Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

мые в персональный компьютер, а также внешние контроллеры с USB интерфейсом. В этой конструкции собственно блок контроллера представляет собой согласователь протоколов передачи информацией между двумя шинами GPIB-USB. Интерфейсная функция контроллера GPIB выполняется компьютером с использованием специального программного обеспечения.

Программное обеспечение приборов, работающих с GPIB включает драйвер контроллера и библиотеки программ, позволяющих конфигурировать интерфейс и программировать его работу. Для программной стандартизации интерфейса в 1987 году принято расширение стандарта, 488.2, в котором определены стандартные управляющие последовательности, выдаваемые контроллером. Это устраняет возможные неопределенности программирования различных приборов обеспечивает надежную связь.

В 1990 году был предложен язык SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) как открытый стандарт, который определяет общий набор команд для программируемых приборов. Стандарт SCPI – это полноценная реализация языка программирования приборов, которая с начала 90-х годов получила широкое распространение и в настоящее время доминирует на рынке как наиболее распространенный способ поддержки измерительных приборов. Стандарт SCPI позволяет работать на языке высокого уровня, а также с графическими языками популярных сред программирования NI LabView и Agilent VEE.

Приборы, удовлетворяющие стандарту SCPI, должны уметь правильно интерпретировать команды, различать их полную и краткую формы. Все приборы должны иметь возможность посылать и принимать данные, запрашивать обслуживание контроллером и отвечать на команды очистки или сброса устройства. В SCPI определен формат команд, посылаемых в приборы, и формат ответов на запросы, выдаваемых приборами. Поскольку эти команды и запросы одинаковы для всех устройств, они стандартизованы. Например, при запросе FREQ? прибор возвратит результат измерения частоты или установку частоты генератора в одном из определённых стандартом форматов. Все приборы на запрос *IDN? отвечают строкой идентификации прибора, где указана фирма-изготовитель и марка прибора, на стандартную команду *RST включается сброс прибора в исходное состояние, запрос READ? позволяет получить результат измерения. Спецификация SCPI требует специального программного обеспечения приборов. Однако для пользователя измерительной системы программирование становится существенно проще, поскольку приборы поддерживают стандартный набор команд и запросов.

В стандарте SCPI реализованы три важных идеи совместимости команд управления: горизонтальная, вертикальная и функциональная. Предположим, что контроллер посылает различным мультиметрам ко-

393

манду измерения напряжения MEASure:VOLTage. Эта команда будет иметь один и тот же вид, поскольку в SCPI используются одни и те же команды для одинаковых функций. Это обеспечивает вертикальную совместимость.

Высокоуровневая команда MEASure:FREQuency? может быть послана различным приборам. Например, частотомеру или счетчику, которые выполняют такое измерение по-разному. Использование одних и тех же команд для приборов разного типа называется горизонтальной совместимостью.

Третья форма совместимости команд называется функциональной совместимостью. Она предполагает соответствие одинаковых команд одинаковым функциям разных приборов. Например, если анализатор спектра и генератор могут управлять частотой настройки, и команды установки частоты используются в обоих приборах, то эти приборы будут функционально совместимы для данного применения. Это наиболее высокий уровень совместимости приборов. Он в большинстве случаев позволяет заменить один прибор другим для проведения конкретного измерения без изменения команд SCPI.

Измерительные системы на основе стандарта LXI

В 2004 году консорциум ведущих мировых производителей и пользователей контрольно-измерительного оборудования (LXI Consortium) объявил о завершении разработки нового стандарта измерительных систем,

названного LXI (LAN eXtensions for Instrumentation – расширение LAN

для измерений). Основной целью разработки нового стандарта было увеличение скорости работы измерительных систем, уменьшение их стоимости, размеров и времени, затрачиваемого на настройкуИС.

Стандарт LXI основан на технологии Ethernet (IEEE 802.3), используемой для компьютерных сетей (LAN). Достоинства таких сетей:

•широкая распространенность LAN во всем мире;

•отсутствие принципиальных ограничений на расстояние и число подключенных модулей;

•высокая скорость передачи данных;

•низкая стоимость реализации и эксплуатации;

•открытая документация на сетевые протоколы;

•легкость перехода канала связи с витой пары на оптоволокно, беспроводные каналы и пр.

•возможность использовать готовые аппаратные и программные средства для разработчиков измерительных систем.

394

Использование преимуществ Ethernet, сетевых возможностей Internet, стандартных протоколов LAN дает возможность в измерительных системах перейти на более высокие скорости ввода/вывода, избавиться от крейтов и дорогих интерфейсных кабелей. В составе измерительной систем LXI могут быть использованы традиционные измерительные настольные приборы и специализированные измерительные модули c интерфейсами LXI, подключенные по LAN к выходным портам коммутатора/маршрутизатора Ethernet. Устройства с интерфейсами VXI, PXI, RS232 и GPIB могут быть использованы вместе с LXI модулями в составе общего измерительно-вычислительного комплекса. Разнообразие поддерживаемых интерфейсов обеспечивает быстрый и недорогой переход пользователей на новый стандарт LXI.

