии стандарт VXI прошел следующие основные этапы:

  • 1984 - Образование Группы пользователей MATE ВВС США
В рамках программы MATE (Modular Automated Test Equipment) по заказу ВВС США фирма Hewlett-Packard разработала идеологию одноплатных цифровых измерительных приборов высокой точности, предназначенных для тестирования бортового оборудования. Позднее об ориентации на одноплатные модульные приборы заявили ВМФ США по программе CASS (Consolidated Automated Support System) и Армия США по программе IFTE (Intermediate and Field Test Equipment).

  • Апрель 1987 - Образование VXI-Консорциума
Первоначально в VXI-Консорциум вошло пять фирм: Hewlett-Packard, Colorado Data Systems, Racal-Dana Instruments, Tektronix, Wavetek. Консорциум обеспечивает координацию и единую (в рамках стандарта) техническую политику среди производителей, разработку и усовершенствование спецификаций стандарта, сертификацию и регистрацию новых разработок технических и программных средств, информационно-методическое обслуживание пользователей и т.п.

В настоящее время VXI-Консорциум насчитывает более 200 членов - разработчиков, производителей и пользователей VXI-продукции.

  • Июль 1987 - Публикация Спецификации VXIbus, Версия 1.0
  • Июль 1989 - Публикация VXIbus, Версия 1.3
  • 1990/1991 - Подготовка стандарта IEEE 1155
    • Первое голосование - ноябрь 1990
    • Третье голосование - декабрь 1991
  • 1994 - Создание Программы Интеграции VXIplug&play
Дальнейшее развитие стандарта VXI и создание новой индустрии в области "VXI-технологий" направлено на учет специфических требований и выработку рекомендаций для применения в отдельных прикладных отраслях, например, для построения автоматизированных систем наземного контроля и испытаний авиационной и космической техники, что подтверждено решением подкомитета корпорации ARINC (Aero-space Radioelectronic incorporated) в 1990 г.

Общие сведения о шине VXIbus

В рамках стандарта на шину VXIbus разработчикам удалось совместить преимущества двух подходов к построению измерительных систем, конкурировавших между собой в восьмидесятые годы - на базе ММИ и на основе приборно-стоечного исполнения. Основные очевидные преимущества систем на базе ММИ:

  • гибкость и легкая перестраиваемость архитектуры,
  • высокая скорость обмена по магистрали между модулями,
  • невысокая стоимость и малые габариты систем.
К достоинствам элементов приборно-стоечных систем можно отнести:

  • высокую точность и чувствительность измерений,
  • помехозащищенность,
  • функциональную законченность приборов и возможность их автономного использования,
  • возможность программирования приборов на уровне макросообщений.
Создатели VXIbus не стали разрабатывать новый стандарт с нуля, а объединили имеющиеся стандарты-лидеры - VME (для магистрально-модульных систем) и GP-IB/IEEE-488 (для приборно-стоечных систем). Для расширения функциональных возможностей и повышения технических характеристик шины VMEbus, а также в целях дальнейшего развития стандарта в VXI были введены следующие дополнительные требования (рис. 1). Основные среди них:

  • стандартизованные повышенные требования к качеству электропитания в крейте,
  • унификация регистровой структуры модулей,
  • наличие Менеджера ресурсов,
  • выделение функций Командного модуля и Слота 0,
  • введение дополнительной 32-битовой локальной шины,
  • расширение системы синхронизации,
  • введение аналоговой шины и шины идентификации.
Также расширение VXI включает в себя использование дополнительных типоразмеров плат в стандарте Евромеханика и применение увеличенного шага межмодульных соединений в размерах крейта С и D. Увеличение размеров используемых плат обуславливается необходимостью применения одноплатной технологии для модулей повышенной чувствительности (до единиц нановольт), для высокоскоростных регистраторов и осциллографов (до десятков ГГц), а также для многоканальных (более 100) измерительных коммутаторов.

Дополнительные шины и линии магистрали VXI занимают неиспользуемые в VMEbus контакты на разъеме Р2, а также контакты разъема Р3 (для плат размера D). Распределение шин по разъемам показано на рис. 2. Назначение всех шин и линий, входящих в состав магистрали VXIbus, приводится в системных спецификациях на стандарт, например, System Specification VXI-1, Revision 1.4 (April 21, 1992).

Из рисунка видно, что все модули размера А и большинство модулей размера В конструктивно, электрически и логически совместимы со стандартом VMEbus и могут использоваться в VME-системах. В то же время в VXI-системах могут использоваться все модули VME, однако в этом случае они должны поддерживаться стандартными для VXI программными драйверами.

Базовые конфигурации VXI-систем

Основные базовые конфигурации VXI-систем можно разделить на два типа. К первому относятся конфигурации, использующие в качестве управляющей ЭВМ внешний стандартный компьютер, к которому подключаются один или несколько каркасов (крейтов) VXI, связанных с реальным объектом или процессом и реализующих функции измерения и управления.

Второй вариант конфигурации основан на использовании встроенных в VXI-крейт модульных одноплатных компьютеров, выполняющих также функции командного модуля (контроллера) шины VXI. Тот или иной вариант построения VXI-системы имеет свои технические и экономические преимущества и выбирается в зависимости от сложности и величины задачи автоматизации.

