VXI-11（ぶいえっくすあいいれぶん）はオシロスコープ等の計測器の制御に使われるイーサネット通信プロトコルです。VXI-11プロトコルは、古くから電子計測器の通信インタフェースとして使われる GP-IB（じーぴーあいびー）からイーサネット環境に容易に移行することを目的としています。

VXI-11 を説明するには、GP-IB とインターネット通信プロトコルの RPC（あーるぴーしー）の知識を必要とします。そこでまず GP-IB を紹介し、次に VXI-11 と RPC の概要を説明します。最後にサンプルプログラムと関連規格を紹介します。
対象読者としてイーサネットの基本（IPアドレスとTCP ポート番号）とプログラムの基本（関数、変数、引数、戻り値）がわかる 18 歳の新人技術者を想定しています。

GP-IB について

GP-IB は1960年代に HP 社が計測機器や制御機器などの間でデータ通信を行うために設計した通信規格です。

コネクタや電気信号のタイミングを定義した IEEE488.1-1978 (あい・とりぷるいー・よんはちはち・ぽいんとわん、通称ぽいんとわん)と、コマンド形式や共通コマンドを定義した IEEE488.2-1987 (あい・とりぷるいー・よんはちはち・ぽいんとつー、通称ぽいんとつー)の２つの規格があります。日本語版は JIS C 1901:1987 計測器用インタフェースシステムです。

計測機器の接続例

「JIS C 1901:1987 計測器用インタフェースシステム付属書A 計測システムの一例」より引用

GP-IB は24ピンの頑丈なコネクタでねじ止めし制御信号はグランド線とツイストぺアで配線されているため、外部の電子ノイズに強く、三線式ハンドシェークによりトラブル発生時の原因の特定が容易なため、高い信頼性が必要な工場の生産ラインの通信方式として利用されます。

コネクタの形状

「JIS C 1901:1987 計測器用インタフェースシステム 28. 装置用コネクタの取り付け方法」より引用

コネクタピンの割付

ピン番号	信号線名	ピン番号	信号線名
1	DIO 1	13	DIO 5
2	DIO 2	14	DIO 6
3	DIO 3	15	DIO 7
4	DIO 4	16	DIO 8
5	EOI(24)	17	REN(24)
6	DAV	18	Gnd,(6)
7	NRFD	19	Gnd,(7)
8	NDAC	20	Gnd,(8)
9	IFC	21	Gnd,(9)
10	SRQ	22	Gnd,(10)
11	ATN	23	Gnd,(11)
12	SHIELD	24	Gnd,LOGIC

備考：Gnd,(n)は、括弧内の数字で示した信号のリターン用グランドであることを示しています。また、EOI とREN のリターン用グランドは 24 番ピンです。

三線式ハンドシェークのタイミングチャート

「JIS C 1901:1987 計測器用インタフェースシステム付属書B ハンドシェークのタイミング」より引用

GP-IB の用語の内、VXI-11 に関係する用語を説明します。

リモートローカルファンクション

計測機器を通信制御中に機器のパネルキーを操作すると設定内容に齟齬が生じます。そのような事態を避けるためにパネルキーの操作を無効にする仕組みがリモートローカルファンクションです。

トリガファンクション

コントローラから複数台の計測機器に一斉に測定開始や出力開始を指示する仕組みです。

サービスリクエストファンクション

計測機器からコントローラに起動の完了やエラーの発生を非同期で通知する仕組みです。

ステータスバイト

サービスリクエストの発生理由を示す 8 ビットの数値です。計測機器の応答データの準備完了やエラーの発生を示します。

「EIAJ TT-5004：計測器用インターフェースシステムのためのコード、フォーマット、プロトコル及び共通コマンド図4-1 要求されるステータス・レポーティング能力」より引用

