LXI總線在自動化測量中的應(yīng)用

張 亮，王興亮，梁 俊，武文斌

（空軍工程大學 電訊工程學院，陜西 西安 710077）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜，因而需要采用自動化的測量技術(shù)。自動化測量就是采用以計算機為代表的控制器來代替人按照預(yù)定程序控制對被測對象的激勵、采樣和測量，并進行信息處理、分析和判斷[1]。對于測控儀器的規(guī)范也隨之出現(xiàn)。

測量儀器的總線技術(shù)主要經(jīng)歷了GPIB（通用儀器總線）、VXI（VEMbus eXtensions for Instrumentation）總線和 PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線等多種形式。采用這些總線技術(shù)組建的測試系統(tǒng)被廣泛地使用。但是，不管采用哪種技術(shù)的自動測試系統(tǒng)都存在很多不足。如GPIB（主要由HP公司提出的總線規(guī)范）儀器體積和重量大，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，要GPIB卡和電纜來實現(xiàn)程控，需要昂貴的電纜，且有時需要電纜多（由于被測端口與綜合測試系統(tǒng)的距離較遠），總線最多支持14個終端，軟件標準化程度不高，儀器非模塊化，維修性能較差；VXI（主要由HP公司提出的總線規(guī)范）系統(tǒng)雖然有較小的體積和重量，通道數(shù)也很多，但是VXI系統(tǒng)必須采用VXI機箱、零槽控制器以及1394－PCI接口卡才可實現(xiàn)程控，并且不能直接和普通計算機直接兼容；構(gòu)建系統(tǒng)的成本比較高；PXI（主要由NI公司提出的總線規(guī)范）儀器雖然比VXI儀器的體積小，重量輕，成本也低，提供卡式儀器較好的機械完整性和主流軟件，但PXI總線儀器的功能覆蓋面有限，儀器品種也遠比VXI儀器少，通道數(shù)和電磁兼容性都比VXI差。

1 LXI總線結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)要求在每個監(jiān)測點建立一套獨立的測試系統(tǒng)，分別由終端計算機和VXI儀器、PXI儀器或GPIB儀器組成，然后每個終端機和服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接，從而組成分布式測試系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點都由終端計算機控制，中心服務(wù)器不具備遠程控制的能力；每個節(jié)點，不管監(jiān)測參數(shù)多少，哪怕只監(jiān)測一個參數(shù)，也得一臺計算機和一臺儀器組成測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造成系統(tǒng)資源浪費。圖1是基于傳統(tǒng)總線的測量系統(tǒng)。

傳統(tǒng)總線技術(shù)都無法很好地解決實現(xiàn)遠程的編程、控制、測試測量、故障診斷等現(xiàn)實需求。

圖1 基于傳統(tǒng)總線的測量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system based on traditional bus

1.2 LXI硬件平臺

LXI是基于以太網(wǎng)技術(shù)等工業(yè)標準，由中小型總線模塊共同組成的新型儀器平臺。它由安捷倫公司和VXI科技公司成立于2004年9月共同合作成立的聯(lián)盟提出[2]。全稱為LAN－based Extensions for Instrumentation（局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴展）。

獨立LXI儀器分為全機架或半機架寬度，高度上有1U、2U、3U和4U幾種 （足以裝入前面板顯示和鍵區(qū)）。因而能容易地將各種功能的模塊混裝在機柜中。也可放在夾具中，掛在墻上，或附在某些設(shè)備的小型裝置上。所有信號連接輸入和輸出都在前面板上，電源、I/O、觸發(fā)總線及網(wǎng)線接口（RJ－45）連接在后面。與VXI和PXI受限于特定模塊尺寸不同，LXI的尺寸能完全符合應(yīng)用的需要。圖2為一種基于LXI的儀器樣式。

圖2 一種LXI的硬件平臺Fig.2 A kind of LXI’hardware platform

除了LXI儀器以外，帶網(wǎng)口的計算機、集線器、路由器都是系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。所有這些才是構(gòu)建LXI測試系統(tǒng)的硬件平臺。

