• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Сервер VXI-11 на платформе QNX Neutrino

Сергей Минеев, Сергей Фомин
"Современные технологии автоматизации"#4 2006г.

Обсуждается архитектура клиент-сервер применительно к распределённым измерительным системам. Показана роль спецификации VXI-11 при создании встроенного программного обеспечения контрольно-измерительных приборов. Содержится практическое руководство по созданию программного обеспечения, позволяющего управлять приборами по сети Ethernet в соответствии с требованиями специализированного стандарта.

ВВЕДЕНИЕ

    Программно-управляемые измерительные приборы находят всё более широкое применение в контрольно-измерительных комплексах, испытательных стендах и различных автоматизированных системах. Уже многие годы действуют международные стандарты на аппаратное и программное обеспечение интерфейсов связи программно управляемой аппаратуры с управляющими компьютерами: IEEE 488.1, IEEE 488.2, VXIplug&play 4.X, VXI 11.X и др. На сегодняшний день наиболее распространённым приборным интерфейсом является IEEE 488. Им оснащается подавляющее большинство аппаратуры таких фирм, как Agilent Technologies, Tektronix, Rohde&Shwartz, ННИПИ «Кварц» и др. С помощью специальных интерфейсных плат и таких программных продуктов, как NI VISA (National Instruments) или AG VISA (Agilent Technologies), достаточно просто организовать обмен данными между управляющим компьютером и приборами, подключёнными к шине IEEE 488, что уже давно оценено российскими и зарубежными разработчиками контрольно-измерительных систем.

    На рубеже XX и XXI веков невысокая пропускная способность шины IEEE 488 и другие принципиальные ограничения заставили производителей измерительной аппаратуры оснащать свои изделия дополнительными высокоскоростными интерфейсами Ethernet 10/100/1000 Гбит/с, USB, IEEE 1394. Вновь выпускаемое оборудование всё чаще совсем не поддерживает интерфейс IEEE 488, но благодаря реализации производителями требований таких стандартов, как VXIplug&play 4.X и VXI-11.X, сохраняется преемственность способов взаимодействия программ пользователей с измерительной аппаратурой.

    К сожалению, отечественные фирмы производители, в своё время хорошо освоившие шину IEEE 488, не торопятся оснащать свои приборы современными скоростными последовательными интерфейсами. Причина такой неторопливости не связана со сложностью интеграции в приборы аппаратной части интерфейсов, а кроется впроблемах логической совместимости со спецификациями VXI-11.X и VXIplug&play 4.X. То есть техническая возможность оснастить прибор интерфейсом, например Ethernet 100Base-T, есть, но для того чтобы иметь возможность управлять данным прибором так же, как и приборами других производителей, необходимо реализовать и разместить в приборе программное обеспечение, соответствующее опубликованным спецификациям консорциумов VXI и VXIplug&play.

    Существенно сократить затраты, связанные с внедрением в приборостроительной отрасли новых связных интерфейсов, можно с помощью встраиваемой микропроцессорной техники. Предпосылками этого являются снижение стоимости компактных, быстродействующих микропроцессорных плат, уже оснащённых необходимыми интерфейсами, и появление мультиплатформенных встраиваемых операционных систем. Как в таком окружении организовать обмен данными между измерительным прибором и управляющим компьютером в соответствии со стандартным протоколом? Ответу на этот вопрос и посвящена данная статья.

