VXI - otevřené měřicí systémy Anotace : Sběrnice VXI představuje první rozsáhlý a komerčně úspěšný standard, na jehož přípravě se od samého začátku podílela většina významných producentů systémových měřicích přístrojů. Funkčnost a výhodnost systémů s touto sběrnicí již byla dokumentována na řadě realizovaných aplikací. Během sedmi let výrazného rozvoje sběrnice byla pozornost soustředěna především na vývoj nových modulů a dílů. Nyní, kdy je na trhu více než 800 modulů od řady výrobců, se pozornost soustřeďuje na to, jak co nejvíc usnadnit integraci celého měřicího systému. Příspěvek shrnuje základní vlastnosti sběrnice a popisuje stav navazujících standardů. Klíčová slova : měřicí systém, sběrnice, operační systém 1. Důvody vzniku systému VXI Na začátku se vraťme trochu do historie, i když poměrně nedávné. Požadavky na redukci rozměrů měřicích systémů, přesnější časování a synchronizaci mezi jednotlivými přístroji, na rychlejší přenos dat mezi nimi i na otevřenost
měřicích systémů vyvolaly před necelými deseti lety tlak na průmyslovou standardizaci architektury zásuvných měřicích přístrojů (karet). Přední výrobci měřicí techniky hledali nejvhodnější řešení. Většina výrobců se v té době vydala cestou výroby modulárních stavebnic měřicích ústředen. Vyráběn byl a dosud je sortiment různých měřicích desek, zasouvaných do šasi a propojených sběrnicí. U některých výrobců obsahuje šasi i výpočetní techniku (procesor, paměť), u některých se výpočetní část též zasouvá, jako každá jiná měřicí deska, do šasi. Každý výrobce však používal odlišnou sběrnici, různý rozměr desek. Chybí kompatibilita mezi měřicími deskami různých výrobců, není možné je vzájemně kombinovat. Zároveň žádný z výrobců není schopen vyrábět celý sortiment měřicích desek tak, aby bylo možné jeho měřicí ústřednu používat pro všechny možné aplikace. Řešení tohoto velkého nedostatku měla přinést unifikace. Pro některé aplikace, zvlášť pro ty, které vyžadují náročnější matematické zpracování dat již během měření, se objevily snahy použít standardizovanou sběrnici VME, používanou pro sestavování modulárních počítačů. Ukázaly se však nevýhody, vyplývající z toho, že tato sběrnice není navržena pro propojování měřicích přístrojů. Neumožňuje, například, vést mezi deskami analogové signály, problémy jsou se synchronizací činností na jednotlivých měřicích deskách. Nedefinuje ani elektromagnetickou kompatibilitu, tedy ru šivé
napětí šířené mezi jednotlivými deskami na sběrnici. Z hlediska elektromagnetické kompatibility jsou desky umístěny příliš blízko sebe, takže mohou rušit slabé analogové signály. Standardní sběrnice GPIB, v té době na vrcholu své slávy, umožňuje sestavení měřicího systému na míru z velmi širokého sortimentu měřicích přístrojů různých výrobců. Problémy může přinášet leckdy ne zcela vyhovující propustnost sběrnice a obtížná synchronizace měřicích přístrojů na sběrnici. Navíc podíváme-li se na takový měřicí systém očima ekonoma, vidíme, že by se jistě dala jeho vysoká cena snížit. Vždyť kolik je v takovém systému napájecích zdrojů, větráků, nákladných přístrojových skříněk. Řešení se opět nabízí v miniaturizaci měřicích přístrojů do tvaru měřicích desek, zasouvaných do šasi a propojených standardní sběrnicí. Proto pět velkých firem přistoupilo k návrhu standardní sběrnice pro vytváření měřicích systémů. 2. Standard VXI VXI je průmyslový standard IEEE 1155, při jehož vývoji se spojilo původně pět, a nyní již několik desítek výrobců měřicí techniky. Uvedeme zde pouze základní informaci, podrobnější údaje je možno získat z již publikovaných článků (např. [1], [2] a [3]) nebo u autora příspěvku. Technickým základem tohoto standardu se stala pro svou modularitu, vysokou propustnost i komer ční úspěch sběrnice VME, zatímco populární sběrnice IEEE488 (GP-IB) posloužila
