7. Modulární systémy a sériová rozhraní

7. Modulární systémy a sériová
rozhraní
Sériová rozhraní pro měřicí
techniku
• Modulární systémy
• Sériová rozhraní (rs232, USB) - viz:
http://measure.feld.cvut.cz/system/files/files/cs/vyuka/pred
mety/A3B38PRT/OPPA-rs232aUSBproTMA.pdf
• Ethernet a LXI – viz:
http://measure.feld.cvut.cz/system/files/files/cs/vyuka/pred
mety/A3B38PRT/LXI_OPPA-2012_FIN.pdf
Modulární systémy
•
•
•
•
Jako modulární systémy sběru dat se obvykle označují různé druhy
tzv. cardcage systémů obsahující šasi (případně s interním
kontrolérem), rozhraní k nadřazenému PC a expanzní sloty pro
Vst./Výst. moduly.
Na rozdíl od systémů zásuvných desek pro PC obvykle poskytují
definované a obecně “klidnější“ (EMI/EMC) prostředí
Na rozdíl od „desktop“ přístrojů (DMM, Osciloskopy) jsou moduly
obvykle generické a samostatně víceméně nepoužitelné
Moduly zahrnují specializované typy pro připojení senzorů a aktuátorů
i obecné napěťové VaV. Rovněž se vyskytují moduly interface a
komunikační pro připojení podsítí (CAN, Profibus, …) a/nebo pro
propojení více šasi do rozsáhlejšího systému
Modulární systémy
• Průmyslové modulární systémy:
– Kontrolér (typ. PLC)
– IO moduly (U, I, RTD, TČ, tenzometry, IRC polohové enkodéry,
LVDT, …, výstupy pro spínání relé, …)
– Použití: průmyslové řízení a regulace produkčních technologií
• Laboratorní systémy:
– Kontrolér (typ. PC)
– IO moduly (podobně jako u průmyslových) ALE TAKÉ:
– Přístroje na kartě/modulu (DMM, osciloskopy/digitizéry,
generátory, up-/down-convertery, multiplexery, prog. zdroje, … )
– Použití:
• Laboratorní výzkum
• Průmyslové testování v produkčním prostředí (Q.C. výrobků)
• Předletové testování apod.
Modulární systémy
Během let několik rozšířených laboratorních standardů:
• 1987 – VXI (VXIbus Consortium)
• 1991 – SCXI – pouze úprava signálu
• 1997 – PXI
• 2005 – PXI express
• 2005 – LXI (vlastně ne cardcage, ale LAN)
• 2008 – AXIe
Příklady viz také:
http://measure.feld.cvut.cz/system/files/files/cs/vyuka/predmety/x38ssd/Lab_a_pr
um_sys.pdf
VXI
varianty mainframe s přístroji
Obr.: VTI instruments
Obr.: EADS
Obr.: Hewlett-Packard / Agilent
(horizontal slotted)
VXI
•
Motivace k zavedení systému VXI:
–
–
–
–
Komunikace mezi přístroji, precizní synchronizace
Omezení nákladů na vývoj SW použitím standardních rozhraní
Redukce rozměrů oproti systémům složeným z mnoha desktop přístrojů
Systém pro integtraci složitých testovacích sestav s vysokým výkonem (kvalita
měřicích modulů) a vysokou prostupností dat (rychlost)
– Vybavení pro použití ve vojenských systémech Přístroj-na-kartě
– Implementace nové funkce pomocí virtuálních přístrojů
– Definice implementace vícemodulových přístrojů
•
•
•
Odvozeno od systému MATE (primární uživatel USAF ~1985) a standardu
průmyslových počítačů VMEbus
HW specifikace: IEEE-1155 (1993), otevřený standard
(poslední aktualizace VXI: rev. 4, 2010,
http://www.vxibus.org )
SW specifikace (interoperabilita): VXI PnP
VXI – VME eXtension for Instrumentation
•
VME: otevřený systém
– HW základem je VMEbus (IEEE-1014) sběrnice průmyslových počítačů
(odvozena z uP Motorola 68000) - Adresní a datová sběrnice, handshake,
arbitráž; mechanický formát karet (Eurocard size A,B), konektory P1 (event.
část P2 pro 32bit adresaci).
– přenosová rychlost 40 MB/s (později VME64x 320MB/s)
•
VXI: otevřený systém (IEEE-1155)
– Zpětně kompatibilní s moduly VMEbus, přidány velikosti Eurocard C a D
– Přidány specifikace a funkce důležité pro měřicí systémy (chybějící ve
VMEbus):
• Chlazení a výkon
• Rušení (EMC)
• Synchronizace
(obr. National Instruments)
VXI Systém
•
1x VXI subsystém: 13 slotů
– Slot 0 pro kontrolér a zdroj časování
– + až 12 modulů v jednom šasi (mainframe), s rezervou se vejde do 19“ racku
•
Lze kombinovat více subsystémů dohromady, max. 256 modulů, propojení
jednotlivých subsystémů speciálním interfacem nebo GPIB, RS232, …
• Typicky 1 modul = 1 přístroj (V jednom modulu může být více přístrojů, a jeden
přístroj může sestávat z více modulů)
• Každý modul má 64Byte konfiguračních registrů v horní části A16 prostoru,
případné další nároky na paměť indikuje v příslušném registru.