LXI規(guī)范規(guī)定了3種基本儀器類型：A、B、C。這3種類型能在測試系統(tǒng)中混用。

C類儀器，允許把LAN接到儀器和模塊上，可以與其他廠家的LXI產(chǎn)品很好地協(xié)同工作，為簡化編程，C類儀器提供 IVI驅(qū)動程序API（應(yīng)用程序接口）。達到這一基準的產(chǎn)品都要粘貼LXI標識。

B類儀器：這類儀器可用于分布式測量系統(tǒng)。它們符合C類儀器的要求，并包括IEEE 1588同步。

A類儀器：這類裝置除滿足 C類和B類儀器要求外，還另外增加了兩項屬性：硬件觸發(fā)總線和合成儀器工作模型。圖3是3種儀器關(guān)系示意圖。

圖3 3種儀器關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship among three instruments

LXI設(shè)備并不是簡單的帶有LAN接口的測試儀器，它們必須具有以下特點：

1）支持以太網(wǎng)標準協(xié)議。包括（TCP/IP，DHCP，URL/IP addresses， Dynamic DNS， Auto－MDIX）。 這是通過 LAN，實現(xiàn)遠端控制與檢測對設(shè)備的基本要求。

2）支持軟件標準接口。 包括（IVI driver， VXI－11）。 這是為滿足LXI設(shè)備的C/S通信模式的要求。

3）支持設(shè)備網(wǎng)頁瀏覽（web－server），通過 IE瀏覽器能夠訪問設(shè)備同時得到設(shè)備的基本信息。這是為滿足LXI設(shè)備的B/S通信模式的要求。

4）物理上對系統(tǒng)功率，散熱，前面板指示燈，以及復(fù)位按鈕有詳細的定義。

5）對不同種類的設(shè)備對觸發(fā)標準有不同的定義。如C類的網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā) （幾 ms）；B類的 IEEE－1588時鐘同步觸發(fā)（＜100 ns）；A 類的觸發(fā)總線（5 ns/m）。

6）通過嵌入式 0 槽等裝置與傳統(tǒng)的總線（GPIB、VXI、PXI）設(shè)備實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)設(shè)備兼容與平穩(wěn)過渡[1]。

1.3 LXI軟件架構(gòu)

LXI總線引入了 B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）模型。該模型使用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽器（如IE）發(fā)布數(shù)據(jù)。通常，客戶端只需要安裝一個瀏覽器，輸入LXI模塊的IP地址，就可以直接訪問相應(yīng)模塊的主頁面，并實施遠程監(jiān)控。此模式相當于搭建在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上的Web服務(wù)程序。

LXI模塊不僅可以通過瀏覽器進行訪問，還可通過專用客戶端軟件訪問。即支持C/S（Client/Server，客戶端/服務(wù)器）模型。在C/S模式中，LXI測試模塊使用IVI－COM驅(qū)動程序?qū)x器進行控制。IVI驅(qū)動程序是基于VISA的，主控程序通過調(diào)用VISA－I/O庫函數(shù)，控制LXI模塊完成測量[3]。圖4為兩種軟件實現(xiàn)模式[1]。

2 LXI總線特點

2.1 提高了系統(tǒng)的吞吐率

GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率小于1 MB/s；PXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率在132～528 MB/s；VXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達10 MB/s，LXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率從10 MB/s發(fā)展到10 Gb/s（主干為光纜）（目前 40 Gb/s、100 Gb/s、160 Gb/s 的工作已經(jīng)開始）[4]，而且向后兼容，所以采用LXI總線技術(shù)將提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 兩種LXI軟件模式Fig.4 Two LXI’s software mode