Системы на базе внешнего компьютера
На рынке VXI-продукции в настоящее время имеются готовые технические и программные средства для подключения VXI-аппаратуры, практически, к любому современному стандартному компьютеру: РС-совместимому (PC AT/386/486/Pentium), IBM PS/2, Macintosh/Power Macintosh, Notebook (PCMCIA), рабочим станциям HP PA-RISC/9000, Sun SPARCstation, IBM RISC System/6000, DEC Alpha, DEC VAXstation, DEC MicroVAX. В качестве системного интерфейса связи VXIbus с внешним компьютером могут использоваться:

  • последовательные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485;
  • приборный интерфейс QP-IB (IEEE-488);
  • высокоскоростные параллельные интерфейсы MXI, VXLink.
На рисунках 3, 4 приведены основные варианты конфигураций, использующих различные системные интерфейсы связи между компьютером и командным модулем VXI.

С точки зрения пользователя, они отличаются скоростью передачи информации, возможностью удаления VXI-аппаратуры от компьютера и числом подключаемых крейтов без специальных средств расширения. По производительности последовательные интерфейсы могут обеспечить максимальную скорость обмена (RS-485) до 1200 Кбит/с с числом подключаемых крейтов до 20 и удалением их от компьютера до 1 км.

На базе приборного интерфейса GPIB можно построить системы со скоростью передачи информации до 1000 Кбайт/с с числом подключаемых крейтов до 15 и удалением до 20 метров. Для обеспечения высокой скорости обмена информацией в VXI-системах используются специальные интерфейсы МХI (Multisystem eXtension Interface) или VXLink с аналогичными характеристиками: максимальная скорость обмена 20 Мбайт/с, максимальная длина кабеля 20 м, число подключаемых крейтов до 8.

Надо отметить, что реальная производительность системы определяется не только скоростными возможностями этих интерфейсов. Действительная скорость обмена между компьютером и VXIbus будет зависеть от используемых программных средств, о чем будет сказано ниже.

Системы на базе встроенных компьютеров
Наиболее высокопроизводительные VXI-системы могут создаваться на основе встроенных в крейт компьютеров. В этом случае максимальная теоретически достижимая скорость обработки информации составляет 100 Мбайт/с. На рис. 5 представлены варианты систем на базе крейтов В и С с использованием встроенных компьютеров. Как уже отмечалось, встроенный компьютер в этом случае совмещает функции управляющей ЭВМ и командного модуля шины VXIbus.

Встроенные VXI-компьютеры выполняются на различных микропроцессорных платформах и выпускаются в следующих вариантах: PC-совместимые - PC AT 386/486 (для крейтов размеров В и С); компьютеры Macintosh 68030/68040, MicroVAX, HP PA-RISC Series 700 (для крейтов размера С) и другие.

Сравнительная характеристика производительности различных вариантов конфигурации, в зависимости от используемых типов компьютеров и основных межсистемных интерфейсов, приведена на рис. 6.

При построении территориально распределенных VXI-систем имеются различные средства организации сетей и удаленных подсистем с использованием стандартной сети Ethernet и последовательных экстендеров GP-IB.

Аппаратные средства VXI

Аппаратные средства VXI-систем можно разделить на три основные группы: крейты и источники питания, системные модули и функциональные модули.

Крейты и источники питания
Большинство фирм-изготовителей VXI-продукции выпускает крейты (mainframes) с установленными источниками питания. Раздельно крейты и блоки питания, как правило, не поставляются. Это объясняется весьма сложными испытаниями крейтов, проводимыми в хорошо оснащенных лабораториях. Они включают в себя не только контроль удельной мощности (на каждый модуль) при изменении нагрузки, но и контроль режимов охлаждения при полном и частичном заполнении крейта различными модулями.

Как было показано выше, в VXI-стандарте используется четыре типоразмера плат (А, В, С, D), соответственно существуют и различные размеры крейтов. Для обеспечения конструктивной совместимости снизу вверх имеются специальные переходные механические адаптеры, позволяющие вставлять и использовать модули меньших размеров в крейтах большего габарита. Так, модули размера А могут использоваться в крейтах всех размеров, модули размера В - в крейтах размеров B, C, D и т.д. Крейты отличаются не только основным размером устанавливаемых плат, но и числом посадочных мест (слотов - slots) на объединительной плате (backplane). Из большого числа имеющихся на рынке различных вариантов крейтов наиболее часто употребляемые:

  • размер В на 5, 7, 12 и 20 посадочных мест,
  • размер С на 5, 6 и 13 посадочных мест;
  • размер D на 5 и 13 посадочных мест.
Некоторые крейты выпускаются в переносном варианте с возможностью питания от аккумуляторной батареи.

Мощность используемых источников питания определяется основным размером устанавливаемых в крейте плат и числом посадочных мест из расчета максимального энергопотребления, указанного в паспорте на каждый модуль VXI. Характерная мощность источников питания для крейтов размера В от 120 Вт до 570 Вт, размера С - от 350 Вт до 800 Вт, размера D - от 1000 Вт до 1300 Вт.

Системные модули
К системным модулям, в первую очередь, относятся командные модули и встроенные компьютеры, осуществляющие управление шиной VXI и синхронизацию работы крейта с внешними устройствами. Возможные варианты реализации встроенных компьютеров приведены выше в разделе базовых конфигураций. Командные модули и встроенные компьютеры размещаются в крейте в левой позиции (слот 0) и в зависимости от конфигурации занимают от одного до трех посадочных мест. Так, например, PC-совместимый компьютер фирмы National Instruments серии 599 реализован на процессоре i486DX4, 100 МГц, имеет ОЗУ до 16 Мбайт, встроенный НЖМД до 240 МБайт, НГМД 3,5", а также стандартные внешние интерфейсы (последовательный, параллельный, GP-IB, SCSI, SVGA). Компьютер занимает в крейте размера С два посадочных места. Командные модули занимают одно (для размеров C, D) или два (для размера В) посадочных места. Командный модуль определяет тип интерфейса связи с внешним компьютером (см. раздел "Базовые конфигурации"): последовательный, GP-IB, VXLink или MXI. Например, командный модуль фирмы Hewlett-Packard HP E1306A для крейта размера В имеет встроенный процессор MC68000, 8 МГц, статическое ОЗУ до 2 МБайт и интерфейсы связи RS-232 и GP-IB.

