不使用系统控制器的直接仪器对仪器通信

相关申请的交叉引用

本公开要求于2021年10月12日提交的、名称为“DIRECT INSTRUMENT-TO-INSTRUMENT COMMUNICATION WITHOUT USING A SYSTEM CONTROLLER”的美国临时申请No.63/254,989的权益，该美国临时申请的公开内容以其全文通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及测试和测量仪器，并且更具体地涉及用于不使用分离的系统控制器的直接仪器对仪器通信的技术。

背景技术

测试和测量仪器有时在部件或模块之间共享数据以协调它们的操作，特别是当操作为单个虚拟仪器时。在该上下文中，仪器还可以被称作模块；例如，多个模块可以被安装在仪器大型机（mainframe）中。仪器大型机可以是通过选择特定模块并将特定模块添加到仪器大型机来定制的。基于某些操作或测试条件来在仪器之间协调触发对仪器之间的顺序操作来说是有用的。

用于协调仪器操作的先前解决方案的一个示例是PXI局部总线，其提供多个菊链模拟连接。PXI局部总线是符合PXI规范的总线，PXI规范由PXI系统联盟管理。PXI标准包括对PCI（外围部件互连）规范作出的与仪器和自动化用户相关的扩展。PCI规范定义了根据PCI标准进行操作的硬件和软件要求。具有公共硬件和软件要求允许各种制造商根据PCI标准来开发彼此通信的产品。

图1示出了包括PCI总线以及PXI局部总线的设备（未图示）中的通信子系统10的框图，PXI局部总线包括针对PXI触发器的支持。PCI总线是在PCI总线上的外设模块中的每一个之间共享的，并且总线通信的总体协调由系统控制器管理。系统控制器管理PCI总线与包括PCI总线的主要主机或仪器之间的通信。在图1中图示的外设之间操作通信系统遭受许多缺陷，包括由于被系统控制器管理的必要性所致的操作开销。PCI总线还可能经历相当长的等待时间，尤其是如果外设之一正在发送大量数据且捆绑PCI总线的话。

根据本公开的实施例解决了传统通信系统的这些缺点中的一些。

附图说明

图1是传统通信总线和控制器的框图。

图2是根据本公开实施例的包括由模块到模块通信系统链接的多个模块的仪器或大型机的框图。

图3是在功能上图示了根据本公开实施例的在图2的大型机上操作的模块到模块通信系统的框图。

图4是图示了根据本公开实施例的模块到模块通信系统的进一步细节的框图。

具体实施方式

相比于图1的传统通信系统，图2示出了根据本公开实施例的包括由模块到模块通信系统链接的多个模块的仪器或大型机100的示例框图。一般地，本公开会将仪器称作大型机100。大型机100可以包括多个模块120，该多个模块120可以被插入到大型机中或从大型机移除。各种模块120可以提供不同功能和功能性。选择个体模块120中的哪个或哪些以包括在大型机100中允许用户定制大型机并仅选择执行期望仪器功能所需的那些模块。因此，选择哪些模块120以包括在大型机100中确定了由大型机及其关联模块120创建的仪器的功能性。

大型机100可以物理地包括底盘，该底盘具有用于物理地接受一个或多个模块120的多个接收器槽。尽管在图2中图示了仅六个槽，但大型机100可以包括任何数目的模块槽。大型机100包括用于提供对许多类型的仪器来说公共的功能性的典型部件，诸如一个或多个处理器102、用于存储指令或数据的存储器104、用于接收要处理的一个或多个信号的输入106、以及用于将一个或多个信号发送到外部装备或设备的输出108。在一些实施例中，该一个或多个处理器102可以由各种微控制器和/或FPGA（现场可编程门阵列）体现或者耦合到各种微控制器和/或FPGA。将一个或多个FPGA包括在大型机100中允许快速开发以及用于通过将FPGA重新编程成更新版本来提高功能性的过程。大型机100包括用户接口110，用户接口110可以包括用户可通过其而交互、控制和接收来自大型机的信息的多种旋钮、开关、触摸屏、显示屏、键盘或鼠标输入等中的任一个。大型机100可以进一步包括PC接口112，通过PC接口112，它可以接收程序控制，或者通过PC接口112，它可以耦合到远程计算机以用于远程操作。大型机100还包括一个或多个电源118，以提供其自身的内部功率且还将功率信号提供给模块。