除了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快之外，LXI儀器還提供了兩種提升系統(tǒng)吞吐率的方法。第一種方法是軟件在 LXI模塊內(nèi)運行，這就有可能在LXI模塊中執(zhí)行基本分析功能，只把結(jié)果（而非數(shù)據(jù)塊）送至主PC。這種類似于分布式結(jié)構(gòu)大大降低了網(wǎng)絡(luò)實際需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，進而提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。第二種方法是用LXI模塊間的對等通信，消除因PC處理所有消息而可能產(chǎn)生的瓶頸。

2.2 提高了系統(tǒng)的靈活性并降低了成本

由于LXI儀器的核心硬件技術(shù)與臺式儀器的核心硬件技術(shù)相同，所以在研發(fā)階段在臺式儀器上使用的測試方法和測試軟件同樣可以方便地移植到LXI系統(tǒng)中，從而降低了重新編寫測試軟件和驗證系統(tǒng)性能的費用。在組建測試系統(tǒng)方面，LXI模塊自帶了處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)器輸入；并且不需要機箱和零槽控制器，不需要專用接口卡和昂貴的電纜。這一改變?yōu)闇y試系統(tǒng)設(shè)計工程師提供了最佳的靈活性并且大大降低了成本，他們能按照需求添加新的LXI模塊而不用擔心機箱的電源功率是否足夠、散熱是否充分、或是否需要購買一套更大的機箱、或是否需要更換一個全新測試系統(tǒng)體系。從傳輸距離來看，傳統(tǒng)的點對點（如交換機與交換機之間）的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離是100 m（10BASE-T不加中繼的距離）[4]，如果用光纖通訊可以達到幾千公里，所以，LXI系統(tǒng)可以不受節(jié)點和距離的限制。

2.3 降低了測試系統(tǒng)的建立時間

LXI儀器采用標準的以太網(wǎng)接口與計算機相連接，并且可以自動識別網(wǎng)線的極性（Auto-MDIX）；每個LXI儀器的IP地址可以手動設(shè)置，也可以在系統(tǒng)中自動分配，所以這就使得用LXI測試設(shè)備組建測試系統(tǒng)的時間大大減小，而且難度也降低了。

2.4 靈活高效的系統(tǒng)觸發(fā)技術(shù)

高速信號的采集和分析系統(tǒng)中對要測試設(shè)備必須保持精確的同步，因此為了克服LAN總線帶來的同步問題，LXI協(xié)議中對同步進行了更詳細的定義，ClassC類型的設(shè)備采用指令的方式進行觸發(fā)，觸發(fā)的精度為1 ms。對于更高觸發(fā)精度要求測試系統(tǒng)中必須使用ClassA和ClassB類型的設(shè)備。在ClassA和ClassB類型的設(shè)備中引入了IEEE1588協(xié)議（全稱為網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準），保證觸發(fā)精度達到微秒或者亞微秒級。測試系統(tǒng)采用IEEE1588時鐘同步時，觸發(fā)信號是告訴每個器件何時輸出它的信號，每個器件是根據(jù)告訴的時間而不是根據(jù)何時收到的以太網(wǎng)命令啟動，所有沒有以太網(wǎng)開銷和網(wǎng)絡(luò)時延影響，特別適用于那些需要實現(xiàn)最高精度分布時鐘的時間同步的有限網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域[5]。而對于納秒級別的觸發(fā)精度要求，則必須利用ClassA類型設(shè)備中專用的觸發(fā)總線來保證觸發(fā)的精度。

2.5 主要的總線技術(shù)比較

采用LXI總線技術(shù)，實現(xiàn)了儀器模塊化，擺脫了主控制器（0槽）和背板限制。這樣在實際測量中，可以自由地移動測量模塊，減少了測量電纜開銷。同時，用戶可以根據(jù)需求，有針對性的選擇模塊，且驅(qū)動軟件標準化使得通用性大大提高。LXI為構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)提供了更加有效的手段，成為測試儀器發(fā)展新方向。表1是幾種主要總線的比較[1]。