К системным модулям можно отнести также модули памяти, такие как HP E1562B (модуль НЖМД со встроенными накопителями 2х2,1 Гбайт (2,5 Мбайт/с) и двумя портами SCSI-2 для внешних накопителей со скоростью обмена 16 Мбайт/с) или HP E1488A (модуль статического ОЗУ от 2 до 16 Мбайт с выходом на локальную шину, через которую он может использоваться в качестве расширяемой памяти для быстрых аналоговых регистраторов, цифровых осциллографов или сигнальных процессоров, реализованных в стандарте VXI). Подобные модули могут быть реализованы в размерах С или D и занимают в крейте одно или два посадочных места.

Еще одна группа системных модулей, выпускаемых в стандарте VXI, - это модули специализированных интерфейсов связи и адаптеров интерфейсов. К ним относятся адаптеры VXI/MXI, GPIB/VXI, а также модули интерфейсов MIL-STD-1553B, ARINC-429, ARINC-629, IRIG и т.п.

Функциональные модули
Состав функциональных модулей определяет прикладное (функциональное) назначение системы, а также ее технические возможности. Спектр выпускаемых функциональных модулей в стандарте VXI настолько широк, что позволяет разбить их на основные типовые группы:

  • Измерительные модули.
  • Генераторы и источники электрических сигналов.
  • Модули цифрового ввода/вывода.
  • Мультиплексоры и модули ключей.
Модули специального назначения.

Измерительные модули
Номенклатура измерительных модулей в стандарте VXI достаточно широка. В эту группу входят следующие типы модулей.

  • Цифровые мультиметры
Наиболее точные и универсальные средства измерений интегрирующего типа, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также сопротивлений со средней погрешностью 0,2 %. Мультиметры имеют, как правило, несколько диапазонов измерений, например: 30 мВ, 300 мВ, 3 В, 30 В, 300 В для напряжений и от 3 Ом до 3 ГОм для сопротивлений. При этом максимально достижимая чувствительность по напряжению (на минимальном диапазоне) равна 10 нВ и по сопротивлению -10 мОм. В мультиметрах предусмотрена возможность проводить измерения по 2-, 3- и 4-проводным линиям. Обычно мультиметры оснащены режекторными фильтрами на стандартных промышленных частотах 50 Гц, 60 Гц и 400 Гц, а также аппаратно-программными средствами температурной компенсации, автокалибровки и самотестирования. Установка режима и диапазонов измерения осуществляется программно и может оперативно меняться для каждого последующего измерения. Скорость измерений у этих приборов зависит от программно-устанавливаемого времени интегрирования и определяет эффективную разрядность АЦП. Так, например, в модуле HP E1401A полная разрядная сетка АЦП (6,5 десятичных знака) может использоваться при установке времени интегрирования не менее 16,7 мс: минимальное время преобразования (10 мс) соответствует разрядной сетке АЦП 3,5 десятичных знака. Для обеспечения многоканальных измерений с мультиметрами используются внешние специализированные измерительные мультиплексоры, о которых будет сказано ниже. Мультиметры реализуются в модулях размеров B, C, D и занимают, как правило, одно посадочное место.

  • Аналого-цифровые преобразователи.
Использование увеличенного размера плат позволяет реализовать в стандарте VXI многоканальные (от 4 до 64 встроенных каналов) АЦП с достаточно высокими разрешением (16 бит) и скоростью преобразования до 400 КГц, а также с индивидуально программируемыми встроенными усилителями и фильтрами (модули DBS 8700, 8701 фирмы ANALOGIC и HP Е1313А, HP E1413A фирмы Hewlett-Packard). Эти модули средней производительности реализуются в размерах В и С.

На рис. 7 представлена блок-схема 64-канального сканирующего АЦП HP E1313A/E1413A со скоростью преобразования 100 КГц. Модуль имеет восемь 8-канальных интеллектуальных кондиционеров (согласователей) входных сигналов (SCP).

Встроенные модули SCP имеют 5 модификаций исполнения, предназначенных для различных типов датчиков и сигналов. Среди них есть специализированные SCP для подключения термопар, терморезисторов, тензодатчиков и других первичных преобразователей с малыми уровнями сигналов, включаемых по 2-проводной, полумостовой или мостовой схеме. Можно выбрать модуль SCP для измерения двуполярных сигналов с диапазонами от 62,5 мВ до 16 В. Кроме того, есть варианты фиксированных или программно-изменяемых усилителей и фильтров. Выбирая различные платы SCP, пользователь может самостоятельно конфигурировать 64-канальный сканер на конкретную схему измерений. Платы SCP вставляются в модуле в специальные посадочные места (мезонины), размещенные на базовой плате.

На базовой плате модуля размещаются 64-канальный полупроводниковый мультиплексор и 16-битовый АЦП. Индивидуальная программная настройка каждого канала, тестирование и калибровка модуля осуществляются под управлением сигнального процессора (DSP) с программой калибровки (CAL). Для хранения промежуточных результатов измерений в модуле имеется буферная память типа FIFO на 64 Кслов. Текущие значения режимов и диапазонов измерений по всем каналам хранятся в специальных таблицах (Current Value Table) и используются для диагностики и тестирования модуля в режиме on-line.