大型机100包括至少一个且典型地两个或更多个槽，每一个用于接受模块120。如上所描述，每个模块120可以将分离的功能提供给大型机100。每个槽可以包括与用于支持每个模块的物理连接和用于与每个模块通信的电连接的一个或多个模块接口。在一些实施例中，模块120的模块接口包括：卡缘连接器，其在大型机100与模块120之间物理地耦合通信和电源线。模块接口还允许模块120直接彼此通信，如下面进一步详细描述。一些模块120可以包括用于与耦合到它们的设备交互的多个分离输入或输出信道。在一些实施例中，模块120是可热插拔的，这意味着：在大型机被供电以及处于操作中时，模块可以被插入到大型机100中或从大型机移除。而且，在一些实施例中，大型机100中的立板或夹层板可以用于将一个或多个模块120电耦合到其槽。每个模块120由电源118通过其接口中的功率连接来供电，或可以进一步包括针对外部功率的连接。

可在大型机100中使用的特定模块120的示例包括源测量单元（SMU）、电源、数字万用表（DMM）、脉冲测量单元（PMU）、脉冲发生器、示波器、静电计或者任何其他类型的仪器。模块120还典型地包括用于耦合到由大型机100测量和/或将信号发送到大型机100的设备和/或从大型机接收一个或多个信号的其自身的输入、输出或输入和输出两者。

图3是在功能上图示了根据本公开实施例的在图2的大型机上操作的模块到模块通信系统的框图。如图3中所示，可作为图2的大型机100的示例的大型机200包括：模块到模块通信背板218，其在不必在大型机100自身上使用任何分离通信控制器的情况下促进两个模块220直接彼此通信。图3的每个模块220（模块A和模块B）可以是参考图2描述的模块120中的任一个的示例。而且，尽管在图3中图示了仅两个模块220，但为了清楚，模块到模块通信背板218在被插入到大型机200中的槽中的任何两个特定模块之间工作。

模块到模块通信背板218内的通信线路一般经由不要求系统控制器处理通信的边带信道来提供可配置通信线路。通信系统提供用于直接通过模块到模块通信背板218将仪器连接在一起的路由资源，其也可以被称作边带信道。通信背板218信道可以包含下面描述的多个个体链路，其可以被成组在一起以增大通信带宽或提供同步，例如出于触发目的。

参考图3，在一些实施例中，每个模块220包括PCIe（高速外围部件互连）部件221以及触发器部件222。这些部件221、222允许每个模块220使用PCIe总线以及潜在地甚至使用传统方法中的PXI总线来与大型机200通信。大型机200包括PCIe交换机210和触发复用器或mux 212，以通过每个模块的部件221和触发器部件222来促进模块220中的每一个与大型机200之间的该传统通信。

除这些传统部件外，每个模块220还包括：本地模块到模块通信器228，其结合大型机100的通信背板218进行操作，以允许任何模块将数据、命令、触发或其他信息直接从一个模块发送到另一模块，例如，从模块A发送到模块B。注意，该模块到模块通信完全与通过大型机200的PCIe交换机210或触发mux 212的任何数据通信分离。在一些实施例中，通信背板218以及每个模块220的模块到模块通信器228由FPGA体现，这允许它们容易被重新配置。

图4图示了跨驻留于大型机中的通信背板318而在模块中的每一个之间的通信细节。图4中图示的通信背板318可以是图3的通信背板218的示例。在所图示的实施例中，通信背板318包括通信线路的8个差分对，尽管在其他实施例中可以存在任何数目的通信线路。在一些实施例中，每个模块的每个模块到模块通信器328包括4个通信线路的一个或两个集合。在实施例中，每个个体通信线路由线路的差分对组成，这意味着：针对每个通信线路的信息由该对线携带。对于包括4个通信线路的一个集合的那些实施例，以差分对成组的8个分离通信线路从模块到模块通信器328链接到通信背板318。对于包括4个通信线路的两个集合的那些实施例，16个分离通信线路从模块到模块通信器328链接到通信背板318。通信线路可以由任何电连接体现，该任何电连接诸如是分立或耦合的线、印刷电路板（PCB）迹线、电连接器、或者任何其他电气通信介质。尽管通信线路在下面被称作线，但为了简明，事实上在实施例中可以使用适于实现的任何电连接。通信背板318进一步包括：模块耦合器319，其起作用以跨通信线的差分对中的一个或多个在任何两个模块之间建立通信，如下面进一步描述。在一个实施例中，该模块耦合器319由所编程的FPGA体现或者是所编程的FPGA的功能。

