1 VXI – Ein Instrumentenbus der Zukunft. Der VXI-Bus (VMEbus Extension for Instrumentation) ist die Erweiterung des VME-Busses für Messgeräte. Er stellt einen neuen Standardbus für Messgeräte dar. Sein Busstandard ist ein vollständig offener Industriestandard, der von verschiedenen Herstellern und Anwendungsbereichen in verschiedenen Ländern genutzt werden kann. Als wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Entwicklung elektronischer Instrumente wird er von Experten im In- und Ausland als „Instrumentenbus der Zukunft“ und „bahnbrechende technologische Errungenschaft“ gepriesen und gilt als die „dritte Revolution“ im Bereich der elektronischen Instrumente und der automatischen Prüfung. Seit seiner Einführung Ende der 1980er-Jahre hat das VXI-Bussystem die Entwicklung der internationalen Mess- und Regelungstechnik für Instrumente und Messgeräte maßgeblich beeinflusst und ist zu einem viel diskutierten Thema im In- und Ausland geworden. Das VXI-Bussystem zeichnet sich durch Standardisierung, Universalität, Serialisierung und Modularisierung aus. Es integriert Mess-, Berechnungs- und Kommunikationsfunktionen und war eine Hightech-Innovation der 1990er-Jahre. Es vereint die Eigenschaften intelligenter GPIB-Instrumente und des VME-Busses und bietet darüber hinaus Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, Modularität und Benutzerfreundlichkeit. Die wichtigsten Vorteile sind: (1) Es handelt sich um das neueste international eingeführte offene Instrumentensystem. Das System besteht im Wesentlichen aus einem Hauptchassis, einem „0-Slot“-Controller, modularen Instrumenten und Treibersoftware mit vielfältigen Funktionen, einem Softpanel (SFP), einer Softwareentwicklungsplattform und Systemanwendungssoftware. (2) Es nutzt zahlreiche moderne Spitzentechnologien, darunter Mikroelektronik, Computertechnik, automatische Testtechnik, Grafikverarbeitung (virtuelle Instrumente, Softpanels), intelligente Instrumente und Messgeräte sowie weitere optoelektronische und mechanische Technologien. (3) Die Kernidee besteht darin, VXI-Produkte zu einem offenen Bussystem zu machen. Standardisiert und flexibel einsetzbar. Nach dem Kauf von VXI-Busprodukten können Anwender beim Systemaufbau echtes „Plug & Play“ nutzen und sofort Ergebnisse erzielen. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist benutzerfreundlich und bietet eine ähnliche Flexibilität wie eine Kompaktkamera. (4) Es verwendet eine Backplane-Struktur mit hoher Datenübertragungsrate (40 MB/s), hohem Durchsatz, flexiblem und einfachem Systemaufbau sowie einfacher Kompatibilität mit anderen Bussen. (5) Das Instrumentensystem hat sich vom traditionellen „Mehrfachchassis-Stapelsystem“ zum „Einzelchassis-Mehrmodulsystem“ weiterentwickelt. Es zeichnet sich durch hohe Installationsdichte, geringe Größe, niedriges Gewicht und einfache Transportierbarkeit aus. Dank seiner geringen Größe verbessert es die Genauigkeit des Messsignals, reduziert die Länge der Zuleitungen zwischen Instrument und Prüfling, verringert Systemrauschen und verbessert die Abschirmwirkung. (6) Es bietet hervorragende Testleistung und fortschrittliche technische Kennzahlen und ist somit ein ideales Produkt zur Modernisierung herkömmlicher Testsysteme. (7) Es verwendet ein modulares und strenges Design mit umfassender Prozessgarantie, was es äußerst zuverlässig macht, gute elektromagnetische Verträglichkeit und starke Störfestigkeit aufweist, effektive Selbsttest- und Selbstdiagnosefunktionen sowie gute Wartungsfreundlichkeit bietet und seine Lebensdauer erheblich verlängert. Die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) beträgt in der Regel 100.000 Stunden und kann bis zu 700.000 Stunden erreichen (entspricht einer Lebensdauer von 80 Jahren!). (8) Es zeichnet sich durch eine hohe Ressourcenausnutzung aus, lässt sich leicht in