  • Дигитайзеры и осциллографы.
Для регистрации быстропротекающих процессов в стандарте VXI используются высокоскоростные дигитайзеры и цифровые осциллографы с частотой измерения от 10 МГц до 1 ГГц, разрешением, соответственно, от 18 до 8 бит и числом параллельных каналов 2 или 4. Эти модули обычно оснащены встроенной буферной памятью, которая может быть расширена до 16 Мбайт с помощью модулей памяти, подключаемых к измерительному блоку по локальной шине VXI. Дигитайзеры и осциллографы можно использовать самостоятельно или совместно с модулем сигнального процессора (HP E1485B) для получения, например, спектров в реальном масштабе времени с числом отсчетов Фурье-преобразования 1024 за время не более 2 мс. В качестве примера такого дигитайзера, имеющего выход на локальную шину, можно привести модуль HP Е1429В. В модуле есть два параллельных измерительных канала с дифференциальным входом, усилителем/аттенюатором, 12-битовым АЦП и буферной памятью 512 Кслов на каждый канал. Максимальная скорость регистрации 20 Мслов/с на канал. Подобные модули выполняются только в размерах С и D.

  • Счетчики и таймеры.
Обычно в стандарте VXI реализуются универсальные измерители числа импульсов и временных интервалов с диапазоном измерений от 0,001 Гц до 2,5 ГГц с несколькими поддиапазонами и разрешением по времени до 200 нс. Как правило, эти модули выполняются с малым числом встроенных каналов - до 8. Основное их преимущество - высокая степень универсальности. Модуль фирмы Tektronix VX4223, например, может фиксировать не только число импульсов, но измерять частоту, период, временные интервалы между заданными уровнями сигнала, фазы между двумя сигналами. Эти модули выпускаются с размерами плат В, С и D.

Генераторы и источники электрических сигналов
В эту группу модулей входят цифро-аналоговые преобразователи, функциональные генераторы, генераторы импульсов.

  • Цифро-аналоговые преобразователи.
В ЦАП стандарта VXI используются 16-битовые цифро-аналоговые преобразователи с двуполярным вольтовым или токовым выходом с гальванической развязкой. Число независимых выходов у разных модулей различается, от 4 до 12 в одном модуле. 12-канальный ЦАП производства фирмы Tektronix X4730 имеет вольтовый выходной сигнал к16,3835 В с разрешением 500 мВ и током нагрузки 410 мА по каждому каналу. Имеется возможность записи кода с шины VXI в двоичном или ASCII-формате со скоростью 250 КБайт/с. Модули ЦАП выпускаются в размерах В и С.

  • Функциональные генераторы.
Служат для задания на объекте испытаний тестовых сигналов различной формы и периодичности. Среди них есть модули, генерирующие стандартные периодические сигналы (синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные, импульсные) или случайные сигналы с программно-изменяемыми формой и параметрами. Примером такого прибора может служить модуль HP Е1440А с частотным диапазоном выходных сигналов от 1 мГц до 21 МГц, амплитудой к10 В и разрешением 11 бит.

Другой тип модулей этой группы - генераторы сигналов произвольной формы с возможностью программной генерации желаемых сигналов периодического или одноразового характера.

Кроме того, среди этих модулей имеются суммирующие усилители, позволяющие получить на выходе суммарное значение двух сигналов с выходов функционального генератора с усилением по мощности до 10 Вт. Модули функциональных генераторов выпускаются в размерах С и D.

  • Генераторы импульсов.
Данные модули в стандарте VXI также достаточно универсальны и могут использоваться в качестве собственно генератора импульсов, генератора прямоугольных сигналов, генератора тактовой частоты и синхронизации, а также триггерного запуска других устройств в заданные интервалы времени. Таких модулей выпускается не много, их характеристики примерно одинаковы и имеют следующие усредненные значения:

    • диапазон изменения периода - от 50 нс до 1 с,
    • диапазон изменения длительности импульса - от 25 нс до 1 с,
    • амплитуда выходного сигнала - 10 В,
    • разрешение по времени - 15 нс.
К этим модулям в качестве дополнения выпускаются усилители и расширители числа каналов - до 6 в одном модуле. Модули реализованы в размерах В и С.

Модули цифрового ввода/вывода
Типы выпускаемых в стандарте VXI модулей цифрового ввода/вывода вполне удовлетворяют большинству задач и требований, встречающихся в практике автоматизации испытаний и исследований. Группу этих модулей можно разделить на модули с низким уровнем входных/выходных сигналов (ТТЛ, КМОП) с двух- и трехуровневым состоянием и модули с повышенным уровнем входных/выходных сигналов (до 48 В), используемых обычно для управления внешними реле и ввода информации типа "включено/выключено" с контактов внешних реле и концевых выключателей.

  • Модули с низким уровнем сигналов.
Как правило, эти модули имеют оптоизоляцию и байтовую организацию двунаправленного обмена логической информацией с внешними цифровыми устройствами. В некоторых модулях, например HP E1452A, есть буферная векторная память (обычно 64 Кслов). Число разрядов ввода/вывода составляет от 32 (4 байта) до 96 (12 байтов). Типовая частота обмена по внешним портам у различных модулей от 90 КГц до 20 МГц. Существенным преимуществом подобных модулей в стандарте VXI является высокая степень программной настройки на текущую конфигурацию, например: индивидуальное задание направления обмена и полярности сигналов для каждого байта, обмен в двоичном или восьмеричном ASCII-коде, организация различных протоколов обмена типа "handshake" (квитирование), наложение масок, настройка прерываний и т.п. Модули выпускаются в размерах В и С.

  • Модули с повышенным уровнем сигналов.
Модули этого класса выпускаются раздельно для ввода или вывода информации типа "да/нет".

