LXI模块化测试平台技术的优势及其工作原理

摘要：LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)是继机架堆叠式GPIB仪器、VXIPPXI虚拟仪器之后的新一代基于以太网络LAN的自动测试系统模块化构架平台标准。本文简述了虚拟仪器技术和自动化测试系统的发展历程，通过论述传统自动化测试系统的存在问题与发展要求，以太网络技术与仪器测量要求的差异,以及目前以太网络及IEEE1558的技术突破，阐述了LXI技术的起因、主要特点,给出了基于LXI模块搭建的合成仪器测试系统的工作原理，最后阐述了LXI模块化测试平台在虚拟仪器和自动测试领域的应用展望。

关键词：LXI；IEEE1558；合成仪器；自动测试系统

引　言

电子测量仪器是随着市场对产品质量要求的不断提高和产量需求的不断扩大而发展的,它不断吸取电子和计算机技术的最新成果,成为一个蓬勃发展的独立产业,2001年世界电子测量仪器市场的销量已超过200亿美元,2005年我国电子测量仪器市场的总销售额将达600亿元左右。

通过制定电子测量仪器和计算机的标准接口(仪器背板总线、通讯协议和软件体系结构)可以实现自动化测试系统(ATEPATS)。1972年HP-IB(IEEE-488)接口标准的推出标志着自动化测试的开始,上世纪80年代VXI和虚拟仪器技术的诞生使得自动化测试成为一个独立的行业。虚拟仪器通过软件把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时计数器、信号调理等)有机地结合在一起,完成测量、控制、数据处理分析和图形化显示等功能。虚拟仪器技术具有先进的理念:以计算机为高速载体,软件就是仪器,流程图就是程序,与硬件的无缝结合,扩展性强等,近年来在国内迅速得到了认同和应用。可以说,计算机技术是仪器技术,特别是虚拟仪器技术的灵魂。上世纪90年代以来,虚拟仪器和PXI技术促进了ATS系统在产品研发、工业生产和武器保障方面的市场日益扩大,其全球销售额远远超过传统的测量仪器。

虚拟仪器使得电子测量仪器的体积、成本和灵活性都取得了显著的进步,但用户的需求是永无止境的,VXI、PXI需要昂贵的机箱、零槽控制器和电缆,特别是在多仪器的通讯和互操作性方面存在着较大的缺陷。GPIB仪器接口总线通讯速率已远远不能满足现在的测试要求,但由于种种原因USB、Firewire,CAN,PCI和PXI等标准都未能取代它。PXI和VXI作为模块化的卡式仪器结合虚拟仪器技术有力推动了新型ATS系统的军用、商用领域的发展。自1980年到1992年,美国国防部花费了500亿美元采购自动测试系统,而这些ATS系统寿命周期的总花费高达2500亿美元。2000年以来美国军用ATS发展趋势是采用开放体系结构下的商业化通用模块来搭建军用ATS,这就是所谓的COTS路线,但由于商用产品的快速更新和停产给军用ATS的升级维护带来严重问题。因此,美国国防部要求下一代ATS系统要大幅度降低寿命周期成本,减小体积和重量,适应所有被测对象和贯穿研发、生产和维护过程整个测试环节。

网络技术的发展和在仪器方面的制约因素

测控领域的工程师一直致力于发挥计算机的作用,计算机的外部通讯接口主要有RS232/P485、USB、1394、LAN等,其中互联网络是计算机技术中最活跃的部分,成千上万的公司参与开发相关产品,使它成为今天使用最为广泛的通讯接口,性能不断提高而成本不断下降。LAN接口的优势是不可比拟的:

●　在过去的15年里网络速度从10Mb/s到10Gb/s并保持向后兼容,而计算机、仪器总线(GPIB和VXI)和工业现场总线却做不到;
●　有明确、开放、可以共存的标准协议,如TCP/IP协议,提供了数据纠错、故障诊断功能;
●　节点对等、多点共享、冲突检测和异步传输,UPnP,SNMP,DHCP等协议支持自动发现、定位、和使能设备,没有485那样的查询延迟;
●　提供网页本地和远程访问,多点协同工作;
●　不受距离和节点数的限制,点对点通讯可达100米,采用集线器、交换机和路由器可以覆盖200米,采用光线传输可以达到几千公里;
●　网络硬件极其便宜,程序开发人员广泛。