jako model pro řešení komunikace mezi moduly a pro řízení modulů. Standard VXI obě koncepce používá a doplňuje další části, čímž vznikla platforma pro vytváření nových, modulárních měřicích systémů, které by měly vyhovět i nárokům očekávaným v budoucnosti. Systém VXI sestává ze skříně (mainframe), vybavené konektory, do níž se zasouvají zásuvné měřicí přístroje (moduly). Příklad vzhledu takového systému je na obrázku 1. Moduly se zasouvají do vodítek v rámu, nastavovací prvky, kontrolky i přívod signálů jsou umístěny na malém čelním panelu modulu. Norma VXI specifikuje způsob chlazení modulů. Průtok chladicího vzduchu je odspodu vzhůru. Každý modul musí mít udány požadavky na chlazení, dodavatel skříně musí též udat a garantovat podobnou informaci o mo žnostech chlazení modulů. Dále norma VXI specifikuje elektromagnetickou kompatibilitu mezi moduly. Dopln ění systému o nový modul nesmí degradovat funkci ostatních modulů ve skříni. Norma VXI proto exaktně specifikuje povolenou míru vyzařování jednotlivých modulů a odolnost jednotlivých modulů proti takovému vyzařování. Součástí normy jsou i požadavky na vlastnosti základní desky (motherboard), propojující jednotlivé moduly. Jedná se obvykle o dvanáctivrstvý tištěný spoj, zaručující definovaná zpoždění přenosu některých analogových kanálů mezi moduly v řádu pikosekund.
3. Organizace modulů na sběrnici Každý z modulů musí být vybaven pevně danou množinou registrů umístěných na daných adresách. Pro tyto registry je vyhrazeno horních 16 kilobajtů adresního prostoru. Povely jsou uvnitř systému přenášeny mezi jednotlivými moduly právě prostřednictvím těchto registrů. Každý modul má přiřazenou osmibitovou adresu, která určuje, kde je v adresním prostoru umístěna jeho sada registrů. Jeden systém VXI tedy může obsahovat až 256 modulů s unikátní adresou. Logická adresa modulu je analogická adrese přístroje na sběrnici IEEE488. Tato adresa může být nastavována ručně nebo je nastavována automaticky, při startu systému. Přehled komunikačních registrů jednoho modulu je znázorněn na obr. 2. Protože každý modul je vybaven konfiguračními registry, systém je schopen automaticky identifikovat v šechny moduly, jejich typ, provedení, výrobce i paměťové požadavky modulu. Na tomto základě zajišťuje programový modul Resource Manager automatickou konfiguraci systému a pamětí. Nejjednodušší moduly jsou vybaveny pouze zmíněnou sadou registrů. Takové moduly nazýváme Register-Based. Norma VXI však definuje i další komunikační vrstvu, která již není pro moduly povinná. Moduly, které ji mají realizovánu, nazýváme Message-Based. Jak již název napovídá, tyto moduly komunikují na základě zpráv, zapisovaných a čtených do/z komunikačních registrů DataIn a DataOut. Čtení a zápis jsou synchronizovány
pomocí bitů v registru Response. Synchroniza ční bity indikují, zda je registr prázdný a je možno do něho zapisovat data nebo zda je zaplněn daty. Tento způsob synchronizace je tedy podobný činnosti komunikačního obvodu UART. Protokol pro přenos povelů a dat je nezávislý na výrobci modulu. Protože komunikace probíhá postupným zápisem šestnáctibitových slov do registrů modulu, je protokol nazýván Word Serial. Podobá se protokolu známému ze sběrnice IEEE488. Standard VXI však definuje i další možnost velice rychlé komunikace mezi moduly - prostřednictvím sdílené paměti. Systémy VXI podporují vytváření hierarchických systémů a stromových řídících struktur. Modul je označován jako Commander, má-li v hierarchické struktuře modulů přidělen alespoň jeden podřízený modul, označovaný Servant. Ve víceúrovňové hierarchické struktuře podřízenosti může jeden modul být zároveň Commander i Servant. Každý modul v systému VXI má právě jeden nadřízený modul Commander. Commander má výlučný přístup ke komunikačním registrům podřízeného modulu. Commander komunikuje s pod řízeným modulem prostřednictvím jeho komunikačních registrů, a to buď protokolem Word Serial, nebo, jde-li o jednoduch ý Register-Based modul, specifickou manipulac í s obsahem jeho registrů. Podřízené moduly komunikují s nadřízeným modulem prostřednictvím svých vlastních registrů. Podřízené moduly mohou též komunikovat se svými nadřízenými moduly pomocí přerušovacích signálů, případně