Входные модули имеют оптоизоляцию и могут использоваться как для анализа двоичного состояния внешних устройств, так и для ввода прерываний от внешних объектов с возможностью программного маскирования. С помощью перемычек на модуле можно устанавливать уровень напряжения входных сигналов: 5 В, 12 В, 24 В или 48 В. Программно можно задавать длительность входных импульсных и потенциальных сигналов в пределах от 100 мс до 1024 с, что весьма удобно в работе с различными источниками прерываний и устройствами, имеющими "дребезг" при переключении из одного состояния в другое. Типичное время ввода информации во входные регистры модуля - 1 мс. Типичное число каналов - 32 (для модулей размера В) и 64 (для модулей размера С).

Выходные модули реализуются обычно по схеме с открытым коллектором и могут иметь уровни выходных напряжений 5, 12, 24 или 32 В зависимости от установленной перемычки на плате модуля. При этом для напряжения 32 В обеспечивается токовая нагрузка до 200 мА на канал. Число каналов у таких модулей может достигать 72. Модули выпускаются в размерах В и С.

  • Мультиплексоры и модули ключей
Пожалуй, самый широкий выбор модулей в стандарте VXI предлагает данная группа. Это не случайно, так как качество многоканальных измерений в большой степени определяется техническими возможностями используемых мультиплексоров. Различные способы измерений предъявляют различные требования к коммутирующим устройствам. В зависимости от схемы и задач измерений могут потребоваться однопроводные, двухпроводные, трехпроводные, четырехпроводные или матричные мультиплексоры. Кроме того, оптимальный выбор мультиплексора зависит от таких его характеристик, как скорость переключения, падение напряжения на замкнутых контактах, максимальное напряжение переключения и т.п.

Для указанной группы модулей можно провести следующую условную классификацию:

    • мультиплексоры общего применения,
    • RF-мультиплексоры и микроволновые переключатели,
    • матричные переключатели,
модули силовых ключей.

На рынке VXI различными фирмами выпускается более 100 типов таких модулей. Чтобы составить общее представление о них, рассмотрим несколько подробнее основные характеристики этой группы модулей на примере продукции фирмы Hewlett-Packard.

  • Мультиплексоры общего применения
Используются в большинстве задач многоканальных измерений для сигналов различных уровней и типов. Эти модули могут быть двух видов: релейные и полупроводниковые.

  • Релейные мультиплексоры
Используются, как правило, для высокопрецизионных измерений сигналов низкого уровня (от единиц микровольт до десятков милливольт), так как обладают низким падением напряжения на замкнутых контактах (менее 4 мВ) и стабильным сопротивлением "сухого" контакта коммутируемых элементов. Однако гарантированное время переключения релейных элементов составляет порядка 3-4 мс, что не позволяет использовать их для высокоскоростного сканирования измерительных каналов. В зависимости от типа релейные мультиплексоры могут коммутировать сигналы напряжением 250 В, 220 В или 120 В и током до 50 мА. Среди релейных мультиплексоров выделяются специализированные, предназначенные для измерений температур (с термокомпенсацией холодного спая и термостабилизацией сопротивления контактов) и для тензометрии (по схеме с полным мостом) под стандартные значения тензорезисторов (120 Вт или 350 Вт). Мультиплексоры, предназначенные для измерения температур и других физических величин с малым уровнем сигналов, реализованы по 3-проводной схеме измерений типа H-L-G, обеспечивающей выравнивание потенциала измерительной цепи с потенциалом источника сигнала (датчика) для каждого канала индивидуально. Типовые релейные мультиплексоры, реализованные по 4-проводной мостовой схеме, имеют обычно 8 каналов в одном модуле, модули с 3-проводной схемой - 16 каналов, однопроводные - 32, 48 или 64 канала. Имеются комбинированные модули (например, HP E1460A), которые, в зависимости от подключения, могут использоваться в разных вариантах: как 128-канальный однопроводный, 64-канальный двухпроводный или 32-канальный трехпроводный мультиплексор.

  • Полупроводниковые мультиплексоры
Также реализуют различные измерительные схемы и имеют модификации для измерения температур и тензометрии. Отличаются они от релейных более высоким быстродействием (до единиц микросекунд), однако имеют более высокое падение напряжения в замкнутой измерительной цепи (до 25 мВ) и меньшее напряжение коммутируемых сигналов - 16-60 В.

Релейные и полупроводниковые мультиплексоры имеют специальную, стандартную для VXI аналоговую шину для подключения к измерительному блоку (например, к мультиметру), позволяющую каскадировать до 16-мультиплексоров в одну сканирующую систему. Данные модули реализуются в размерах В и С.

  • RF-мультиплексоры и переключатели.
Эта группа модулей используется в системах радиоизмерений сигналов с частотным диапазоном до 1,3 ГГц (мультиплексоры) и переключения микроволновых сигналов с диапазоном до 26,5 ГГц (микроволновые переключатели). В мультиплексорах размера В реализуются обычно два 4-канальных мультиплексора, в модулях размера С - шесть 4-канальных мультиплексоров. Они выпускаются в двух вариантах: на согласованное волновое сопротивление 50 Вт или 75 Вт. Такие мультиплексоры используются в измерительных схемах совместно с цифровыми осциллографами и высокоскоростными АЦП. Микроволновые переключатели обеспечивают высококачественную коммутацию и передачу радиосигналов с программной установкой коэффициентов делителей (аттенюаторов) входных сигналов. RF-переключатели реализуются в размере В.

