集成傳統(tǒng)測(cè)試儀器與模塊化儀器

基于消息和基于寄存器的設(shè)備差別給模塊化儀器創(chuàng)造了速度的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)基于消息的儀器中，SCPI命令用ASCII碼發(fā)送，例如：MEASure:VOLTage:DC? 10.0，0.001

這個(gè)命令要求進(jìn)行一個(gè)直流電壓測(cè)量，最大值10V，分辨率1mV。然而儀器是不懂得這種類似英文的命令的。儀器內(nèi)部處理出必須解析（翻譯）一個(gè)命令以理解需要做什么。SCPI解析通常需要若干毫秒來(lái)完成。

然后測(cè)量開始執(zhí)行，由內(nèi)部寄存器訪問(wèn)儀器硬件。根據(jù)測(cè)量，這種操作僅需要若干微妙。上述電壓測(cè)量在100微秒內(nèi)可完成，得到二進(jìn)制格式的結(jié)果。然后儀器把結(jié)果轉(zhuǎn)為ASCII碼，發(fā)回給控制器?？刂破靼袮SCII碼轉(zhuǎn)為二進(jìn)制來(lái)存儲(chǔ)或者和限制標(biāo)準(zhǔn)比較。整個(gè)過(guò)程要幾個(gè)毫秒，即使測(cè)量?jī)H僅需要微秒級(jí)。

對(duì)于基于寄存器的設(shè)備，這個(gè)過(guò)程完全不同。軟件驅(qū)動(dòng)被調(diào)用直接執(zhí)行寄存器操作。結(jié)果作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)直接被控制器使用，不需轉(zhuǎn)化。速度提高50倍已經(jīng)被證實(shí)。

然而，還有一個(gè)易用性的折中。SCPI命令容易使用和讀取。也是可移植的；可以在任何操作系統(tǒng)或自動(dòng)環(huán)境中工作?？梢员苊馐褂抿?qū)動(dòng)，盡管驅(qū)動(dòng)在某些請(qǐng)況很有用。如果測(cè)量速度不是至關(guān)重要的，或者測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于命令翻譯時(shí)間，基于消息的儀器都是一個(gè)好的選擇?？紤]所有這些原因，很多系統(tǒng)都是既包括傳統(tǒng)的基于消息的儀器，也包括模塊化的基于寄存器的儀器。

集成混合系統(tǒng)

集成傳統(tǒng)和模塊化儀器在一個(gè)混合系統(tǒng)中，第一部分是選擇互連和配置。LXI儀器需要使用以太網(wǎng)。而LAN網(wǎng)絡(luò)不是完全相同的。很少直接把儀器連接到企業(yè)LAN網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可能會(huì)干擾和減慢實(shí)時(shí)儀器控制執(zhí)行，而儀器也會(huì)顯著增加網(wǎng)絡(luò)流量。通常，LXI儀器被置于一個(gè)完全不同的網(wǎng)絡(luò)。

這樣，控制器需要兩個(gè)LAN接口：一個(gè)連接到企業(yè)LAN網(wǎng)，可以管理測(cè)試計(jì)劃和結(jié)果，另一個(gè)專用于儀器控制。使用一個(gè)以太網(wǎng)開關(guān)從控制器到每一臺(tái)儀器。這需要在控制器中安裝第二塊NIC（網(wǎng)卡）。

基于PCIe的模塊化系統(tǒng)也是類似的。從控制器到企業(yè)是LAN網(wǎng)的通信，而儀器通信是通過(guò)PCIe。大多數(shù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部有PCIe。和LXI不同，儀器是同一PCIe網(wǎng)絡(luò)的一部分，內(nèi)存映射和所有其他計(jì)算機(jī)外設(shè)一樣，這就是如何獲得速度提升的原因。

內(nèi)部PCIe總線必須采用緩沖，以避免加載這些外部?jī)x器的時(shí)間。這樣，必須安裝PCIe接口卡，允許PCIe擴(kuò)展為像一根電纜對(duì)于PXI,AXIe，或VXI 4.0機(jī)架。這緩沖了PCIe總線但保持相同的內(nèi)存映射。如一個(gè)系統(tǒng)使用多個(gè)PCIe機(jī)架，需要每個(gè)都安裝額外的接口卡，或者機(jī)架擴(kuò)展。下圖所示系統(tǒng)配置了LAN和PCIe作為通信信道。下一步是添加所需軟件。

儀器軟件分層

無(wú)論是基于消息的儀器還是基于寄存器的儀器，都需要I/O命令。簡(jiǎn)單的基于SCPI的儀器需要某種方式把控制器的命令發(fā)送給儀器，這就需要VISA。VISA是一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的API，用于從PC和儀器通信。VISA版本可以從接口卡廠商處獲得。VISA也支持和LXI儀器的通信，以及PCIe內(nèi)存映射儀器，如PXI,AXIe和VXI 4.0。

VISA,或者相應(yīng)的I/O庫(kù)，是基于消息的儀器需要的最少的軟件。安裝VISA后，可以根據(jù)手冊(cè)命令進(jìn)行儀器SCPI編程。

VISA本身，很少足夠控制PCIe儀器。還需要驅(qū)動(dòng)程序來(lái)生成儀器的功能。IVI驅(qū)動(dòng)，基于由IVI聯(lián)盟管理的標(biāo)準(zhǔn)API，被設(shè)計(jì)用于從PC環(huán)境實(shí)現(xiàn)儀器控制。