bestehende Systeme integrieren und verkürzt den Entwicklungszyklus erheblich. Es ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Systemressourcen, ist einfach zu aktualisieren und zu erweitern und ermöglicht den schnellen und unkomplizierten Austausch von Modulen sowie die bequeme und schnelle Rekombination des Systems je nach Bedarf verschiedener Anwendungsbereiche. Selbst wenn ein älteres Modell nach einigen Jahren ausgemustert wird, können seine Hauptkomponenten (wie Computer, VXI-Chassis, VXI-Modul usw.) weiterhin für neue Modelle verwendet werden. Die Ressourcenwiederverwendungsrate liegt bei bis zu 75 % bis 85 %, wodurch die Kosten und das Investitionsrisiko der Ausrüstung minimiert werden. (9) Für das VXI-Bussystem steht eine Vielzahl von Softwareentwicklungswerkzeugen zur Verfügung. Tester müssen lediglich das Symbol des jeweiligen Instruments aufrufen, die relevanten Bedingungen und Parameter eingeben und die entsprechenden Instrumente gemäß dem Testprozess per Maus verbinden. Dadurch wird die gesamte Programmierung abgeschlossen, Testprogramme werden automatisch generiert und die Messergebnisse werden wie vom Benutzer festgelegt angezeigt. (10) Benutzer können so bequem selbst „virtuelle Instrumente“ entwickeln. Ein virtuelles Instrument (VI) ist eine organische Kombination aus Messgeräten, Computern und Software. Es vereint effektiv Instrumentenhardware (wie A/D- und D/A-Wandler, digitale Ein-/Ausgänge), Computerressourcen (wie Mikroprozessoren, Speicher, Displays) und Software (wie Softpanels, grafische Oberflächen, Datenverarbeitung, Informationsaustausch usw.) zu einer neuen Generation elektronischer Instrumente, die Hardware und Software vereinen und die virtuelle und reale Welt integrieren. 2. Entwicklungsgeschichte von VXI-Bussystemen 2.1 Internationale Entwicklungsdynamik 1987 gründeten fünf Unternehmen, darunter HP, TEK und Racal, das internationale VXI-Bus-Konsortium und leiteten damit eine neue Ära für VXI ein. 1988 etablierten die USA den militärischen VXI-Busstandard, 1992 folgte der IEEE-1155-Standard. 1993 wurde der VXI-„Plug-and-Play“-Standard eingeführt und das VXI-„Plug-and-Play“-Systemkonsortium gegründet. Bis 1996 hatte sich das VXI-Bussystem weltweit standardisiert. Gleichzeitig erreichte der VXI-Markt ein beachtliches Ausmaß. Weltweit produzieren derzeit Hunderte von Herstellern Tausende von Produkten. Der Absatz von VXI-Modulen und -Systemen wächst mit einer hohen Rate von 30 bis 40 % jährlich und übertrifft damit das Wachstum anderer Messgeräte deutlich. Prognosen zufolge werden bis zum Jahr 2000 etwa 50 % der Testsysteme VXI nutzen. VXI beweist damit seine starke Dynamik im Hightech-Bereich. Die Vereinigten Staaten werden beispielsweise bis 2002 eine permanente Raumstation in 380 Kilometern Höhe über der Erde fertigstellen, die etwa so groß ist wie zwei Fußballfelder. Maxsys hat kürzlich ein VXI-basiertes SES-System entwickelt, das Sensoren und Aktoren auf der Raumstation simulieren kann, darunter Temperatur- und Drucksensoren, Relais, Schalter, Spannungsquellen, Stromquellen und programmierbare Lasten. Derzeit werden einerseits verschiedene technische Spezifikationen für den VXI-Bus formuliert und verbessert, andererseits wird die Entwicklung und Förderung der VXI-Bus-Plattform beschleunigt. Der VXI-Bus wird im 21. Jahrhundert zweifellos eine größere Rolle spielen. 2.2 Entwicklung und Anwendung des VXI-Bussystems in China: In den letzten Jahren hat das VXI-Bussystem international eine rasante Entwicklung und breite Anwendung erfahren und in China sofort großes Interesse und Aufmerksamkeit von Experten auf dem Gebiet der Messtechnik und der automatisierten Prüfung geweckt. 1990 nahm China formelle Kontakte zum VXI-Bus-Konsortium auf, und 1993 begann die Luft- und Raumfahrtindustrie mit der Einführung von VXI-Produkten. In den Jahren 1994 und 1995 war mein Land Gastgeber mehrerer internationaler VXI-Produktausstellungen. 