  • Матричные переключатели.
Подобные модули применяются в качестве программируемых средств коммутации в многоканальных системах связи, АТС и системах диспетчеризации. Модули данного типа различаются размером коммутационной матрицы и типом используемых элементов (реле или полупроводниковые ключи). Кроме того, имеются модули с жесткой конфигурацией (например, модули HP Е1465А - релейная матрица 16х16 двухпроводных каналов, HP E1466A - релейная матрица 4х64 двухпроводных каналов, HP E1467A - матрица 8х32 двухпроводных каналов) или модули с перестраиваемой структурой (модуль HP Е1361А - матрица 2х4 двухпроводных каналов или матрица 4х4 однопроводных каналов). Релейные матричные переключатели обычно рассчитаны на коммутацию цепей с напряжением до 250 В и током до 1 А.

Полупроводниковые матрицы имеют гибкую структуру, допускающую оперативное изменение конфигурации модуля. Например, модуль HP Z2466A может использоваться как четыре однопроводных матрицы 4х16 или как одна матрица 8х32, 4х64 или 16х16. Максимальное напряжение коммутируемых цепей 60 В, ток 200 мА.

Модули матричных переключателей выпускаются в размерах В и С.

  • Модули силовых: ключей.
Эти модули используются обычно для управления внешними реле и пускателями. Модули этого типа также реализуются в двух модификациях (на основе реле или на основе полупроводниковых ключей) и различаются числом каналов и электрическими характеристиками коммутируемых цепей.

Модули релейных ключей имеют 16, 32 или 64 выходных канала управления с напряжением коммутируемых цепей 250 В или 150 В и током 1 А или 5 А.

Более быстродействующие полупроводниковые ключи имеют 32 или 64 канала и рассчитаны на напряжение 250 В или 120 В. Типовое значение тока нагрузки для них 0,6 А, однако в некоторых модулях (HP Z2468A) при уменьшении числа используемых каналов можно увеличивать ток в выходной цепи до 5 или 8 А.

Модули ключей также выпускаются в размерах В и С.

Модули специального назначения
Эти модули специфичного применения выпускаются производителями, как правило, по специальному заказу в малых сериях, но имеют достаточно широкую номенклатуру. Они ориентированы на весьма узкие области применения и обладают уникальными техническими характеристиками.

Среди них можно отметить модули для многоканальных виброакустических испытаний (фирмы Bruel&Kjaer, HP) измерители мощности радиосигналов, модули тестирования электрических и оптических линий связи в системах телекоммуникаций, многоканальные компараторы, модули управления шаговыми двигателями (Tektronix, HP) высокочастотные аттенюаторы и усилители (CAL-AV Labs), регистраторы быстроменяющихся сигналов (Kinetic Systems Corp.) и др. Для этой группы модулей используются все типоразмеры плат VXI.

Программное обеспечение VXI систем

Одной из отличительных черт стандарта VXI является высокая степень унификации программного обеспечения всех уровней. Заслугой VXI-Консорциума является то, что стандарты на ПО и идеология VXI-технологий приняты всеми производителями. Это позволило обеспечить практически полную аппаратно-программную совместимость продукции различных фирм, а пользователю иметь широкий выбор готовых решений и "заготовок" для создания своей системы. На рис. 8 приведена обобщенная многоуровневая программно-аппаратная модель VXI-систем, включающая в себя различные (наиболее часто встречаемые) варианты используемых программно-технических средств.

Рассмотрим все уровни этой модели с учетом особенностей VXI-технологии создания конечного программного продукта - прикладной программы (верхний уровень модели).

Нижний (аппаратный) уровень, уровень модулей VXI, характеризуется унифицированной для всех типов функциональных модулей регистровой структурой. Это позволило в рамках VXI-аппаратуры реализовать принцип стандартизации драйверов всех устройств, который сохраняется на всех верхних уровнях модели. Второй особенностью стандарта VXI является возможность программирования команды модулей не только в двоичном коде (регистровые операции), но и в ASCII-кодах (командные сообщения). Программно-аппаратные интерпретаторы командных сообщений в регистровые операции могут быть реализованы непосредственно в модуле или в командном модуле крейта VXI. Программная модель нижнего уровня не зависит от используемых программно-технических средств на верхних уровнях.

Следующий уровень модели определяет аппаратную платформу внешнего или встроенного компьютера (контроллера), который используется для управления VXI-системой. Как было показано выше, в качестве контроллера могут использоваться практически любые имеющиеся на рынке компьютеры (на рисунке отмечены наиболее употребляемые из них). Тип используемого компьютера определяет базовую операционную систему, в которой разрабатывается и исполняется прикладная программа (в некоторых случаях возможен перенос исполнительной программы из одной операционной среды в другую).

Третий уровень модели определяет способ подключения VXI-аппаратуры к управляющему компьютеру. Связь может быть реализована по одному из стандартных интерфейсов, который должен иметь аппаратную совместимость с выбранным типом контроллера и программную совместимость (драйвер) с используемой операционной системой (следующий уровень модели).

Второй, третий и четвертый уровни модели определяют конкретную конфигурацию VXI-системы (см. раздел "Конфигурации"), ее производительность и технические возможности. Для выбора операционной системы в VXI-технологиях имеются достаточно широкие возможности (основные варианты приведены на рисунке - уровень 4).

При создании VXI-систем реального времени в настоящее время используются практически все стандартные операционные системы реального времени. В частности: LynxOS, OS9/OS9000, VxWorks, pSOS+, VRTX. Возможно, что в рамках VXI-Консорциума в ближайшее время будет выбрана и рекомендована для использования общепринятая для VXI-аппаратуры операционная среда систем реального времени.