АРХИТЕКТУРА КЛИЕНТ-СЕРВЕР ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

    По мере совершенствования вычислительной техники и средств коммуникации всё чаще контрольно-измерительные комплексы рассматриваются как распределённые многопроцессорные системы (рис. 1). Измерительные средства, входящие в состав таких комплексов, управляются встроенными микропроцессорами, а обмен данными с управляющими узлами осуществляется посредством каналов Ethernet или USB. За счёт открытости и распространённости применяемых связных интерфейсов упрощаются разработка, сопровождение, расширение таких комплексов, а ограничения на пространственное размещение аппаратных средств практически отсутствуют. Спецификация VXI 11 [1] консорциума VXI определяет механизмы и логику взаимодействия приборов, оснащённых интерфейсом Ethernet, c управляющим компьютером. Хотя данная спецификация и выпущена под эгидой консорциума VXI, но к шине VXIbus никакого отношения не имеет и может применяться (и применяется) к любым приборам, управление которыми сводится к выдаче команд и операциям чтения/записи символьных буферов (аналогично IEEE 488.1 и/или IEEE 488.2). Определим прибор (вернее, логический блок прибора, «обращённый» наружу через Ethernet) как приборный сервер (Network Instrument Server), а программу, выполняющуюся на управляющем компьютере, как клиент прибора (Network Instrument Client). Стек протоколов, задействованных при обмене информацией между приборным сервером и приборным клиен том, описывается в таблице 1. Два самых нижних уровня стека протоколов должны быть реализованы драйвером сетевого ввода/вывода и никакой специфики, связанной с рассматриваемой задачей, не имеют. Сеансовый уровень определён как ONC/RPC (Open Network Computing / Remote Procedure Call), а внешнего представления данных – XDR (External Data Representation). Наиболее известная реализация данных спецификаций – пакет Sun RPC фирмы Sun Microsystems [2], который входит в состав дистрибутивов большинства операционных систем семейства Unix. Для семейства Windows доступны коммерческие реализации ONC/RPC + XDR. Прикладной уровень подробно описан в спецификации VXI-11 [1], где определены интерфейсы вызываемых посредством RPC функций и правила реализации внутренней логики приборного сервера и его клиента. Всего определены три канала (Channels) для информационного взаимодействия: основной (Core), прекращения (Abort) и прерываний (Interrupt). Распределение процедур по каналам показано в таблице 2. Вызов всех процедур через RPC осуществляется по инициативе приборного клиента (каналы Core и Abort). Исключением является device_intr_srq() – эта процедура вызывается по инициативе сервера, в этом случае происходит обмен ролями между сервером и клиентом. Для успешной работы RPC на стороне сервера должен быть запущен демон (скрытая от пользователя служебная программа) portmap или rpcbind [2]. Для успешной работы клиента наличие процессов portmap или rpcbind необязательно. Взаимодействие приборного сервера и клиента начинается с вызова клиентом процедуры create_link(). При первом вызове данной процедуры сервер должен открыть свободный порт, запустить процесс, где данный порт будет прослушиваться. Номер прослушиваемого порта должен быть возвращён клиенту в качестве порта канала Abort. Кроме номера порта, функцией create_link() должны быть возвращены код ошибки (0 – успех), идентификатор соединения (произвольное число) и максимально допустимое число байтов для сообщений устройству. При последующих вызовах create_link() значения возвращаемых параметров должны быть тождественны значениям при первом вызове. После того как соединение установлено, клиент может вызывать любые другие процедуры каналов Core и Abort. Обязательными для реализации на стороне приборного сервера являются процедуры device_write(), device_read(), device_lock(), device_unlock(). Остальные процедуры могут быть не реализованы, то есть при вызове возвращать код ошибки 8 (operation not supported). Примечательно, что в спецификациях [3, 4, 5] определены рекомендуемые шаблоны поведения приборов. Шаблоны представляют собой комплекты правил (ограничений) для реализации процедур таким образом, чтобы поведение приборов соответствовало спецификациям VXIbus [3], IEEE 488.1 [4] и IEEE 488.2 [5]. По завершении работы с прибором клиент должен ликвидировать соединение посредством вызова процедуры destroy_link(). После того как успешно отработала данная процедура, работа с прибором возможна только после вызова create_link().

СОЗДАНИЕ СЕРВЕРА VXI-11 НА ПЛАТФОРМЕ QNX