从上面想到，大型机的不是所有模块槽都需要被填充，并且每个模块可以具有4个通信线路的一个或两个集合。参考图4，以虚线图示模块D和模块E以指示它们不存在于大型机内。进一步地，模块A、B和F均包括4个通信线路的两个集合，而模块C具有仅一个集合。针对大型机而选择和匹配可均具有不同能力和资源的特定模块的能力提供了未在其他仪器中发现的灵活性和定制程度。

在一些实施例中，使用具有高速收发器逻辑（HSTL）第II类1.8 V电气信令标准的低电压差分信号（LVDS）对、通过通信背板318来在模块之间发送数据通信的每个信道，尽管可以使用其他通信标准。尽管LVDS标准具体用于发送和接收数字信号，但其他标准可以在通信线路上携带模拟信号。在起动时，大型机可以对所连接的模块中的每一个中的每个模块到模块通信器328以及通信背板318进行初始化，诸如通过与背板318和通信器328中的每一个中的FPGA通信。这种初始化提供了针对模块自身的地址以及针对其他模块中的每一个的地址。通过通信线路而在模块之间的通信是点对点通信，这意味着：彼此通信的仅两个模块参与通信，并且模块忽略它们不是其一方的通信。存在用于操作通信信道的多种预定命令。可以通过打开和配置数据通信信道来设立信道，如上所描述，该数据通信信道打开单个发送设备与单个接收设备之间的信道。模块可以打开通过下述操作而确定的任何开放信道：监视信道达一定时间段，以确定是否任何通信业务量已经处于信道上。这种信道业务量将指示特定信道已经被一对模块使用。在确定信道当前未被使用之后，发送模块可以向另一模块发送建立通信信道的请求。当接收模块指示它准备好接收时，通信信道被打开且可用以使模块彼此通信。当完成通信时，信道可以被关闭，这针对后续通信过程而释放该特定信道的资源。

在其他实施例中，通信信道的管理可以由通信背板318与模块耦合器319（图3）协作而执行。在这种实施例中，通信器328可以通过向通信背板318发送打开新通信信道的请求来打开通信信道。作为响应，通信背板318分配差分对中的一个或多个作为资源，将所涉及的模块耦合到所选择的差分对，并向接收模块发送打开它的用于与发送模块通信的特定信道之一的消息。然后，在通信信道被打开之后，可以通过在两个模块之间打开的点对点通信信道来在它们之间发送数据和信息。当针对通信的需要完成时，模块之一向通信背板318发送关闭信道以使资源再次可用的消息。当然，跨通信背板318将各种模块耦合到彼此的细节可以是实现专用的，且可以以不同方式执行。尽管上面的示例图示了两个模块之间的点对点通信，但应当想到，通信背板318包括用于在模块之间连接的多个通信路径。因此，例如，模块A可以具有对模块C打开的通信路径，同时，模块B具有与模块D的通信路径。或者，模块A可以打开，同时与模块B和模块F两者建立连接。通过通信背板318的同时模块到模块连接的数目仅受背板中的通信线路的物理数目和每个模块与背板之间的连接的数目限制。

在实践中，模块可以出于多种目的而打开通信信道。一些信道可以被打开以将中断或触发信号发送到另一模块。再次参考图3，触发可以由大型机200的触发mux 212生成且被发送到模块220，诸如模块A。然后，模块A可以通过下述操作来传送它已经接收到该触发：首先与模块B建立通信信道，且在模块A从大型机200接收到触发时将触发信号发送到模块B。在其他操作中，模块220可以将由第一模块收集的数据发送到第二模块。通过允许在各种模块220之间建立通信信道，模块可以彼此协作以执行不能够被单个模块执行的特定功能，或通过使用多个所耦合的模块来扩充对大型机来说可用的资源。