zápisem specifických zpráv (nazývaných signály) přímo do signálního registru nadřízeného modulu. Norma VXI definuje v protokolu Word Serial příkazy, které umožní nastavit podřízené moduly tak, aby generovaly přerušení nebo signály přesně daným způsobem. Popsaná podpora hierarchických řídících struktur umožňuje vytvářet v rámci jednoho systému shluky měřicích modulů, pracujících autonomně a z vnějšího pohledu chápané jako jeden složitý měřicí modul. Ve vyhrazené pozici ve skříni VXI je vždy umístěn vyjímečný modul. Protože vyhrazená pozice je zcela vlevo a je označená číslem 0, je nazýván "Slot 0" modul. Tento modul je vybaven tak, aby mohl generovat syst émové hodinové signály, konfigurační signály a další signály potřebné pro chod celého systému. Právě v tomto modulu bývá umístěn Resource Manager, t.j. program, který při inicializaci systému identifikuje všechny moduly, přiřadí jim adresy, přidělí paměť a nastaví vztahy podřízenosti mezi moduly. 4. Výhody a nevýhody Již od svého publikování slibovala norma VXI snížení ceny měřicích systémů a zkrácení času, potřebného pro vývoj systému. Na rozdíl od zásuvných měřicích desek pro IBM/PC jsou měřicí desky podstatně větší a většinou obsahují mikroprocesor nebo poměrně rozsáhlou logiku. Ze systémového hlediska se desky pro VXI jeví jako samostatné měřicí přístroje. Můžeme se
tedy na měřicí systém VXI dívat jako na miniaturizovaný měřicí systém se sběrnicí IEEE488 - měřicí desky nahrazují samostatné měřicí přístroje, standardizované šasi nahrazuje stojan. Sběrnice VXI, ve srovnání s IEEE488, nabízí vyšší výkon, přesnější časování a synchronizaci, menší rozměry a nižší cenu přístrojů. Zároveň je možné do systému VXI integrovat měřicí přístroje, vybavené sběrnicí IEEE488. Počítač se může stát částí systému VXI, nebo může být samostatný a se systémem propojen buď sběrnicí IEEE488, nebo velmi výkonnou a nákladnou sběrnicí MXI. Shrňme klady a zápory této sběrnice. Základním faktorem je vždy cena. Zde je možno konstatovat, že VXI je zatím výhodná pro dva okruhy měřicích systémů. Jednak pro ty, které potřebují velmi rychlý přenos, ukládání a zpracování dat, jednak pro rozsáhlé systémy s mnoha vstupními kanály. Na základě zkušeností lze odhadnout hranici výhodnosti systému VXI asi takto : pro systém sestávající z počítače a jednoho až dvou měřicích přístrojů bude výhodnější systém GPIB. Je-li třeba sestavit systém ze čtyř měřicích přístrojů, pak je vhodné uvažovat o VXI. U měřicích přístrojů GPIB pohltily značnou část ceny náklady na skříňku, přední panel a napájecí obvody. Tyto části u přístrojů VXI odpadají, ale zase je podstatně nákladnější interfejsová část. Podle některých výrobců činí cena interfejsových obvodů asi 90% ceny celého měřicího přístroje (na interfejs jsou kladeny poměrně vysoké nároky, které jsou realizovatelné jen s velkými