デバイスクリアファンクション

計測機器の通信の入力バッファと出力キューをクリアし通信機能を初期状態に戻す機能です。

「EIAJ TT-5004：計測器用インターフェースシステムのためのコード、フォーマット、プロトコル及び共通コマンド」より引用

VXI-11 について

1995年に測定器業界団体がイーサネット通信で GP-IB の機能を実現するために作った通信プロトコルです。仕様書は VXI-11 REVISION 1.0 で公開されています。トランスポート層に TCP、セッション層に RPC、プレゼンテーション層に XDR を利用し、VXI-11 はアプリケーション層に相当します。

No.	OSI階層	プロトコル	規格番号
7	アプリケーション層	Network Instrument	VXI-11
6	プレゼンテーション層	XDR	RFC 1014
5	セッション層	ONC RPC	RFC 1057
4	トランスポート層	TCP	RFC 793
3	ネットワーク層	IP	RFC 791
2	データリンク層	Ethernet	IEEE 802.3
1	物理層	10BASE-T	IEEE 802.3

ここから少し寄り道をして RPC, XDR の概要を紹介します。

RPC について

RPC は遠隔にあるシステムの関数を実行するための仕組みです。VXI-11 が採用する ONC RPC は 1988 年にインターネット標準 RFC 1057: RPC: Remote Procedure Call Protocol specification Version 2 として公開されました。

RPC のコンセプト

一般的なプログラムでの関数呼び出しは以下の順序で行われます。

親プログラムが関数名と引数を指定して、特定の関数を呼び出す
その関数の処理が実行される
結果の戻り値が、親プログラムに渡される

RPC は分散環境におけるクライアントとサーバ間の通信を、一般的な関数呼び出しのように見せることを目的にしています。関数呼び出しをクライアントとサーバ間の通信に変換する動作は以下の通りです。

クライアント側の親プログラムは、その処理を実行する巻子が自分のプログラム内に存在するかのように、特定の関数を呼び出します。
呼び出した関数名、引数などは「スタブ (Stub)」と呼ばれるプログラムによって、RPC のプロトコルで定められた RPC メッセージ(callメッセージ)に組み立てられます
TCP や UDP といったトランスポートプロトコルによって、このメッセージがサーバ側に転送されます。
サーバ側のスタブ・プログラムは呼び出された関数、引数を取り出して、該当するプログラムを実際に呼び出します。
サーバ側でプログラムで要求された関数が実行されます。
関数の実行結果が、サーバ側のスタブ・プログラムに戻され、結果を返すための RPC メッセージ(repy メッセージ)に組み立てられます
そのRPCメッセージがクライアント側に転送されます。
クライアント側のスタブ・プログラムが戻り値（結果）を取り出して、処理を依頼した親プログラムに戻します。

RPC のデータ構成

ONC RPC のヘッダフォーマット

関数呼び出し時のヘッダフォーマット

応答を返す時のヘッダフォーマット

msg_type の番号と意味

番号	定数名	意味
0	CALL	関数の呼び出し
1	REPLY	関数の応答

reply_stat の番号と意味

番号	定数名	意味
0	MSG_ACCEPTED	正常に実行された
1	MSG_DENIED	エラーが発生した

accept_stat の番号と意味

番号	定数名	意味
0	SUCCESS	RPCが正常に実行された
1	PROG_UNAVAIL	リモートがプログラムをエクスポートしていない
2	PROG_MISMATCH	リモートがバージョン#をサポートできない
3	PROC_UNAVAIL	プログラムがプロシージャをサポートできません
4	GARBAGE_ARGS	プロシージャはパラメータをデコードできません

ONC RPC の認証機構

VXI-11 では認証を使いません。AUTH_NONE / AUTH_NULL を設定します。

cred.flavor の番号と意味

番号	定数名	意味
0	AUTH_NONE	認証の仕組みを使わない
1	AUTH_SYS	UNIX のシステム認証の仕組みを使う
2	AUTH_SHORT	独自のシステム認証の仕組みを使う

verf.flavor の番号と意味

番号	定数名	意味
0	AUTH_NULL	認証の仕組みを使わない
1	AUTH_UNIX	UNIX のユーザ認証の仕組みを使う
2	AUTH_SHORT	独自のユーザ認証の仕組みを使う
3	AUTH_DES	DES のユーザ認証の仕組みを使う