Согласно стандарту, выделяют три класса устройств LXI (A,B и С). Класс C – основной класс LXI. Устройства класса С должны соответствовать аппаратным требованиям LAN сетей, поддерживать протоколы Ethernet и стандарты интерфейса LXI, иметь встроенный web-сервер, позволяющий удаленно управлять прибором. Класс B соответствует всем требованиям класса C, но добавляет возможность запуска приборов по LAN и поддержку протокола синхронизации IEEE 1588 (протокол временной точности). Класс A удовлетворяет всем требованиям классов C и B и добавляет шинуаппаратного запуска приборов.

Интерфейс LXI позволяет соединять как настольные устройства, имеющие переднюю панель, так и модули без панели и переносные автономные приборы. Для модулей, которые встраиваются в стойки, рекомендуется придерживаться спецификации IEC, согласно которой ширина модуля должна соответствовать стандартному размеру стойки 19 дюймов или ее половине. Высота модуля задается в нормированных единицах

1 RU = 1.75 дюйма = 44 мм (Rack Units). В модулях LXI широко исполь-

зуют размеры устройств с высотой 1 RU и половинной шириной. Эти модули удобно размещаются в стандартной стойке, исключая необходимость использования специальных крейтов измерительных систем. Стандарт рекомендует определенное положение кабеля питания, выключателя питания, соединительного разъема Ethernet (RJ–45) – на задней панели, разъемов для подключения сигналов – на передней панели – и индикаторов работы LAN (слева на передней панели). Модули LXI отличаются от модулей PXI и VXI тем, что они автономны и обладают собственным питанием, охлаждением, системой запуска, защитой от электромагнитных помех. Охлаждение осуществляется с боковых или с передней/задней частей, чтобы можно было устанавливать модули в стек – один модуль над другим без снижения производительности.

Все устройства LXI должны использовать интерфейс IEEE 802.3 Ethernet и стандартный протокол TCP/IP (как минимум, версии IPv4) с поддержкой сообщений протоколов IP (Internet Protocol), TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). Стандар-

395

том LXI рекомендуется версия гигабитного Ethernet (GE), хотя допускаются 10- и 100-мегабитные версии. У каждого устройства LXI должен быть постоянный MAC-адрес и назначаемый IP-адрес.

Стандарт LXI рассматривает два режима связи с приборами LXI: программный, с применением специальных драйверов, и интерактивный – с использованием стандартного Web-браузера. В программном режиме приборы LXI должны поддерживать драйверы по спецификациям IVI Foundation. IVI ( Interchangeable Virtual Instrument) – это стандарт про-

граммирования виртуальных измерительных приборов, упрощающий взаимозаменяемость, обеспечивающий высокую производительность и уменьшающий стоимость разработки и обслуживания программ. Драйверы IVI-COM легко взаимодействуют со всеми современными языками программирования (в основе которых лежит стандарт COM компании Microsoft), а драйверы IVI-C работают с языками программирования на базе ANSI-C.

В интерактивном режиме приборы LXI должны по запросу выдавать Web-страницу в формате HTML, которую можно просматривать любым стандартным Web-браузером. Эта страница должна содержать следующую информацию:

•номер модели прибора, данные о производителе;

•серийный номер прибора и его краткое описание;

•LXI-класс прибора (A, B или C), версию стандарта LXI;

•имя хост-компьютера, MAC-адрес и IP-адрес прибора.

Запуск и синхронизация модулей системы LXI совмещает достоинства системы телекоммуникаций на базе Ethernet с новым стандартом синхронизации времени IEEЕ 1588. Устройства класса С стандарта LXI допускают применение аппаратного запуска приборов, предусмотренного его производителем. Класс B стандарта LXI требует запуска по LAN и применения протокола синхронизации времени согласно стандарту IEEE 1588. Каждый прибор класса B имеет встроенный тактовый генератор. Программное обеспечение приборов LXI класса B позволяет, согласно протоколу IEEE 1588, синхронизировать свои тактовые генераторы для достижения единой установки времени. При этом устройства LXI могут начать измерения точно в заданное время, синхронизировать измерения без использования специальных кабелей синхронизации. Устройства LXI класса A добавляют еще один способ запуска событий/процессов – аппаратную шину запуска (trigger bus). Шина запуска обеспечивает прохождение сигнала запуска междуприборами с минимальной задержкой.

Использование пакетной передачи информации в сочетании с высокой скоростью передачи данных (до 10 Гбит/с), гибкость в выборе канала связи (провода, оптоволокно или радиоволны) делают предпочтительным выбор интерфейса LXI в тех измерительных системах, где сейчас используются интерфейсы GPIB.