náklady). Vysoká cena interfejsových obvodů zapříčinila, že v nabídce nalezneme hlavně výkonné a přesné přístroje - tedy přístroje vyšší cenové kategorie, v níž se cena interfejsu lépe ztratí. Zároveň je zde skryt potenciál snižování cen při zvyšování sériovosti výroby a zlevňování elektronických dílů, zatímco u přístrojů IEEE488 jsou tyto rezervy již vyčerpány - ceny přístrojových skříněk a napájecích zdrojů neklesají, spíš naopak. Záměrem tvůrců normy a hlavních výrobců modulů bylo zopakovat to, co se podařilo firmám IBM a Microsoft v oblasti personálních počítačů. S rostoucí popularitou sběrnice VXI a s rostoucím počtem realizací by jednak měla klesat cena modulů a tím se dále rozšiřovat oblast aplikací, vhodných pro realizaci systémem VXI. Zároveň, tak jak poroste šíře uživatelské základny, by se otvíral prostor pro rostoucí množství modulů i programů pro nejrůznější použití - jev známý právě z oblasti osobních počítačů. Rychlost morálního zastarávání přístrojů VXI by tedy měla být nižší. Očekává se větší spolehlivost systémů VXI a delší doba mezi poruchami (asi třikrát). V literatuře se uvádí, že ačkoliv je pořizovací cena systému VXI vyšší než u systému GP-IB, celkové náklady na používání systému mohou být poloviční. Nelze souhlasit s názorem vyjádřeným v příspěvku Ing. Putery [3], že jsou v našich podmínkách pro běžné technologické aplikace nedostupné. Jak ukazují příspěvky [4] a [5], systémy VXI nalezly řadu zákazníků v takových oborech,
jako je energetika, hromadná průmyslová výroba, zkušebnictví, ale i ve výzkumu a ve vojenské oblasti. Systémy VXI byly realizovány i u nás. Příklad takové realizace naleznete v následujícím článku. Bohužel je nutno konstatovat, že znalost výhod systému VXI není u nás tak velká, jako např. v USA, kde prodej měřicích modulů s touto sběrnicí prudce stoupá (za posledních 5 let v průměru o 100% ročně). 5. Realizované projekty vedou k dalšímu standardu Nikdy dosud neměla sběrnice VXI tolik modulů a nikdy s ní nebylo možno vyřešit tolik různých měřicích úloh, kolik dnes. Moduly VXI pokrývají širokou škálu aplikací. Dodávány jsou jednotlivé komponenty, jako měřicí přístroje, rámy (mainframe), svorkovnice, počítače či programy, ale i kompletní systémová řešení. Sběrnice VXI, jako otevřená platforma, jejíž moduly dodává řada výrobců, skutečně umožňuje vytváření otevřených měřicích systémů. S růstem počtu dodávaných přístrojů a počtu jejich výrobců roste i odpovědnost kladená na konečného uživatele. Musí si správně vybrat modul vyhovující jeho potřebám a při tom se musí orientovat v množství různých nabízených modifikací modulů. Ale úspěšné sestavení funkčního systému VXI od několika výrobců vyžaduje víc než jen zajištění spolupráce modulů na elektrické a mechanické úrovni. Pro vytvoření
skutečně otevřeného systému musí se všemi moduly spolupracovat i měřicí programy. Vývoj programů pro systém VXI je podobný vývoji programů pro sběrnici IEEE488. Systémy VXI jsou ale víc vázány na použitý počítač a jeho operační systém. Navíc moduly VXI nejsou vybaveny čelním panelem, který zobrazuje činnost a naměřené hodnoty a slouží tak při ladění systému. Pro využití všech možností systému VXI jsou při přípravě programu potřeba podstatně mocnější programové nástroje, než při sestavování systému IEEE488, kde často postačil jednoduchý jazyk Basic. V základním standardu VXI nejsou řešeny ani takové základní okruhy problémů, jakými je programová kompatibilita. Pro uživatele systému je většinou obtížné správně vyhodnotit kompatibilitu modulů na systémové úrovni. Instalovat modul VXI je jednoduché, ale vytvořit programový modul, který jej bude řídit a funkčně začlenit tento programový modul k ostatním programovým modulům v systému může být časově náročný a vysoce technický proces bez záruky toho, že hned napoprvé povede k cíli. Neuvažujeme-li možnost dodávky na klíč, pak významnou pomoc při návrhu systému i při jeho realizaci může poskytnout systémově integrační firma. Přesto ale bez systémového rámce, který by určil kompatibilitu modulů VXI na systémové úrovni a bez větších zkušeností toho, kdo sestavení systému provádí, může mít snaha integrovat systém jen nejistý výsledek.