IVI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為了處理兩個(gè)問(wèn)題：軟件完成實(shí)際寄存器操作，是儀器功能的核心；并在驅(qū)動(dòng)層面保證不同類型儀器和不同廠商儀器之間的兼容性。這樣，IVI借用SCPI來(lái)定義基于產(chǎn)品類別的類（Classes），采用的API看起來(lái)和SCPI命令特別類似。例如，同樣的IVI功能調(diào)用數(shù)字萬(wàn)用表（DMM,digital multimeter）是這樣：

dmm.DCVoltage.Measure(10.0, 0.001)

因?yàn)檫@條調(diào)用在編譯時(shí)完成，很少時(shí)間損失在命令執(zhí)行時(shí)。執(zhí)行時(shí)不需要命令解析。

IVI驅(qū)動(dòng)有好幾種，如IVI-C,IVI-COM，為不同環(huán)境優(yōu)化。PXI和AXIe產(chǎn)品幾乎毫無(wú)例外地支持IVI-C,它可用于任何微軟自動(dòng)化環(huán)境，包括Microsoft Visual Studio，LabView, Matlab, Agilent VEE。要使用IVI驅(qū)動(dòng)還需要同時(shí)安裝一些共享組件。IVI Foundation網(wǎng)站提供了關(guān)于使用這些驅(qū)動(dòng)的細(xì)節(jié)。儀器廠商也可以根據(jù)不同操作環(huán)境提供特別訂制的驅(qū)動(dòng)。包括LabView和Matlab驅(qū)動(dòng)。

安裝好需要的軟件驅(qū)動(dòng)，儀器可以編程用于自動(dòng)化環(huán)境。模塊化儀器使用選定的驅(qū)動(dòng)來(lái)編程。盡管基于消息的儀器可以直接用SCPI編程，很多時(shí)候也可以被相同的IVI驅(qū)動(dòng)控制，和模塊化儀器一樣，例如IVI-C或LabView。這使得多了額外一層一致性，并允許在傳統(tǒng)儀器和模塊化儀器之間替換。

下圖顯示了混合系統(tǒng)中的軟件分層。

嵌入式控制器

此前介紹的是使用外部控制器與LXI儀器或PCIe儀器交互。如果控制器是嵌入在模塊化系統(tǒng)里面的呢？這種方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？

主要變化是PCIe接口，它用于和模塊化系統(tǒng)機(jī)架通信，基本上是嵌入在模塊控制器里面的。此外，系統(tǒng)架構(gòu)是相同的。如果控制器要控制LXI儀器，也需要有兩個(gè)LAN口，一個(gè)用于LXI儀器控制，一個(gè)用于連接企業(yè)LAN網(wǎng)，和使用外部控制器相同。嵌入式控制器通常有一個(gè)額外的擴(kuò)展端口，可以安裝網(wǎng)卡或連電纜的PCIe卡。

使用嵌入式控制器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)可以集成得更小，更輕，更便攜。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是作為帶有穩(wěn)定PCIe計(jì)數(shù)的儀器控制器，經(jīng)驗(yàn)證工作穩(wěn)定。

計(jì)數(shù)是計(jì)算機(jī)定位和辨識(shí)所有PCIe設(shè)備的過(guò)程。很多計(jì)算機(jī)無(wú)法驗(yàn)證對(duì)于模塊化儀器產(chǎn)生的深層PCIe樹結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)。因此，一些儀器，盡管安裝在機(jī)架上，也無(wú)法被辨識(shí)和控制。這種情況通常需要計(jì)算機(jī)廠商更新BIOS來(lái)解決問(wèn)題。嵌入式控制器，通過(guò)其設(shè)計(jì)和大量測(cè)試，本質(zhì)上確保正確地執(zhí)行計(jì)數(shù)功能。

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是企業(yè)監(jiān)控。盡管形式對(duì)于很多工程師不重要，但嵌入式控制器更易于被企業(yè)IT部門接受，作為儀器系統(tǒng)的一部分，而外部連接的電腦通常屬于IT部門管理范疇。為避免購(gòu)買時(shí)批準(zhǔn)的延遲，一些工程師直接購(gòu)買嵌入式控制器。

曾經(jīng)，嵌入式控制器還有速度優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淇偩€長(zhǎng)度更短與背板通信更快。但高速串行標(biāo)準(zhǔn)改變了這一點(diǎn)，連電纜的PCIe與外部控制器也可以達(dá)到幾乎同樣的全部帶寬。

嵌入式控制器也有一些劣勢(shì)。第一點(diǎn)是成本。儀器控制相對(duì)于消費(fèi)類電子或工業(yè)自動(dòng)化的市場(chǎng)份額很小，因此，成本相當(dāng)高。

第二個(gè)缺點(diǎn)是性能。外部商用PC通常有最高性能的處理器和架構(gòu)，每幾個(gè)月就有更新?lián)Q代。嵌入式儀器控制器沒(méi)有如此大的投資，設(shè)計(jì)周期少，通常落后于商用PC。因此，高性能控制器通常是采用獨(dú)立的控制器，也節(jié)省成本。一種通用的折中是采用工業(yè)機(jī)架控制器，相對(duì)性能高價(jià)格合適，只是需要1U的機(jī)架空間。

外部控制器的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可擴(kuò)展性。外部控制器提供多個(gè)擴(kuò)展槽，可用于控制其它外設(shè)或者額外的LAN和PCIe借口。

總之，好的儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)讓用戶能結(jié)合傳統(tǒng)儀器和模塊化儀器的優(yōu)勢(shì)，為自己的應(yīng)用選擇最好地方案。本文側(cè)重于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件挑戰(zhàn)，以及整合混合儀器系統(tǒng)的多種選擇。以后，還將繼續(xù)這個(gè)話題的討論，從電子和機(jī)械方面挖掘更多的挑戰(zhàn)和選擇。