• Po zapnutí napájení resource manager načte konfigurační informace a přidělí další
paměťový prostor modulům v A24 nebo A32 prostoru
• Mechanická specifikace: Eurocard A, B, C (233x340mm (x 1.2in)), D
• Chlazení: definovány požadavky modulů (určuje kompatibilitu s mainframem)
• Rušení (EMC): požadavky na moduly (max. vyzářený a vedený šum x min. odolnost)
(=>Zlepšení spolehlivosti a interoperability – existuje záruka definovaného prostředí)
VXI – backplane konektory
P1: realizuje VMEbus (32 pinů x 3 řady)
– 16bit nebo 24bit adresy (A16, A24)
– 8bit nebo 16bit data (D08, D16)
– Handshake, arbitráž sběrnice, přerušení, napájení
P2: (střední řada kontaktů)
– realizuje pro VMEbus 32bit adresy (A32) a 32bit data (D32)
jen
VME
P2 (vnější řady kontaktů) realizují VXI-specifické funkce:
–
–
–
–
–
–
10 MHz ECL clock
napájení ECL a analogové
ECL a TTL triggery
Analogová sumační sběrnice
Module identification line (MODID)
Local bus (daisy-chained): propojuje sousední sloty (pro vícemodulové přístroje – použití např.
jako interní analogová sběrnice, nebo sériové datové propojení více sousedících DSP)
P3: další VXI funkce (pro typy modulů vyšších výkonů)
– 100 MHz Clock a Sync.
– Další napájení, další ECL triggery, další Local bus
– Star trigger – precizní ECL hvězdicová sběrnice s propojovací ústřednou ve Slot 0 (zpoždění
nezáleží na slotu)
VXI
Local Bus
(obr. Tektronix-CDS)
MODID – (module id) identifikace jednotlivých modulů ve slotech
Clock & Sync – 10 MHz clock, 100 MHz clock, 100 MHz Sync (Slot 0 -> Slot 1-12)
Star Bus – rychlá sběrnice s hvězdicovou topologií např. pro šíření ext. hodin z DUT, start-stop signálu, apod.
Trigger Bus – 8x TTL TRG + 6x ECL TRG
Sum Bus – analogová sčítací sběrnice (např. sečte signály ze 3 arb. generátorů do složitějšího průběhu pro 4.modul)
Příklad VXI – kontroléru
Intel 2.16 GHz Dual-Core VXI Embedded
Controller
Ethernet, USB, GPIB
VXI Slot 0 Resource Manager
OS: WinXP, Vista, Win7 (32bit)
(National Instruments 2013, cca 300 kKč)
VXI přístroje - příklady
Arbitrary Waveform
Generator
100 MSa/s Digitizer
with DSP
12-bit, 40 MSa/s, four
16k-deep arbitrary
waveforms
0 - 40 MHz input BW,
18MB RAM FIFO
(Agilent)
(Agilent)
6.5 digit DMM
8-chan. DAQ
64-chan. muxed to 16bit 100KHz A/D
1kSa/s)
16-bit 5MSa/s /chan.
16 Msa RAM /chan.
64 kSample dual-ported
FIFO
(Agilent)
(Spectral Dynamics)
(VTI instruments)
(4.5 digit @
VXI – kontroléry a MXI rozhraní
Zabudovaný kontrolér (průmyslové PC ve VXI),
připojeny běžné periferie (monitor, kb)
Externí kontrolér (kancelářské PC)
+ nejrychlejší prostupnost dat
+ levné PC, snadná obměna
- drahé, jednoúčelové PC, rychle zastarávající
- pomalejší prostupnost dat MXI sběrnicí (asi 20MB/s)
Alternativa: MXI=Multisystem eXtension Bus
(National Instruments 1989)
(obr. KineticSystems)
Propojení více zabudovaných kontrolérů sítí LAN
VXI-MXI2 pro PCI sběrnici,
VXI-USB kontolér
Prostupnost:
33 MB/s burst;
14.5 MB/s ustálená
(obr. National Instruments)
Prostupnost:
33 MB/s ustálená
VXI – programování a registry
Třídy přístrojů:
Register based – nejzákladnější ovládání (zápis/čtení registrů)
Message based – Word serial protocol emuluje přenos zpráv podobně jako v GPIB
Memory devices
Extended devices
(obr. National Instruments)
Programování VXI pomocí VISA
register-based devices:
message-based devices (pomocí Word Serial Protocol):
viRead()/viWrite()
viPrintf()/viScanf()
viVxiCommandQuery()
message-based devices většinou podporují SCPI
PXI (a PXIe)
National Instruments: šasi s kontrolérem a několika moduly
(obr. National Instruments)