Odpovědí na volání po systémovém rámci je iniciativa VXIplug&play. 6. VXIplug&play Termín VXIplug&play označuje souhlas s připravovanými standardy na systémové úrovni, které jsou vytvářeny konsorciem výrobců modulů VXI. Ačkoliv libovolný modul VXI může být použit v jakémkoliv systému VXI, u komponent VXIplug&play je předpoklad, že do systému budou integrovány snáz. A to především díky standardům pro vytváření programových ovladačů zařízení, programových čelních panelů, interface, instalačních programů, ale i dokumentace a dalších věcí. VXIplug&play používá několika základních rámců, které definují použité operační systémy a nástroje pro vytváření měřicích programů. Z nabídky znázorněné na obrázku 3 si uživatel podle operačního systému a prostředí pro vývoj aplikací vybere jeden rámec. Ten zúží možný výběr dalších komponent systému, jako jsou další programy, počítač či měřicí moduly. Každý z rámců je detailně popsán včetně všech systémových komponent, což zaručí slučitelnost modulů uvnitř jednoho rámce. I když jsou specifikace VXIplug&play p řístupné komukoliv, jsou vytvářeny především pro výrobce. Tyto dokumenty by měly zajistit, že výrobci porozumí vnitřním požadavkům jednotlivých komponent jednoho rámce. Pochopitelně i uživatel se může se zněním těchto dokumentů seznámit, ale ve skutečnosti se
potřebuje pouze správně rozhodnout, který z rámců nejlépe vyhoví jeho potřebám. 7. Základníní kameny VXI plug&play VXIplug&play staví na následujících klíčových technologiích : sbìrnice VXI, moduly VXI a VME rychlé pøenosy dat sbìrnicí VXI (shared memory, fast data transfer) pøístroje IEEE488, rychlá sbìrnice HS488 standardní poèítaèe (PC, SUN) a modulární poèítaèe VXI sbìrnice MXI operaèní systémy DOS, Windows, Windows NT, HP-UX a SunOS/Solaris interfejsové programy NI-VXI a NI-488.2 programové ovladaèe ve zdrojovém tvaru pro LabView a LabWindows samostatné programovì tvoøené èelní panely pøístrojù programovací jazyky ANSI C, BASIC, ATLAS a ADA standardní meziprogramové komunikaèní mechanismy jako DDE, OLE a DLL. Každý z přístrojů podle dokumentů VXIplug&play je dodáván se standardní disketou, která obsahuje programový čelní panel přístroje ve formě samostatně spustitelného programu. Tento programový čelní panel lze využít pro vyzkoušení činnosti modulu a jeho nastavení, a to bez jakéhokoliv programování.
Panel je z diskety vygenerován standardizovaným generačním programem. Disketa též obsahuje standardizovaný programový ovladač pro řízení modulu z uživatelských programů. Řada vytvořených dokumentů zajišťuje právě to, že programy od různých dodavatelů budou navrženy, instalovány a užívány konzistentním způsobem. Volba jednoho z rámců ovlivní výběr ostatních komponent systému VXI, i když je zřejmé, že nejvíc se dotýká oblasti programové. Rámce podporují všechny tři běžné způsoby začlenění počítače do systému (sběrnicí IEEE488, sběrnicí MXI i použití počítače - modulu VXI) a zde tedy není žádné omezení. Rovněž skříň (mainframe) může být libovolná, za předpokladu, že vyhoví z hlediska výkonu zdroje a chlazení (teprve v budoucnu se očekává několik dodatečných dokumentů, které by měly standardizovat propojení skříní s kontaktními poli a svorkovnicemi - fixturing). Opravdu významné výrobce modulů VXI můžeme spočítat na prstech jedné ruky. Ačkoliv se zpočátku zdálo, že konsorcium VXIpug&play se stane konkurentem nejv ětšího z nich, firmy Hewlett-Packard, i tato firma se nakonec do činnosti zapojila, takže dnes jsou jejími členy všichni. Kromě uvedených významných výrobců VXI (jmenujme ještě např. firmy Tektronix, Racal Instruments a National Instruments) je členy konsorcia VXIplug&play řada dalších firem - výrobců speciálních modulů VXI, výrobců doplňkového sortimentu (konektorů, kontaktních
polí, napájecích zdrojů) a systémových integrátorů. Zástupci 25 firem z USA pracují v technických pracovních skupinách, které ze společné vize vytvářejí sady dokumentů. Práce je produktivní, postupuje rychle kupředu a přinesla již první plody v podobě devíti specifikací. Ostatní pracují v aktivní skupině uživatelů. I naše republika je zde zastoupena. Členem VXIplug&play je pražská firma IPP measure, jejíž profil naleznete v následujícím příspěvku. Zde je možno získat podrobné informace o normě VXI a o přijatých dokumentech VXIplug&play. Literatura : 1 LUHAN, I.: Měřicí systém nebo měřicí přístroj?. ST 33, 1990, č. 11, s. 422-423 2 Luhan, I.: Moduly sběrnice VXI. ST 34, 1991, č. 1, s. 21-23 3 Putera, J.: Meracie a testovacie syst émy VXI. Automatizace 37, 1994, č.4, str. 88-90 4 Luhan, I. : Rozvoj VXI, v tomto čísle 5 Kasl, J.: Měřicí systémy pro zkoušky a diagnostiku elektrických strojů. In: TD2000 - Diago'95, Zlín, Žilinský vzdělávací servis 1995, s. 61-78 6 IPP measure s.r.o., Praha, Přehled zásuvných měřicích modulů se sběrnicí VXI, 1995, 8 s.