图1　计算机、仪器总线与以太网络技术的发展历程及其结合趋势

图1描述了仪器总线、计算机总线及以太网络接口的发展历程,可以看出仪器总线比计算机总线的推陈出新慢得多,而LAN接口具有极好的长寿命周期和清晰的未来,后面要讲的LXI则是仪器总线和计算机接口的结合。虽然以太网络在测试测量领域有所采用,但此前并没有成为测试仪器的标准总线,主要原因有以下方面:

(1)以太网络推出的初衷是在多台计算机之间共享和传输资源,IEEE802.3基于可靠传输,但对外部事件的响应延迟是不确定的,依赖于当前网络的闲忙程度,而在测试测量应用中实时通讯是必要的条件。为了实现一定程度的实时性,工程上可采取诸如低冲突概率、网桥分段、Ethernet PowerLink等方法。

(2)嵌入式以太网络控制器技术的发展,在未来几年内,越来越多的网络设备将是嵌入式的而非基于PC的,到2010年95%的网络接口设备将不是计算机而是嵌入网络设备,在仪器设备上采用网络接口也是如此。嵌入式以太网络控制器不像计算机系统那样有强大的操作系统底层驱动的支持,而要达到普适性,在功能和性能方面要进行折中,有许多技术细节需要突破。

(3)作为一个测试测量仪器的标准总线有许多更严格的要求,如VXI、PXI系统中的冷却、多设备的同步触发、局部总线、机械电气接口、电磁兼容性、软件体系结构等。
LAN要满足测试和测量仪器要求还需要做很多工作。但随着业界对LAN技术在仪器方面应用的不断看好,许多公司都做了大量的前期工作。

LXI测试平台的突破及其发展前景

2004年9月14日,安捷仑技术公司和VXI技术公司联合推出了LXI(LAN eXtensions for Instrumentation),LXI模块化测试标准规范融合了GPIB仪器的高性能、VXI/PXI卡式仪器的小体积以及LAN的高速吞吐率,并考虑了定时、触发、冷却、电磁兼容等仪器要求,是基于以太网络的新一代自动测试系统模块化构架平台标准。

LXI联盟(LXI Consortium)是一个由业界领先的测量仪器厂商组建的非盈利组织,其目标是开发、支持和促进LXI标准。LXI联盟于2004年11月17～18日、2005年1月27日、3月22～23日、5月24～25日先后召开了四次联盟会议,集中研究、讨论LXI总线标准的有关问题,即将于2005年8月23～25日召开第五次联盟会议并发布LXI总线标准110版。

不同于PXI模块需要昂贵的机箱、零槽控制器/MXI卡和电缆在计算机与仪器之间通讯,LXI模块自带处理器、网络连接、电源和触发输入,模块一般是19英寸机柜全宽1U高,或者半宽1U或2U高,信号从模块前面板进出,LAN接口、电源、触发在仪器的后面板,安装在标准19″机柜上或堆叠在台面上,在普通计算机上实现按键、旋钮和显示界面。LXI模块在高速LAN上交换数据,采用IVI-COM驱动,用标准的WEB浏览器显示信息和检查故障,通过peer-to-peer操作,在更快速的测试中使用合成仪器并同时操作,在世界上任何地点随时启用。

LXI的推出是得益于以下关键技术:

(1)定时与同步技术
一般的网络定时协议NTP(Network Time Protocol)由于采用消息机制只能达到毫秒级的精度，LXI采用了IEEE1588/Precision Time Protocol(PTP)，它用于在采用网络通讯的分布式系统中同步各节点的实时时钟。PTP将测试过程和其它动作存成脚本的形式，这些脚本的执行不会带来消息延迟，并能保持多设备之间的同步。在千兆以太网上,IEEE1588在分布于世界各地的LXI设备之间可以达到毫秒以下的精度，而在模块之间可以达到纳秒级的精度，PTP非常适用于多通道、分布式的测试场合，如发动机、雷达、电站等。图2是IEEE1558与其它触发方式的比较。此外，LXI标准还采用硬件触发总线。