PXI – PCI eXtension for Instrumentation
•
•
•
•
Základem je sběrnice PCI (resp. varianta CompactPCI)
Autokonfigurační vlastnosti PCI
Elektricky, systémově a SW identická s PCI, mechanicky robustnější
Motivace:
– Podobně jako u VXI: rozšíření existující počítačové sběrnice o prostředky
významné pro měřicí systémy (trigger, synchronizace, def. podmínky
pro rušení, výkon, chlazení, sw kompatibilitu modulů, …)
– Kompaktní systém (než desktop i než VXI)
– Pokrok od VME/VXI (40MB/s) k PCI/PXI (132 MB/s) (~1993)
– Později (~2004) PCIexpress /PXIe: x1=250MB/s, …, x16=4GB/s
•
•
Díky SW kompatibilitě je programování transparentní vůči PCI-PXI
(programuje se stejně jako zásuvné karty v PC – např. NI-DAQ)
Také možno nahradit embedded controller stolním PC s pomocí MXI
http://www.pxisa.org/
PXI standard
• HW vlastnosti
– Mechanické
• CompactPCI
– Max. 31 slotů
– IEC konektory
– Eurocard
• PXI specific
– System Slot
– Nucené chlazení
– Environment. testy
(vlhkost, vibrace, rázy)
• SW vlastnosti
•
•
•
OS
Drivery
Správa zdrojů
– Elektrické
• PCI a CPCI
– 32/64 bit přenosy dat
– 33 / 66 MHz
• Instrumentace
–
–
–
–
Trigger bus
Local bus
Reference CLK
Star Trigger
PXI – PCI eXtension for Instrumentation
•
VMEbus
•
PCI
->
->
(obr. National Instruments)
•
PCIexpress ->
(obr. National Instruments)
CompactPCI (3U)
VXI
-> PXI
(obr. Eurotech)
CompactPCIexpress
(obr. One Stop Systems)
(obr. National Instruments)
->
PXIe
(obr. National Instruments)
PXI – struktura a sběrnice
Star Trigger
Local
Bus
Peripheral
Peripheral
Peripheral
Star Trigger
Controller
System
Controller
10 MHz
CLK
133 MB/s, 33 MHz, 32-bit Computer Bus
PXI Trigger Bus
Slot 1:
Slot 2: opt.
Syst. ctrl
Star Trg. Ctl.
… Slot N
(obr. National Instruments)
PXIe – struktura a sběrnice
Slot 1: Syst. ctrl
Slot i: System Timing Module
(obr. National Instruments)
PXI a PXIe
Kombinované PXI/PXIe
šasi
Podporuje PXI klasické i
PXI expresní moduly
(obr. National Instruments)
PXI kontroléry a přístroje
NI kontrolér
2.3 GHz quad-core
Intel Core i7
NI 7½-Digit PXI Digital
Multimeter (DMM)
Agilent N6030A Arbitrary
Waveform Generator, 15-Bit,
1.25 GS/s
(obr. National Instruments, Agilent)
MXI link
• SW transparentní (jako karta v PC)
• Copper PCIe(x1) <-> PXI, až 110 MB/s (160MB/s 2 šasi)
• Fibre Optics PCI <-> PXI, až 78 MB/s
• Copper PCIe(x16) <-> PXIe, až 5.6 GB/s (jen vybrané modely)
• Fibre Optics PCIe(x4) <-> PXI, až 838 MB/s
• ExpressCard <-> PXI, 214 MB/s
(obr. National Instruments)
AXIe
AdvancedTCA Extensions for Instrumentation and Test
• Nový (2009) standard modulárních systémů pro extrémně výkonné aplikace
• „Velká verze“ PXI
• Základem je šasi Advanced Telecom Computing Architecture (PICMG)
• Velké desky – výkonné přístroje (200W/slot), výkonné chlazení
• PCIe do každého slotu + LAN do každého slotu = ATCA
• Navíc: trigger, star trigger, clock 100MHz, sync. , local bus
• SW: navenek se tváří jako PXI
(obr. Agilent)
Proprietární systémy
(Tj. ne veřejné standardy)
USB modulární systémy
Agilent U2781A šasi pro 6 hot-swap modulů (moduly mohou
fungovat i samostatně: osciloskop, AWG, DMM, zdroj, přepínač)
Šasi poskytuje: napájení, 10MHz clock, star trigger, TRG in-out,
Hi-Speed USB 2.0 připojení k PC.
(obr. Agilent)
Př.: Průmysl. systém: Omega iNET
iNET400 – Šasi 1x4 až 4x4 slotů
iNET410 – interface k PC
iNET430 - Analogové VaV (16bit A/D, 16SE/8DI voltage input,
multiplexer, 4 voltage out, 4 DIO ),
umožňuje připojení senzorů (TČ, RTD,
termistory, tenzometr. můstky, …)
iNET-460 – 28 Digit. VaV
etc…
(obr. Omega – www.omega.com )