1995 gründeten die Chinesische Gesellschaft für Computergestützte Automatische Mess- und Steuerungstechnik und die Chinesische Gesellschaft für Metrologie und Prüfung nacheinander das „Technische Komitee für VXI“ und das „Servicezentrum für VXI-Anwendungstechnologie“. In der Folge wurde das VXI-Bussystem in verschiedenen Bereichen in ganz China flächendeckend implementiert. Während China die neue Technologie in der Anfangsphase des Achten Fünfjahresplans zunächst aus der Ferne beobachtete und später ein wachsendes Interesse an ihrer Erprobung zeigte, markierte der Neunte Fünfjahresplan eine Phase rasanter Entwicklung und ambitionierter Ziele – eine wahrlich historische Chance. In den letzten Jahren durchlief die Forschung meines Landes zum VXI-Bussystem vier Phasen: Technologiebeobachtung, Produkteinführung, Entwicklung und Forschung sowie breite Anwendung. Auf diesem Technologiefeld wurden bedeutende Fortschritte erzielt und eine Reihe wichtiger wissenschaftlicher Forschungsergebnisse hervorgebracht. Die VXI-Bus-C-Serie von Funktionsmodulen (mit über 10 Typen wie 5,5-Bit-Digitalmultimeter, A/D-Wandler, D/A-Wandler, E/A-Wandler und Zählmodulen), ein wichtiges nationales Wissenschafts- und Technologieprojekt der Aerospace Measurement and Control Company im Rahmen des Achten Fünfjahresplans, hat die Evaluierung erfolgreich abgeschlossen. Das vom 35. Forschungsinstitut der China Aerospace Industry Corporation entwickelte „Intelligente VXI-Bus-Zielsimulator-Steuerungs- und Antriebsmodul“, das von der Zweiten Akademie entwickelte „Automatische Mess- und Steuerungssystem für einen bestimmten Flugzeugtyp“ und das von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und anderen Einrichtungen entwickelte „Automatische Testsysteme für Kommunikationsprodukte“ belegen, dass Chinas elektronische Instrumente und automatische Mess- und Steuerungstechnik international führend sind. Chinas Luft- und Raumfahrtsystem hat beschlossen, das VXI-Bussystem für alle Flugzeuge, von Kampfflugzeugen bis hin zu Großraumflugzeugen, einzuführen. Die Mess- und Steuerungssysteme großer Trägerraketen wie Langer Marsch 3, Langer Marsch 4B und Langer Marsch 2D setzen ebenfalls auf den VXI-Bus als bevorzugte Technologie für zukünftige Upgrades. 3 Integration des VXI-Bus-Instrumentensystems 3.1 Strukturelle Merkmale des VXI-Bussystems 3.1.1 Standardmodule sind in vier Größen erhältlich: A (9,9 × 16 cm), B (23,4 × 16 cm), C (23,4 × 34 cm) und D (36,6 × 34 cm). Die Größe C macht dabei etwa 85 % aus. Die elektrische Struktur des VXI-Busses wird vom 0-Slot-Controller gesteuert. Die Instrumentenmodule kommunizieren und arbeiten synchron über einen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationskanal und tauschen Daten über einen lokalen Bus aus. Die Chassis sind in 5-Slot- und 13-Slot-Konfigurationen erhältlich. 3.1.2 Systemstruktur Das VXI-Bussystem lässt sich vereinfacht in zwei Typen unterteilen: einen Ressourcenmanager und ein Konfigurationsregister. Der Ressourcenmanager führt folgende Softwarefunktionen aus: Identifizierung aller Instrumente, Durchführung eines Selbsttests, Speicherzuweisung, Zuweisung von Interruptleitungen und Zuweisung von Kommunikationsebenen. Der Ressourcenmanager kann 256 VXI-Bus-Instrumente verwalten (0 bis 255). Das VXI-Bus-Konfigurationsregister speichert verschiedene Informationen über die Instrumentenmodule. Jedes VXI-Bus-Instrument enthält folgende Informationen: Instrumentenmodell und Gerätetyp, Kommunikationsfähigkeit, Statusinformationen und Speicherbedarf. Die VXI-Bus-Kommunikation ist in zwei Typen unterteilt: nachrichtenbasiert und registerbasiert. Erstere unterstützt fortgeschrittene Standard-VXI-Bus-Kommunikationsprotokolle wie Word-Serial-Protokolle; letztere unterstützt keine fortgeschrittenen Kommunikationsprotokolle, sondern nur die VXI-Bus-Konfigurationsregister und ist daher nicht universell kompatibel. 