并行数据通信技术：GPIB与VXI总线的应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：就目前的情况来看，使用最为普遍的并行数据通信接口主要是GPIB总线和VXI总线。GPIB是一种数字系统，可实现测量仪器、计算机，以及各种专用仪器控制器和自动测试系统之间的快速双向通信。GPIB的软、硬件技术及产品遵从IEEE-488接口标准。基于器件的信息通常也称为数据信息，包括编程指令、测量结果、机器状态或数据文档等；连接信息也称为命令信息，它们的任务是对总线本身进行管理。

在电子测量与智能仪器领域，并行数据通信接口的应用非常广泛，如S-100总线、STD总线、GPIB总线和VXI总线等。就目前的情况来看，使用最为普遍的并行数据通信接口主要是GPIB总线和VXI总线。

1.GPIB标准接口总线系统

GPIB是国际通用的仪器接口标准，目前生产的智能仪器几乎无一例外地都配有GPIB标准通用接口。GPIB是一种数字系统，可实现测量仪器、计算机，以及各种专用仪器控制器和自动测试系统之间的快速双向通信。

GPIB的软、硬件技术及产品遵从IEEE-488接口标准。1975年，美国电气及电子工程师协会（IEEE）颁布了IEEE-488标准。1987年，IEEE又将IEEE-488标准进行修订并定名为IEEE-488.1，同时颁布了IEEE-488.2。后者对器件消息的编码格式进行了进一步的标准化规范。

1）GPIB接口系统

GPIB的接口系统如图6-15所示，每一台使用GPIB的仪器都可以划分为3个部分，即初级接口、次级接口和仪器本体。初级接口又称为接口功能，对它的设计必须符合GPIB标准的有关规定，仪器或系统设计者无权自由行事，否则将与其他仪器产生不兼容。次级接口和仪器本体则是与仪器特性密切关联的，这两部分合在一起称为器件功能，它们可由仪器设计者自行处理，不受接口标准的约束。

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图6-15　GPIB接口系统

GBIP系统结构可以有两种形式，即总线型结构和星形结构，如图6-16所示。

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图6-16　GPIB系统结构形式

2）GPIB连接器

GPIB通过无源的标准电缆将有关的器件连接在一起。GPIB使用负逻辑（标准的TTL电平），任意一根线上都以零逻辑代表“真”条件，这样做的原因之一是负逻辑方式能够提高对噪声的防御能力。通信电缆通过标准的连接器与设备连接，GPIB标准连接器及引脚信号如图6-17所示。

GPIB传输的信息分为两种，即基于器件的信息和连接信息。基于器件的信息通常也称为数据信息，包括编程指令、测量结果、机器状态或数据文档等；连接信息也称为命令信息，它们的任务是对总线本身进行管理。

3）GPIB的器件

配备GPIB的器件，在整个系统中根据其运行功能的不同，可以分为讲者器件、听者器件和控者器件。

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图6-17　GPIB标准连接器及引脚信号

讲者是通过总线发送仪器消息的仪器器件（如测量仪器、数据采集器、计算机等），在一个GPIB系统中，可以设置多个讲者，但在某一时刻，只能有一个讲者起作用。听者是通过总线接收由讲者发出消息的仪器装置（如打印机、信号源等），在一个GPIB系统中，可以设置多个听者，并且允许多个听者同时工作。控者是数据传输过程中的组织者和控制者，例如，对其他设备进行寻址，或允许讲者使用总线等，控者通常由计算机担任。当系统采用多个计算机时，其中任意一个都可以是控者，但是只能有一个是积极的控者，或叫作执行控者。GPIB系统不允许有两个或两个以上的控者同时起作用。

4）GPIB的信号与连线

GPIB标准接口总线中有16条信号线和8条地回送线。

（1）8条数据线（DIO1～DIO8）：它们以并行方式传送数据，每条线传送一位，其中前7位构成ASCII码，最后1位用于奇偶校验等。

（2）5条管理控制线：其中ATN为提醒线，用于通告当前数据类型，说明总线上传递的消息是接口消息，还是仪器消息；IFC为接口清理线，用于控制总线的异步操作，它只能由控者来控制；REN为远程使能线，由控者用来将器件置入远程状态；EOI为终止或识别线，由某些器件用来终止它们的数据输出；SRQ为服务请求线，用于器件向执行控者发出服务请求。

（3）3条挂钩联络线：它们用于控制各器件之间数据字节准确无误地发送和接收。其中DAV用于指出数据线上的信号是否稳定、有效和能否被器件验收；NRFD用于指出一个器件是否已经准备好接收数据；NDAC用于指出器件是否已经收到数据。