プログラム番号、プログラムバージョン、プロシージャ番号の例

対象プログラムのポート番号を問い合わせるポートマップというプログラムを例に紹介します

関数名	プログラム番号	バージョン番号	プロシージャ番号	説明
PMAPPROC_SET	10000	2	1	ポートマッパープログラムにプログラムを登録する。
PMAPPROC_UNSET	10000	2	2	ポートマッパープログラムに登録されているプログラムを解除する。
PMAPPROC_GETPORT	10000	2	3	ポートマッパープログラムに登録されているプログラムのポート番号を返す。
PMAPPROC_DUMP	10000	2	4	ートマッパーのデータベースの全エントリを列挙する。

XDR について

XDR はネットワークを流れるデータの構造を明確にするたに、1987 年にインターネット標準 RFC 1014 XDR: External Data Representation Standard として公開されました。

XDR のデータ形式

VXI-11 の特徴

ここから VXI-11 の内容を説明します。

コアチャネル、インタラプトチャネル、アボートチャネル

役割	プログラム番号	バージョン番号	プロトコル	ポート番号
ポートマップ	10000	2	TCP	111
ポートマップ	10000	2	UDP	111
コアチャネル	395183	1	TCP	動的に決定
アボートチャネル	395184	1	TCP	動的に決定
インタラプトチャネル	395185	1	TCP	動的に決定

リンク番号とロック

複数のコントローラが別々のリンクを介して単一のデバイスにアクセスすることができます。このような状況では、VXI-11 サーバーはリンクへのアクセスをロックすることができます。これにより、そのリンクに関連付けられたデバイスへの排他的なアクセスが、そのリンクだけに保証されます。コントローラがデバイスへの排他的なアクセスを必要とする場合、ロックを取得する必要があります。ロックがない場合、複数のコントローラがデータを送信し、一般的にデバイスの状態を操作することができます。そのような状況下では、デバイスの振る舞いは予測できなくなります。ロックが取得されていないデバイスに対する最初のdevice_lock呼び出しは、ロックを取得します。同じデバイスに対する後続のdevice_lock呼び出しはエラーを返します。device_unlockは、このリンクがロックを持っている場合にデバイスのロックを解除します。そうでない場合、device_unlockはエラーを返します。

VXI-11 のシーケンス

VXI-11 の関数とプロシージャ番号

関数名	説明	チャネル	プログラム番号	バージョン番号	プロシージャ番号	引数	戻り値
create_link	デバイスへのリンクを開く	コア	395183	1	10	Create_LinkParms	Create_LinkResp
device_write	デバイスがメッセージを受信する	コア	395183	1	11	Device_WriteParms	Device_WriteResp
device_read	デバイスが応答を送信する	コア	395183	1	12	Device_ReadParms	Device_ReadResp
destroy_link	デバイスへのリンクのクローズ	コア	395183	1	23	Device_Link	Device_Error
device_readstb	デバイスがステータスバイトを送信する	コア	395183	1	13	Device_GenericParms	Device_ReadStbResp
device_trigger	デバイストリガを実行する	コア	395183	1	14	Device_GenericParms	Device_Error
device_clear	デバイスクリアを実行する	コア	395183	1	15	Device_GenericParms	Device_Error
device_remote	デバイスをリモート状態にする	コア	395183	1	16	Device_GenericParms	Device_Error
device_local	デバイスをローカル状態にする	コア	395183	1	17	Device_GenericParms	Device_Error
device_lock	デバイスをロックする	コア	395183	1	18	Device_LockParms	Device_Error
device_unlock	デバイスのロックを解除する	コア	395183	1	19	Device_Link	Device_Error
device_enable_srq	デバイスからのサービスリクエストの送信を有効／無効にする	コア	395183	1	20	Device_EnableSrqParms	Device_Error
device_docmd	デバイスがコマンドを実行する	コア	395183	1	22	Device_DocmdParms	Device_DocmdResp
create_intr_chan	デバイスがインタラプトチャンネルを作成	コア	395183	1	25	Device_RemoteFunc	Device_Error
destroy_intr_chan	デバイスがインタラプトチャネルを破棄した	コア	395183	1	26	なし	Device_Error
device_abort	デバイスが進行中の呼び出しを中止する	アボート	395184	1	1	Device_Link	Device_Error
device_intr_srq	デバイスがサービスリクエストの送信に使用	インタラプト	395185	1	30	Device_SrqParms	なし