3.1.3 Controller-Struktur Gängige Controller sind: a. IEEE-488-Controller. Dieser kann mit mehreren Host-Chassis und gleichzeitig mit IEEE-488-Instrumenten verbunden werden. Zu seinen Merkmalen gehören eine einheitliche Instrumentenschnittstelle, die einfache Integration von VXI-Bus-Instrumenten mit IEEE-488-Instrumenten, eine maximale Übertragungsrate von 1 MB/s (niedrigste Geschwindigkeit), die Möglichkeit, bis zu 168 Standardmodule zu steuern, und der niedrigste Preis. b. Eingebetteter (auch als integrierter) VXI-Bus-Controller. Er kann direkt im Host-Gehäuse platziert werden und verfügt über alle Funktionen eines Allzweckrechners (486- oder 586-Mikrocomputer). Seine Hauptmerkmale sind seine geringe Größe, die direkte Steuerung des VXI-Busses und von 12 Standardmodulen, eine Übertragungsrate von bis zu 40 MB/s und die höchste Geschwindigkeit. c. MXI-Controller. Sein Preis ist mit dem des IEEE-488-Controllers vergleichbar, und seine Übertragungsrate kann (20–33) MB/s erreichen. 3.1.4 Die Struktur des VXI-Plug-and-Play-Systems verwendet den VXI-Plug-and-Play-Standard, was die Kosten senkt und den Betrieb von VXI-Instrumenten, -Controllern und -Software vollständig unterstützt und die Systemintegration und Softwareprogrammierung erleichtert. Das System verwendet eine spezielle Komponente, das sogenannte „Framework“, als Schnittstelle zwischen VXI-Bus-Instrumenten und Systemsoftware. Dieses Framework stellt lauffähige Software bereit und definiert eine robuste Software- und Hardwareumgebung. Aktuell wird häufig das von Windows unterstützte WIN-Framework verwendet. Es basiert auf Windows-Software, nutzt Intel-PC-Technologie zur Unterstützung der gängigsten Programmiersprachen und ist auf Windows 98 portierbar. Technisch gesehen verwendet das WIN-Framework die grafische Benutzeroberfläche von Windows und steuert VXI-Instrumente über dynamische Linkbibliotheken (DLLs) und die VISA-Kommunikationsschnittstelle (Virtual Instrument Software Architecture). Das WIN-Framework umfasst Instrumententreiber, Software-Panels, Online-Dateien, grundlegende Strukturdaten, VISA-Kommunikationsschnittstellen und ein Standardinstallationsprogramm. VXI-Plug-and-Play-Systemanwendungen müssen die VISA-Kommunikationsschnittstelle nutzen, bevor sie VXI-Bus-Instrumente über Hardware-I/O steuern können. 3.2 Systemintegration 3.2.1 Systemzusammensetzung Die Systemintegration besteht aus Hardware (Hauptgehäuse, Controller und Instrumentenmodule) und Software. Nachfolgend finden Sie typische Systemintegrationsbeispiele von HP: ● E1401B C-Gehäuse, 13 Steckplätze, Haupteinheit ● E1406A 0-Steckplatz-Controller ● Externer Controller (586-Mikrocomputer) ● E2073 HPIB-Busschnittstellenkarte ● E1411B 5,5-stelliges Digitalmultimeter-Modul ● E1428A Digitaloszilloskop-Modul ● E1340A Funktionsgenerator-Modul ● E1413B 64-Kanal-A/D-Wandler-Modul ● E1328A 4-Kanal-D/A-Wandler-Modul ● E1330B 32-Kanal-Digital-I/O-Modul ● E1469A 4×16-Relais-Schaltmodul ● HP/VEE 5.0 Software 3.2.2 Für die Softwareinstallation müssen zuerst die VISA-Kommunikations-I/O-Komponenten, dann die erforderliche Programmiersprache und schließlich die Gerätesoftware installiert werden. Die Gerätesoftware umfasst ein Softpanel, Treiber, Online-Dateien, grundlegende Strukturdaten und eine Standardverzeichnisstruktur. 3.2.3 Systemverifizierung Nach der Systemintegration sollte das Softpanel des Geräts bedient werden, um die ordnungsgemäße Kommunikation des Geräts zu überprüfen. Referenzen [1] Gauravgoel. Hathly flexible Production Testing With LabVIEW and VXI. VXI Journal Winter, 1996 [2] Chen Guang. VXI Bus Test Platform Technology. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China Press, 1996