一般地，在两个模块之间的通信信道上发送的数据是串行数据。然而，在一些实施例中，可以在两个模块220之间同时打开多个通信信道，并且可以以并行方式发送数据。并行发送数据可以增大模块之间的通信的带宽。或者，在一些实施例中，并行而不是串行发送一些数据可以更简单。

如上所描述，通过通信信道而发送的数据可以包括任何类型的数据，诸如例如原始数据、测量数据、从被测量的设备接收的数据、向被测试的设备发送的数据的拷贝、命令数据、数字数据、定序信号、同步数据和触发信号。一般地，可以通过点对点通信信道传送有助于在被配置为仪器的大型机的两个模块之间协作的任何类型的数据。

如上所提及，通过模块之间的点对点通信信道而发送的数据通信可以符合一个或多个特定通信协议。一般地，针对这种通信而选择的通信协议将具有用于例如数据交换、寻址、传输误差的检测和肯定应答的预定义格式。而且，一般地，每个模块到模块通信器228、238包括存储缓冲器，其中针对发送和接收模块而对要跨通信线路发送的数据进行排队，其中可以在接收之后存储从通信线路接收的数据。

并入有诸如上面描述的模块到模块通信系统的系统的优点包括以可配置方式在仪器模块之间建立点对点连接以携带数据、命令或触发信号的能力。通信背板318中的路由资源通过配置接口来在仪器的边带信道之间创建直接连接。一旦路由被建立，仪器通信就不消耗系统控制器处理或通信资源。

本公开的方面可以在特别创建的硬件上、在固件、数字信号处理器上或者在包括根据所编程的指令进行操作的处理器的特殊编程的通用计算机上操作。如本文使用的术语控制器或处理器意在包括微处理器、微型计算机、专用集成电路（ASIC）、FPGA、软核FPGA和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以体现在由一个或多个计算机（包括监视模块）或其他设备执行的计算机可使用数据和计算机可执行指令中，诸如一个或多个程序模块中。一般地，程序模块包括在由计算机或其他设备中的处理器执行时执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。计算机可执行指令可以被存储在非瞬变计算机可读介质上，该非瞬变计算机可读介质诸如是硬盘、光盘、可移除储存介质、固态存储器、随机存取存储器（RAM）等。如本领域技术人员应当领会的那样，可以如在各种方面中期望的那样组合或分发程序模块的功能性。可以使用特定数据结构以更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这种数据结构是在本文描述的计算机可执行指令和计算机可使用数据的范围内想到的。

在一些情况下，所公开的方面可以以硬件、固件、软件或其任何组合而实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个非瞬变计算机可读介质携带或在一个或多个非瞬变计算机可读介质上存储的指令，该指令可以由一个或多个处理器读取和执行。这种指令可以被称作计算机程序产品。如本文所讨论，计算机可读介质意指可由计算设备访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机储存介质和通信介质。

计算机储存介质意指可以用于存储计算机可读信息的任何介质。作为示例而非限制，计算机储存介质可以包括RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器或其他存储器技术、致密盘只读存储器（CD-ROM）、数字视频盘（DVD）、或者其他光盘储存器、磁带盒、磁带、磁盘储存器或其他磁储存设备、以及在任何技术中实现的任何其他易失性或非易失性、可移除或不可移除介质。计算机储存介质排除了信号本身和瞬变形式的信号传输。

通信介质意指可以用于计算机可读信息的通信的任何介质。作为示例而非限制，通信介质可以包括同轴线缆、光纤电缆、空气、或者适于电、光、射频（RF）、红外、声或其他类型的信号的通信的任何其他介质。

示例

下面提供了本文公开的技术的说明性示例。技术的配置可以包括下面描述的示例中的任何一个或多个和任何组合。

示例1是一种可配置仪器，包括大型机，所述大型机具有：一个或多个处理器；底盘，具有用于接受一个或多个仪器模块的槽；通信总线，耦合到在所述槽中插入的所有仪器模块；以及通信背板，与所述通信总线分离，且被配置成允许在所述槽中插入的模块的任何对之间的点对点通信。