396

Контрольные вопросы

1.Что такое измерительная система? Чем она отличается от измерительного прибора? от измерительной установки или стенда?

2.Какие компоненты входят в состав измерительной системы? Каковы функции контроллера ИС?

3.Какие уровни совместимости требуется обеспечить при построении стандартной измерительной системы агрегатного типа?

4.В чем отличие функционально-модульных и приборно-модульных измерительных систем? Укажите области их использования.

5.Укажите основные структурные схемы измерительных систем и сравните их свойства.

6.Какие типы измерительных систем по назначению используют в инженерной практике? Чем отличаются измерительно-вычислительные комплексы от информационно-измерительных систем?

7.Дайте определение интерфейса измерительной системы. Какие компоненты в него входят? В чем отличие интерфейсов ИС от интерфейсов компьютерных и телекоммуникационных сетей передачи данных?

8.Приведите классификацию интерфейсов, нашедших применение в измерительных системах. Сравните их по параметрам и областям применения.

9.Укажите свойства и назначение последовательного интерфейса RS– 232C. Какие свойства имеют измерительные системы, построенные на основе этого интерфейса?

10.Как производится передача информации по интерфейсу RS–232C? Для чего используют служебные биты в информационной посылке?

11.Какие конструктивные особенности имеет последовательный интерфейс RS–232C? В чем отличие этого интерфейса от последовательных интерфейсов RS–422 и RS–485?

12.Укажите основные особенности приборного интерфейса GPIB. Что входит в его состав? Сравните его с последовательным интерфейсом RS–232C с точки зрения использования их в измерительных системах.

13.Какие конструктивные особенности имеет приборный интерфейс GPIB? Как собирают системуна основе этого интерфейса?

14.Опишите назначение шин и линий магистрали интерфейса GPIB. Для каких целей используют сигналы шин управления и синхронизации?

15.Как производится передача байта по интерфейсу GPIB? Укажите алгоритм синхронизации процесса передачи.

397

16.Что такое «команда» интерфейса GPIB? Как она передается по интерфейсу? Какие основные команды необходимы для реализации интерфейсных функций?

17.Что такое «адресация» модуля в интерфейсе GPIB? Как ее реализуют?

18.Что такое «интерфейсная» функция GPIB? Для какой цели используются функции SH, AH, T и L? Какой блок интерфейса отвечает за выполнение интерфейсных функций?

19.Как реализуют интерфейсную функцию SR (запрос на обслуживание)? Опишите алгоритм обработки запроса на обслуживание в интерфейсе GPIB.

20.Как строят измерительные системы на основе стандарта LXI? Какие преимущества имеют эти системы по сравнению с интерфейсом

GPIB?

21.В чем отличие классов A, B и С приборов в системе LXI?

22.Какие функции должен обеспечивать встроенный Web-сервер прибо-

рах LXI?

398

Приложение. Условные обозначения на структурных схемах

399

f

Умножитель частоты

nf

f

Делитель частоты

Усилитель

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ)

400

Коммутатор на два положения

401

Литература

Основная

1.Данилин, А. А. Приборы и техника радиоизмерений : учеб. пособие / А. А. Данилин, Н. С. Лавренко. – Спб. : Изд-воСПбГЭТУ«ЛЭТИ», 2013.

2.Данилин, А. А. Измерения в технике СВЧ : учеб. пособие. –М : Радиотехника, 2008.

3.Дворяшин, Б. В. Метрология и радиоизмерения : учеб. пособие. – М : Издательский центр «Академия», 2005.

4.Нефедов, В. И. Метрология, стандартизация и технические измерения: учебник для ВУЗов / А. С. Сигов, В. И. Нефедов. – М. : Высшая шко-

ла, 2008.

С. И. Каплин, И. Г. Петелин. – М. : Высшая школа, 1986.

7.Мирский, Г. З. Электронные измерения. – М. : Радио и связь, 1986.

8.Измерения в электронике : справочник / под ред. В.А. Кузнецова. – М. : Энергоатомиздат, 1987.

9.Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для ВУЗов / под ред. В. Н. Ушакова – СПб. : Питер, 2014.

Дополнительная

1. Афонский, А. А. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике / А. А. Афонский, В. П. Дьяконов; под ред. проф. В. П. Дьяконова. – М. : ДМК Пресс, 2011.

2.Афонский, А. А. Измерительные приборы и массовые электронные измерения / А. А. Афонский, В. П. Дьяконов – М. : СОЛОН_ПРЕСС, 2007.

3.Дьяконов, В. П. Генерация и генераторы сигналов. – М. : ДМК пресс, 2009.

4.Евдокимов, Ю. К. LabVIEW для радиоинженера / Ю. К. Евдокимов, В.Р. Линдваль, Г.И. Щербаков. – М. : ДМК Пресс, 2007.

5.Мейзда, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений : пер. с англ. – М. : Мир, 1990.

6.Топильский, В. Б. Схемотехника измерительных устройств. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

402