图2　IEEE1558与其它触发方式的比较

(2)千兆以太网络技术的发展
提高网络实时性最有效的方法是提高网络带宽,网络速度在过去的15年里提高了三个数量级,它过去和以后依然遵从着摩尔速度的发展规律。千兆以太网络技术以及网关、交换机、路由器、嵌入式以太网络技术的发展使高速以太网络可以满足仪器测量的需要。

LXI标准将参考VXI总线的格式,主要包括引言、机械、电子、触发P同步、软件和驱动、LAN要求、安装P配置、Web接口、识别、网络安全、格式化文档、商标和许可等12章节。其中,在机械P电子部分中包括尺寸、冷却、安全、电磁兼容等内容;在LAN部分包括识别、安装与配置、LAN要求、触发P同步、安全等内容。近期,将会有下面的LXI仪器进入市场。图3是自动化测试系统的发展过程和LXI测试系统的模型。

●　数字化仪(带示波器和分析软件)
●　数字多用表(带计数器,功率计,电源)
●　信号源(任意波形、模式、函数发生器)
●　上变频P下变频模块
●　开关(低频、高频)

LXI的一个显著特点是将仪表转变成受控于普通计算机的以太网络节点,使得诸如合成仪器、系统就绪仪器成为可能,由于采用了与台式仪器完全相同的电路和程序,可以实现诸如微波射频等高端仪器的功能。

图3　从分立仪器到LXI测试系统

合成仪器(synthetic instruments)是通过标准化的接口将一系列基本的硬件和软件部件进行连接的可重复配置系统,利用数字处理技术来产生信号和进行测量。其核心思想是将传统仪器分割成一些基本功能模块,通过外部PC机软件的聚合和标准接口连接,取代专用高端仪器并实现标定、校正等功能,完成不同的测量任务。基本的合成仪器模块可以是VXI、PXI、LXI模块,LXI接口稳定且寿命周期长,是实现合成仪器最佳途径。

以图4为例,为了对电台、雷达等被测单元的性能参数进行测试,以前需要采用射频P中频信号源和频谱分析仪等高端仪器。图4中将射频信号源用数字处理器、数模转换器、上变频器这些LXI模块组成；将频谱分析仪用下变频器、模数转换器、数字处理器这些LXI模块组成，必要时增加信号调理模块，这些功能模块通常在不同的时刻被动态地重新配置和组合来执行不同的测量任务。这种ATS系统突破了传统的思维限制，可以减少冗余和体积、大大降低寿命周期的维护成本。

图4　合成仪器的工作原理

现在有许多基于LXI的模块都正在开发，例如为ARCGS和RTCASS空间P国防项目开发的合成仪器演示系统，就是因为采用其它模块不能满足要求后转而采用LXI构架开发的。

小　结

从虚拟仪器与自动测试系统的发展走向来看，满足通用ATS的商业化虚拟仪器模块体系结构正沿着GPIB、VXI/PXI、LXI的方向不断进步。LXI模块化平台标准利用了PXI/VXI的体积小、LAN的高吞吐率和GPIB的性能，它是将仪器和计算机连接起来实现自动测试系统最佳途。LXI标准为仪器的长寿命周期奠定了基础,使之不再受到带宽、软件和计算机结构的影响，使下一代虚拟仪器和自动测试系统具有更高的性价比和通用性。

仪器和测量领域是一个蓬勃发展的独立行业。由于历史的原因，国内在台式高精度测量仪器方面和国际水平差距很大，市场目前仍然由安捷仑、泰克等国外著名厂商垄断。进入虚拟仪器阶段后，成就了美国国家仪器公司、台湾凌华、台湾致茂等一些新兴企业,该技术在国内也逐步得到共识和推广，在VXI、PXI方面有一些单位在研发和生产，但虚拟仪器的核心技术在国外。相对于虚拟仪器技术而言，LXI是一个化时代的里程碑，但其技术门槛却并不高，加之国内在以太网络编程技术方面人才济济，国家和企业对自动化测试的不断重视，以及近十几年来的技术积累，LXI对国家和企业来说都是一个绝好的机遇和契机。如果能够在国内得到支持和发展，将有效地缩小我国在测试测量领域和国外的差距,提高我国虚拟仪器和自动测试系统的技术水平，也将培育出巨大的商机。