示例2是根据示例1的可配置仪器，其中所述点对点通信包括一对差分信号线路。

示例3是根据前述示例中任一项的可配置仪器，其中所述点对点通信包括多于一对差分信号线路。

示例4是根据前述示例中任一项的可配置仪器，其中所述点对点通信能够被配置成携带模拟信号或数字信号。

示例5是根据前述示例中任一项的可配置仪器，其中在所述槽中插入的每个模块包括：通信接口，被结构化成连接到所述通信背板。

示例6是根据示例5的可配置仪器，其中在所述槽中插入的模块中的至少一个的通信接口包括四对或八对差分信号线路。

示例7是根据示例5的可配置仪器，其中被插入到所述槽中的模块中的至少一个的通信接口被结构化成：向被插入到所述槽中的模块中的另一个发送通过所述通信总线而接收的信号，作为点对点通信。

示例8是根据前述示例中任一项的可配置仪器，其中所述通信背板包括：模块耦合器，在所述槽中插入的模块的任何对之间建立所述点对点通信。

示例9是根据示例8的可配置仪器，其中所述通信背板的模块耦合器被结构化成：通过所述通信背板内的信号线路的差分对，来在所述槽中插入的模块的任何对之间建立所述点对点通信。

示例10是根据示例8的可配置仪器，其中所述通信背板的模块耦合器被结构化成：通过所述通信背板内的通信线路的两个或更多个差分对，来在所述槽中插入的模块的任何对之间建立所述点对点通信。

示例11是根据示例8的可配置仪器，其中所述通信背板的模块耦合器被结构化成：同时在所述槽中插入的模块的任何对之间建立第一点对点通信以及在所述槽中插入的模块的任何对之间建立第二点对点通信。

示例12是根据前述示例中任一项的可配置仪器，其中所述一个或多个仪器模块包括源测量单元（SMU）、电源、数字万用表（DMM）、脉冲测量单元（PMU）、脉冲发生器、示波器或静电计。

示例13是一种在包括具有多个槽的大型机的仪器中通信的方法，所述多个槽均被结构化成接受仪器模块，所述方法包括：在所述槽中的一个中的第一仪器模块与所述大型机之间的通信总线上建立广播通信信道；以及在所述仪器模块与所述大型机的槽中的另一个中的第二仪器模块之间建立点对点通信信道。

示例14是根据示例方法13的示例，其中建立点对点通信信道包括：对所述仪器中的通信背板作出请求。

示例15是根据上述示例方法中任一项的示例，其中建立点对点通信信道包括：对所述第二仪器模块作出请求。

示例16是根据上述示例方法中任一项的示例，其中建立点对点通信信道包括：通过在所述仪器中容纳的通信背板来耦合所述仪器模块和所述第二仪器模块。

示例17是根据示例16的示例，其中所述通信背板包括差分信号线路的一个或多个对。

示例18是根据示例17的示例，其中建立点对点通信信道包括：通过所述通信背板中的差分信号线路的对之一来耦合所述仪器模块和所述第二仪器模块。

示例19是根据上述示例方法中任一项的示例，进一步包括：使用低电压差分信令（LVDS）标准来在所述仪器模块与第二仪器模块之间通信。

示例20是根据上述示例方法中任一项的示例，其中所述点对点通信信道是第一信道，所述方法进一步包括：与所述第一点对点通信信道同时，操作所述仪器模块与所述大型机的槽中的另一个中的第三仪器模块之间的第二点对点通信信道。

示例21是根据上述示例方法中任一项的示例，其中所述点对点通信信道是第一信道，所述方法进一步包括：与所述第一点对点通信信道同时，操作第三仪器模块与第四仪器模块之间的第二点对点通信信道。

所公开的主题的先前描述的版本具有被描述或对本领域技术人员来说将明显的许多优势。即便如此，这些优势或特征也不是在所公开的装置、系统或方法的所有版本中都必需的。

另外，该所撰写的描述提到了特定特征。应当理解，本说明书中的公开内容包括那些特定特征的所有可能组合。在特定方面或示例的上下文中公开特定特征的情况下，还可以尽可能地在其他方面和示例的上下文中使用该特征。

而且，当在本申请中提到具有两个或更多个所定义的步骤或操作的方法时，可以按任何次序或者同时实施所定义的步骤或操作，除非上下文排除了那些可能性。

尽管已经出于图示的目的图示和描述了本发明的具体示例，但应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。相应地，本发明不应当受限制，除了受所附权利要求限制。