На верхних уровнях модели представлены программные средства, наиболее часто встречающиеся в VXI-технологиях при разработке прикладных программ и систем. Из них необходимо выделить два уровня, характерных для программирования измерительных систем и привнесенных в стандарт на приборный интерфейс IEEE-488.2. Один из них (пятый) стандартизует библиотеку операций ввода-вывода межсистемных обменов по различным интерфейсам связи (SICL - Standard Instrument Control Library). Унификация этих сообщений позволяет при программировании VXI-аппаратуры "не замечать" разницу между различными интерфейсами связи на уровне 3 - другими словами, сохранять инвариантность системного ПО независимо от конфигурации VXI-системы.

Для облегчения программирования модулей и кодирования команд на уровне сообщений для VXI-аппаратуры используется специализированный инструментальный язык SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments), ставший промышленным стандартом для программирования измерительных устройств. Как уже отмечалось, аппаратно-программная дешифрация ASCII-сообщений в стандарте SCPI реализуется на нижнем уровне модели. При этом, по сравнению с регистровыми операциями, такие команды выполняются медленнее. В целях сохранения удобства программирования и повышения скорости исполнения команд на магистрали VXI разработаны интерпретаторы (I-SCPI) и компиляторы (C-SCPI) языка. Сравнительные характеристики времени исполнения средней ASCI-команды для различных версий SCPI приведены на рис. 10. Скорость исполнения программ, написанных с помощью C-SCPI, практически не уступает скорости программ, выполненных на ассемблере.

На уровне языков программирования VXI-технологии предоставляют, пожалуй, самый широкий выбор средств и возможностей для пользователя. Кроме общеизвестных алгоритмических языков программирования С, C++, PASCAL, FORTRAN, BASIC, разработаны специализированные графические среды разработчика, существенно облегчающие процесс, а также сокращающие время создания и отладки прикладных программ VXI-систем. Среди них выделены три системы LabVIEW, LabWindows и HP VEE, принятые программой plug&play в качестве основных стандартов на программное обеспечение верхнего уровня VXI-систем.

Указанные системы имеют различные версии для работы в разных ОС (от DOS до UNIX). Все они основаны на представлении алгоритмов и программ в виде простых графических образов, функциональных и блочных структур, мнемосхем процессов и объектов, функциональных панелей управления. Наиболее развитые системы LabVIEW и HP VEE оперируют только графическими символами и не используют привычные тексты программ. Такая возможность позволяет проводить разработку прикладных программ пользователю, совершенно не знакомому с традиционным программированием. Кроме того, все эти среды значительно облегчают жизнь и опытным программистам, так как имеют готовые открытые библиотеки стандартных процедур программирования. Среди них:

  • библиотека графических символов, примитивов и икон;
  • библиотека системных драйверов;
  • библиотека драйверов модулей и приборов;
библиотека математического анализа.

С помощью таких библиотек и весьма удобных средств компоновки и отладки процесс разработки готового программного продукта сокращается примерно в 3-4 раза по сравнению с использованием стандартных языков программирования. Надо отметить, что все эти системы могут использоваться для создания систем, использующих другие ММС, а также PLC и нестандартные устройства.

Опыт внедрения VXI-технологий на российском рынке

Ряд объективных причин, в основном экономического характера, не позволяют говорить о серьезном выходе на российский рынок VXI-технологий и аппаратуры VXIbus сейчас. Тем не менее эти популярные на западном рынке технологии начинают завоевывать определенные области российской экономики.

Научно-производственная фирма ЦАТИ при Московском энергетическом институте - одна из первых российских фирм, которая приобрела опыт практического внедрения новейших информационно-измерительных технологии, поддерживаемых ведущими мировыми приборостроительными компаниями. Основными партнерами НПФ ЦАТИ являются фирмы Hewlett-Packard и National Instruments - ведущие производители контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры в стандартах VXI и GPIB. ЦАТИ в рамках программы Alliance Program участвует в международной кооперации по развитию и внедрению VXI-технологий на рынке России и стран ближнего зарубежья.

Одними из первых отечественных организаций, проявивших интерес к этим технологиям, были организации авиакосмического комплекса, имеющие западных заказчиков. Целью внедрения VXI-технологий для этих организаций является модернизация испытательных и исследовательских стендов, повышение качества и конкурентоспособности проводимых испытаний и их результатов. Первые работы по освоению VXI-технологий начали такие организации, как ЦАГИ, ЦИАМ, КБ ОМ, НПО ЭНЕРГОМАШ, НИИ ХИММАШ и др. На базе аппаратуры VXI эксплуатируются системы первой очереди или находятся в стадии создания комплексы, решающие, например, такие задачи:

  • Испытания элементов конструкций летательных аппаратов в гиперзвуковой аэродинамической трубе.
  • Испытания и исследований компрессоров авиационных двигателей.
  • Отработка технологий выращивания кристаллов сверхчистых материалов в термовакуумных установках.
Проведение крупномасштабных испытаний специализированных энергетических установок.

В настоящее время реализуются проекты, основанные на применении VXI-технологий для таких отраслей, как транспорт, нефтегазовый комплекс, энергетика, связь. С их помощью решаются следующие задачи:

  • Диагностика судовых двигателей и дизель-генераторов.
  • Мониторинг и управление процессом гидродинамического разрыва нефтепластов.
  • Тестирование аппаратуры АСУ ТП и аппаратно-программное моделирование агрегатов тепловых электростанций.
  • Удаленный мониторинг аппаратуры и оборудования станций спутниковой связи.
Перечисленные системы далеко не исчерпывают всех применений VXI-технологий на рынке России, так как в настоящее время уже около десяти отечественных фирм в той или иной степени внедряют VXI-продукцию в России.

Приведем только несколько примеров.