表1 幾種總線技術(shù)的比較Tab.1 Comparison between several bus technologies

3 LXI總線技術(shù)在分布式測試與故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用了以LXI總線的體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在這個系統(tǒng)中，由遠程診斷中心、LAN、LXI終端用戶組成。其中用戶由LXI合成儀器，及相關(guān)的配套設(shè)備（交換機、測量對象）組成。LXI合成儀器由符合LXI標準的模塊化儀器組成，儀器的選擇依賴用戶的實際需求。本系統(tǒng)中假定由下變頻模塊和數(shù)字化儀模塊組成。下變頻模塊測量相關(guān)設(shè)備，并將接收的信號變頻之中頻，傳輸給數(shù)字化儀模塊，進行中頻處理，最終通過網(wǎng)線連接至交換機。在接入網(wǎng)部分可采用有線和無線兩種手段。尤其是無線方式，有利用測量模塊的移動，進而節(jié)省了電纜連接帶來的額外開銷。各個LXI儀器直接通過交換機連接到網(wǎng)絡(luò)上，由于每個LXI設(shè)備有自己的處理器，所以監(jiān)測節(jié)點處不需要終端計算機。本系統(tǒng)采用B/S模式遠程診斷中心來控制各個模塊，即通過遠程診斷終端通過IE瀏覽器通過輸入相應(yīng)LXI模塊的IP地址，可以實時監(jiān)控相應(yīng)模塊的相關(guān)參數(shù)，并可以直接進行遠端控制。

對于某些地面測試項目，有相對成熟的VXI或GPIB總線系統(tǒng)，為了節(jié)約成本，將這些系統(tǒng)也接入到LXI總線系統(tǒng)中。由于很多儀器供航天測控供應(yīng)商提供了GPIB與LAN的轉(zhuǎn)換器，以及支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧悴劭刂破?，這就使已有的GPIB、VXI和PXI測試系統(tǒng)可以很容易地接入到整個LXI網(wǎng)絡(luò)中來。從圖5可以看出，采用LXI總線技術(shù)即簡化了系統(tǒng)配置，節(jié)約了系統(tǒng)資源，又增加了系統(tǒng)的靈活性。

圖5 LXI在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.5 Application of LXI in distributed system

從以上系統(tǒng)中可以總結(jié)基于LXI技術(shù)的儀器使用有以下特點：

1）設(shè)備模塊化，方便用戶根據(jù)需求選購相關(guān)產(chǎn)品，從而降低了使用成本。

2）設(shè)備智能化，LXI設(shè)備內(nèi)嵌處理器，有較強的分析，處理數(shù)據(jù)功能，將處理結(jié)果傳送至遠端診斷中心，這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

3）設(shè)備資源共享化，采用B/S模式可以直接通過鍵入儀器網(wǎng)址方式查看模塊參數(shù)，采用IEEE-1588始終同步方式，將觸發(fā)同步控制在ns級。

4）測試網(wǎng)絡(luò)兼容性好，基于LXI技術(shù)的測量系統(tǒng)，最大限度地實現(xiàn)資源共用，充分兼容傳統(tǒng)總線設(shè)備。

4 結(jié)束語

自動測試系統(tǒng)的發(fā)展正沿著GPIB、VXI、PXI和 LXI的方向不斷進步。LXI模塊化平臺標準將PXI和VXI的體積小、LAN的高吞吐率以及GPIB的高性能集成在一起，同時又采用IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議及觸發(fā)總線等技術(shù)很好地解決了同步觸發(fā)的問題，繼承了VXI、PXI儀器背板觸發(fā)的優(yōu)點，從而可以很好地滿足測試系統(tǒng)構(gòu)建的要求，尤其在遠程分布式測試與故障診斷應(yīng)用中將發(fā)揮非常顯著的作用。未來的測試系統(tǒng)發(fā)展，以太網(wǎng)將扮演重要的角色。臺式儀器、VXI、PXI、LXI將共存于系統(tǒng)。

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