VXI-11 のデータフォーマット

VXI-11 のデータ構成

VXI-11の主な関数の引数や戻り値のデータ構成

VXI-11 のエラー番号

エラー番号	意味
0	エラーなし
1	文法エラー
3	デバイスにアクセスできない
4	不正な識別子リンク
5	引数エラー
6	チャネルが確立されていない
8	動作未対応
9	リソースがない
11	他のリンクによってロックされたデバイス
12	このリンクでロックされていない
15	入出力タイムアウト
17	入出力エラー
21	無効なアドレス
23	処理を中断した
29	チャネルが既に確立されている

VXI-11.Netについて

VXI-11.NET はクラスルームでの学習を目的とするVXI-11通信ソフトウェアです。サーバアプリケーションとクライアントアプリケーションがあります。２つのアプリケーション間の通信内容をパケットキャプチャソフトの Wireshark でモニタする事で通信のシーケンスを見ることができます。

https://github.com/mitakalab1/VXI-11.Net

VXI-11 の関連規格について

VXI-11 に関連する主な規格を紹介します。

ソケット通信

GP-IB のリモート機能やトリガ機能は不要で RS-232 のようにコマンドの送受信だけできればよい、という簡易用途でよく使われます。

HiSLIPプロトコル

2020年に計測器業界団体が策定した、VXI-11 の後継のイーサネット通信プロトコルです。10Gイーサネット以上の高速通信を想定しインタラプト動作を省略したオーバーラップ動作があります。仕様書は IVI-6.1: High-Speed LAN Instrument Protocol（HiSLIP) です。

VXI-1 から VXI-10

1995年に計測器業界団体が策定したパソコンベースのモジュール型計測器の仕様です。モジュール間通信規格として VME バスに信号線を追加した VXI バスを採用し、筐体の大きさや電気信号、ソフトウェア(DOS)を規定しています。今はVMEバス搭載パソコンが流通しておらず、後継の PXI Specifications に置き換わっています。

VISA ライブラリ

1995年に計測器業界団体が策定した、GP-IB, RS-232, USB, イーサネットといった異なる通信規格に対して同一関数で操作するための通信ライブラリです。VXI バスを想定したメモリ読み書き関数群と、GP-IB や VXI-11 を対象とするメッセージ送受信関数群があります。C言語、LabView, C++(COM), C# を対象としています。最新の仕様書は VPP-4.3: The VISA Library で公開されています。

SCPI コマンド

1999年に計測器業界団体が策定した、オシロスコープ、デジタルマルチメータ、任意信号発生器などの製品カテゴリ毎の共通コマンドの書式や引数の仕様です。仕様書は Standard Commands for Programmable Instruments-1999 です。

IVI ドライバ

1998年に計測器業界団体が策定した、SCPI 準拠機器を制御するC言語, C++(COM), C# の関数ライブラリ仕様です。各社の測定器の振る舞いを抽象化し仮想測定器クラスによるPC上でのシミュレーション動作に対応しています。最新の仕様が IVI Specifications で公開されています。

LXI 規格

2005 年に計測器業界団体が策定した、LAN 接続可能な計測機器が搭載すべき機能の仕様です。接続状態を表示するインジケータ、LAN 設定のリセットボタン、VXI-11 プロトコル, IVI ドライバ, Web サーバが必須とされています。オプションとして、トリガコネクタ、IEEEE1588 時刻同期などが規定されています。最新の仕様書は LXI Device Specification 2022 です。

参考文献

もっと詳しく知りたい人のために日本語の解説記事を挙げます。

JIS C 1901:1987 計測器用インタフェースシステム日本規格協会税込4840円
GPIB通信の基礎知識と用語集コンテック社