Нельзя не отметить работы в области VXI-технологии известной российской компании ННИПИ (г. Нижний Новгород), фирмы "СКАН" (С-Петербург), "СИСТЕМА-М" (Москва) и ''УНИ-ПАКС" (Кишинев), специалисты которых занимаются разработкой и производством отечественных базовых компьютерных измерительных модулей VXI, крейтов VXI типоразмера С (в том числе и по группе 1.7 УХЛ), контрольно-диагностических систем промышленного и специального назначения на их основе. ННИПИ является официальным членом международного VXI-консорциума и занимается разработкой отечественных ГОСТ, являющихся аналогами международных стандартов VME/VXI.

Работа по созданию нового поколения телекоммуникационного оборудования для предприятий энергетического комплекса на базе открытых VXI-технологий ведется в ОДУ Урала (см. "Мир компьютерной автоматизации" номер 2, стр. 59).

Силами специалистов российской компании "RTSoft" совместно со специалистами американской компании National Instruments и специалистами ОДУ Урала осуществлена портация стандартной операционной системы реального времени OS-9 (Microware, США) на встраиваемые одноплатные VXI/RealTime-компыотеры фирмы National Instruments, разработана библиотека поддержки VXI-оборудования в рамках OS-9.

Стоимость VXI-систем

Понятно, что когда говорят о достоинствах той или иной системы, возникает естественный вопрос: во что обходятся покупателю все эти дополнительные преимущества? Существует достаточно устойчивое мнение, что VXI - это дорого. Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть такое утверждение, необходимо договориться, как и с чем сравнивать стоимость VXI-систем. В ряде случаев VXI может обеспечить в совокупности такие технические характеристики, которые недостижимы для других технических решений. С другой стороны, для целого класса задач VXI-аппаратура является избыточной и экономически нецелесообразной. Тем не менее, если сравнить VXI с системами, построенными на основе цифровых приборов, соответствующих по классу VXI-аппаратуре, то при сохранении технических характеристик VXIbus дает экономию стоимости в 1,5-2 раза, снижение энергопотребления в 2-3 раза и уменьшение массы и габаритов в 3-5 раз.

В классе магистрально-модульных систем VXIbus по функциональным возможностям, энергетическим и массогабаритным показателям сопоставим с другими ММС (САМАС, Multibus, VME и т.п.), но имеет более совершенные технические характеристики. Чтобы сравнить стоимостные показатели VXIbus и аналогичных ММС, необходимо иметь в виду, что применяемая часто оценка "средняя стоимость канала" не всегда правомерна, не очень корректна и носит весьма приблизительный характер. Она не учитывает, например, общего числа каналов и их соотношения (аналоговых, цифровых, частотных и др.), технические характеристики каналов (точность, помехозащищенность, скорость...), требуются или нет дополнительные блоки согласования сигналов между объектом и ММС. Известно, что наиболее дорогими являются каналы ввода аналоговых сигналов малого уровня (единицы - десятки микровольт) и каналы быстрого ввода аналоговых сигналов (десятки и сотни мегагерц). Поэтому, можно предположить, что стоимость системы, включающей только такие каналы, будет являться оценкой сверху для любой ММС. Если использовать этот принцип, то для VXI-системы на 100 каналов при измерении сигналов с термопар (без дополнительных усилителей) со скоростью до 13 КГц, цена VXI-аппаратуры будет определяться стоимостью 80 - 100 $ на канал. Стоимость канала в VXI-системе на ввод 400 - 500 аналоговых сигналов со скоростью до 100 КГц с программируемыми фильтрами и усилителями составит 120 - 160 $. В системах с регистрацией быстроменяющихся аналоговых сигналов (до 20 МГц) с числом каналов 10 и возможностью обработки с использованием в процессе измерений быстрого преобразования Фурье цена канала может составить от 7000 до 10000 $. Эти оценки дают некоторое представление о верхних границах стоимости VXI-оборудования, необходимого для создания систем различного уровня и класса.

Здесь введены следующие условные обозначения основных этапов:

ТПР - время на разработку проекта системы;

ТОБ - время на поставку оборудования;

ТМО - время на разработку программного обеспечения;

ТПО - время на пуско-отладочные работы;

ТЭКСПЛ - гарантийный срок эксплуатации.

Принято, что время разработки проекта и срок поставки оборудования примерно совпадают у обоих вариантов. Из диаграммы видно, что при более высокой стоимости оборудования, но за счет экономии временных и финансовых затрат на последних этапах внедрения, вариант VXI-системы к концу гарантийного срока (3 года) может иметь некоторое преимущество.

Заключение

Стандарт VXI как развитие ММС VMEbus, появившийся на рынке в начале девяностых, обобщил в себе опыт, накопленный при разработке и эксплуатации популярных ММС семидесятых, восьмидесятых годов и дал им новое технологическое направление - обеспечение максимальной "дружественности" для пользователей и полной независимости их от конкретного производителя. Стандарт занял на западном рынке устойчивое положение в определенных приложениях и прошел этапы внедрения от военных отраслей до гражданского применения. Очевидно, что, как и все другие открытые системы, VXI повторит этот путь и на российском рынке, хотя в настоящее время имеются сдерживающие этот путь трудности. Тем не менее первые примеры успешного внедрения VXI-технологий в организациях России имеются и показывают, что в ряде случаев альтернативы для VXI в настоящее время нет. Опыт применения VXI показал, что эта технология легко осваивается отечественными специалистами, которые быстро находят ей новые приложения, не имеющие аналогов в мировой практике.

 
 
О журнале | Новости | Архив | Выставки и события | Ресурсы | Подписка | Реклама | Авторам статей
Copyright 2000 © Мир компьютерной автоматизации. Авторские права охраняются.
Designed by Jang