2.VXI总线

1981年，Motorola公司针对32位微处理器68000开发了VME（Versa bus Module European）微机总线。VXI（VME bus Extensions for Instrumentation）总线是VME总线标准在仪器领域的扩展，由HP等5家仪器制造商于1987年联合推荐，是当前仪器系统中得到广泛应用和发展的一个并行总线标准。

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图6-18　GPIB系统与VXI系统的比较

VXI总线系统与GPIB系统的主要区别在于：VXI的全部器件都是插件式的，对插件以及对应的主机架尺寸有严格的要求，而GPIB器件可以分立摆放或堆架叠放，对尺寸无统一要求。采用VXI总线标准的仪器系统，具有结构紧凑、吞吐量大和配置灵活等特点，可以组成高性能的不同规模的数据采集和功能测试装置和系统。

1）VXI系统的结构

VXI系统的全部器件都采用插件式结构，对插件及其对应的主机架尺寸有着严格的要求。VXI仪器采用了数据速率高达40 Mb/s的VME总线作为机箱主板总线。主板总线在功能上相当于连接独立仪器的GPIB总线，且具有更高的吞吐率。控制器也做成IAC并挂接在主板总线上进行总线上的各种活动调度和控制。这样，在一个机箱内基本集成了整个GPIB总线系统的功能。采用VXI总线的测试系统最多包含256个器件，其中每台主机架构成一个子系统，每个子系统最多包含13个器件，大体相当于一个普通GPIB系统，但多个VXI子系统可以组成一个更大的系统。在一个子系统内，电源和散热装置为主机架内全部器件所共用，这明显地提高了系统资源利用率。全部VXI总线集中在高质量、多层印制电路板内，有着良好的电磁兼容性能，插件与VXI总线通过连接器连接。

2）VXI插件及连接器

VXI总线具有严格的机械和电气标准，共定义了4种仪器模板的尺寸：A型（10 cm×16cm）、B型（23.3 cm×16 cm）、C型（23.3 cm×34 cm）和D型（36.7 cm×34 cm）。其中，A、B两种是VME已定义的且具有真正含义的VME模板；C、D两种是VXI标准专门定义的适用于更高性能仪器的尺寸，应用最多的是C尺寸模板。VXI仪器系统采用可变尺寸结构，允许小尺寸模板插入大机箱中。VXI系统的机箱除了外壳和背板之外，还提供VXI系统的工作电源系统和冷却系统等。VXI总线还定义了模板与底板总线插接的3个96针连接器标准，分别称为P1、P2、P3。VXI系统的模板尺寸和连接器（P1、P2、P3）的总线分布如图6-19所示。

连接器是VME或VXI总线必须配备的基本连接器，它包括数据传输总线（24位地址和16位数据）、中断信号线和某些电源线。任选的P2连接器适用于除A尺寸以外的所有模板，可将数据传输总线扩展到32位，还增加了许多资源，如4个附加电源电压、局部总线、模块识别总线（允许确定模块的槽编号）等。此外，还有TTL和ECL触发总线和10 MHz差分ECL时钟信号等。任选P3连接器只用于D尺寸模板，对P2提供的资源进一步扩展，又提供了24根局部总线、附加的ECL触发线、100 MHz时钟和用于精密同步的星形触发线等，以适合特殊用途。

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图6-19　VXI系统模板尺寸和连接器的总线分布

3）VXI器件

VXI系统的通信协议是针对器件通过数据传输总线的通信制定的。VXI器件指具有逻辑地址的单元，不一定是一个仪器。例如，CPU、存储器、ADC、DAC、接口、计算机、数字多用表、逻辑分析仪等均可能成为VXI器件。根据它们在通信中的地位大体可分为4类。

（1）以寄存器为基础的器件，简称寄存器基器件。这是最简单的一种VXI器件，常用来作为简单仪器或开关模块的基本部分。它的通信只通过寄存器的读写操作来完成，因此，速度很快。

（2）以消息为基础的器件，简称消息基器件。这是VXI系统中的智能化程度较高的器件。它除了对以寄存器为基础的器件进行低层次的通信外，还可以利用共享存储器规程和字串行通信规程，在消息基器件间进行高水平的通信。

（3）存储器器件，即存储器插件。它和寄存器基器件相似，可以把它当成一种特殊的以寄存器为基础的器件。

（4）扩展器件。它允许VXI系统的特性有更大的扩展范围。

消息基器件和寄存器基器件是VXI系统最常用的器件。器件在系统中可能出于命令者或服从者的地位。命令者必须是消息基器件，它占有并指挥服从者。服从者器件被命令者占有和控制，它可以是消息基器件，也可以是寄存器基器件。

并行数据通信技术：GPIB与VXI总线的应用

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