Inzertní článek : Rozvoj VXI Tento článek doplňuje příspěvek "VXI - otevřené měřicí systémy" informacemi o VXI v tuzemsku a o atraktivní informační akci. Na trzích České a Slovenské repuliky zajišťuje systémovou integraci systémů VXI naše firma IPPmeasure. Jsme členem konsorcia VXIplug&play. Na smluvn ím základě spolupracujeme s předními výrobci měřicí techniky, pro některé z nich provádíme systémovou integraci i v dalších zemích. Nabízíme dodávky řešení na klíč i s případným financováním formou leasingu. Ve spolupráci s firmami Tektronix a Hewlett-Packard jsme např. navrhli první komerčně dodaný systém VXI u nás. Je určen pro nestandardní měření na jaderném reaktoru JE Dukovany. V tomto systému flexibilita modulů VXI vyhovuje nárokům na velkou rychlost měření při zachování přesnosti, vyžadované mezinárodními standardy. Šíře sortimentu VXI, sériovost výroby a následně i cenová dostupnost jsou větší, než u obdobných systémů CAMAC. Vrozená flexibilita sběrnice přinesla možnost
snadného rozšíření systému a modifikace měření tak, jak se budou v čase měnit požadavky. Výhodná je též kompaktnost řešení, umožňující celé měřicí zařízení přenášet. Systém sestává z přepínače 88 měřicích míst, číslicového voltmetru, 240 digitálních vstupů a výstupů a řídícího modulu. Všechny moduly jsou vybaveny autotestem. Zakázky realizujeme na klíč, tedy včetně programů, instalace a zaškolení obsluhy. Příkladem mohou sloužit další dodávky do oblasti energetiky, např. distribuovaný registrační systém pro registraci odběru páry v odběrních místech nebo zařízení pro sledování poruch v elektrické síti. Pro zvýšení informovanosti našich techniků jsme zahájili akci, během níž chceme mj. připravit určitá vzorová řešení (pochopitelně s omezenou funkčností) úloh z různých technických oborů. V této souvislosti hledáme zajímavé projekty, vhodné pro realizaci systémem VXI. Na oplátku nabízíme, že pracovníci firmy IPPmeasure předvedou řešení přímo na Vašem pracovišti a přímo na místě též seznámí jak se sběrnicí VXI, tak i s detaily řešení úlohy. Jako zadavatel takového projektu získáte možnost seznámit se a "osahat si" řešení na bázi skutečně progresivní technologie, na své konkrétní úloze a se zohledněním svých požadavků. Na tomto základě prodiskutujeme výhody i nevýhody řešení sběrnicí VXI a poskytneme objektivní zhodnocení vhodnosti projektu pro realizaci systémem VXI. To vše pochopitelně bezplatně
a nezávazně. O zajímavých řešeních budeme informovat na stránkách Automatizace. Na vyžádání Vám zdarma zašleme přehled většiny měřicích modulů VXI na trhu a v neposlední řadě i vypracujeme nezávaznou technickou a cenovou nab ídku. Přehled či nabídku si vyžádejte na adrese IPPmeasure s.r.o. Práčská 53 106 00 Praha 10 tel. (02)755926, fax (02)755926/524