用LXI构建合成仪器

合成仪器(SI)由模块化组件构建并启用高速处理器和近代总线技术,有望给测试用户带来更多的功能与灵活性,较低廉的总成本、更高速操作、更小的物理占用面积以及较长的使用寿命。然而,生产厂家和用户共同面临的一个问题是缺乏统一的,能满足体系结构和商品化要求的设计标准。PXI和VXI模块仪器是这类应用的最佳候选,但对SI设计人员亦有诸多限制,最终形成具有专用接口与控制模块包装的混合系统。

　　SI体系结构和顶级要求

　　乍一看,SI的基本要求和常规机柜式仪器十分相似。然而深入的调查研究后,会发现合成体系结构所独有的隐含着的要求,因此有必要快速地审视通用SI系统的某些基本属性。首先,SI的机械结构能提供良好的RF隔离,尺寸的灵活性,适度的冷却,方便地I/O接入。仪表的总体积能灵活地容纳尺寸较大高功率的微波部件,电源容量能适应模块的各种要求,如基带开关模块所消耗的功率要比RF小得多。

　　经验教训告诉我们,用插卡箱模块规格结构构建的仪器对物理包装有很多严格的限制,不能适应尺寸较大的RF模块,亦无法解决计算机总线标准和灵敏的RF信号之间的隔离问题,另一个需要关注的事项是,插卡箱规格相关的过度紧张物理要求导致有限的模块可使用性,在生产厂家由机柜式仪器转而生产SI模块时,会增加选项的平均投资,从而大大增加仪器的成本。

　　电气要求,特别是数据与控制总线带宽和等待时间常常是模块设计的决定性因素。基带会在模块之间驱动大量的数据,产生和采集复杂调制波形的系统尤为如此,对近代军事数字通信协议来说,20~50MB/S的数据速率是十分普遍的。

　　在上下变频器,本地振荡,信号调节器和DUT接口之间,数据与控制要求是中等的,开关同步要求则是随功能要求变化的,其范围在数微秒至数十毫秒之间,前者是引脚二极管输出时间;后者是机械开关和衰减器动作时间。对多数应用,激励源、响应和基带模块之间的同步时间仅为数十毫微秒,极具挑战性。

　　综上所述,合成系统的要求大致是这样的,在一个10MB/S量级数据总线带宽的大系统中,基带模块需用带宽超过50MB/S的高速数据总线连接的。虽然这些要求会随具体应用而有所变化,但是对大多数SI应用是十分典型的,这也成讨论LXI应用的出发点。

　　

 

 

　　图1 一般的SI体系结构

　　LXI功能性和性能

　　LXI是以太网技术在测试自动化领域的应用扩展。LXI主要是一个定义Ethernet802.3基接口技术实施纲要的功能性接口规范,旨在保证嵌入式IEEE1588协议基仪器间的互操作性,并提供所需的触发功能。此外,它还规定了相关的布线触发总线,为关键性应用提供增强的触发同步功能。

　　国际LXI协会初步将基于LXI的仪器分为3个等级：等级C具有通过LAN的编程控制能力,可以与其它厂商的仪器很好地协同工作;等级B拥有等级C的一切能力,并且加上了IEEE1588网络实践同步标准;等级A拥有等级B的一切能力,同时具备硬件触发能力。

• 　　对SI,等级A LXI最值得关注,IEEE1588同步协议和高速步线低压差分信号触发总线提供确定的定时,由于多数SI模块没有前面板和显示,用户界面是通过Web接口定义的,一个可交换的虚拟仪器应用编程界面(IVI API)在计算机与模块间提供通信,LXI机械规范保证模块像系统好邻居一样工作。
• 　　触发总线工作在100MHz,相当于1ns精度,实际可达到的性能约为2ns,并可配置成星形、菊链、或混合体系结构,IEEE1588协议用实时时钟来提供确定的网络定时,与使用的LAN速度无关。
• 　　在LXI以太网总线上,对2Σ分布,IEEE1588提供约50ns定时同步。数据吞率和LXI总线等待时间明显地在很大程度上取决于处理器和接口硬件。在服务器和工作站中,千兆位以太网已十分普遍。1GB/S的峰值速率,当然在实际使用中很少能达到这一性能水平。在以太网上执行的标准面向连接协议是TCP/IP。由于主CPU主要负责处理计算量大的TCP/IP软件栈,等待时间相对较大,在50~120礢范围内。这些等待时间将影响典型SI设计所要求的上下关系。

　　多数先进的SI体系结构倾向于使用分布在系统中各类工作模块中的的公共测试调试表或状态机调度表,调度表同步在1588协议中完成。这种安排可让广泛分布的组件以约100ns速率同步事件。更精确的调度表事件同步可用布线触发总线完成。

　　对LXI总线来说,主要等待时间是在专用语言程序环境中执行过程事件的时间。在此场合,典型编程技术要求主CPU交换上下关系来执行命令,当然还有专用语言程序解释所涉及的其它等待时间。据报道,Microsoft XP和Linux两种操作系统的上下交换时间超过30祍。考虑到附加的解释器等待时间,正是这些等待时间,而不是以太网总线的等待时间,构成端对端数据和模块中事件传输的主要因素。

　　

 

 

　　图2 详细的SI结构

　　用LXI标准设计SI

　　SI系统可方便地嵌入在VXI或PXI机箱的基带体系结构基本部件构建。然而,在同一机械和电气环境中很难完全包含RF体系结构,尤其是高性能微波系统。致使众多生产厂家采用插卡箱基基带部件连接至大型RF部件相结合的方案来设计混合系统,即放置在商品化插卡箱内的基带模块与由专用数据和控制总线控制的定制RF模块相结合的系统,因为RF系统需要良好的屏蔽而且是耗电大户。

　　采用以太网总线作为主要系统总线的标准基系统有很多吸引人的优点,具备很多先进的网络特性,比如传统的测试与测量接口不能提供对等通信,还有以太网电缆和插卡是标准的、广泛使用的,且基本上是免费的。

　　PoE(通过以太网供电)功能和IEEE1588协议简化分布测量应用,此类应用中大量传感器是环绕较大DUT分布的,或是按地域分布的,IEEE1588的时间批量处理简化了数据和通道管理以及后采集分析。一种供典型的激励/响应SI测试系统的体系结构如图1所示。该体系结构具有独立的激励和响应基带模块,通过LXI总线连接至服务器,在基带模块之间有LXI触发总线。在此设计中,变频器提供信号调节功能。

　　当然在实际使用中,任务可以是独立的。DUT接口提供接口开关和向后循环校正功能,还可包括信号调理器、高功率激励放大器以及低噪声响应放大器。

　　按LXI标准构建的这个实例容易满足各类要求,其性能已超过目前构建的多数SI系统的性能。总线带宽是50MB/S,在LXI触发总线上的基带触发精度为2ns、在IEEE1588上的上/下变频器与DUT触发精度优于100ns。不仅如此,IEEE1588允许时间批量处理用于后采集分析,这是事析驱动触发无法提供的。

　　LXI包装密度、冷却与功率容量

　　由于LXI主要是一个接口标准,对测试仪表的机械结构没有多大限制。对SI和尺寸为首选的应用来说,LXI机械规范定义了1U半机柜宽模块,一堆类似的模块能紧紧地整合成测试装置,系统还配备了为这类应用设计的冷却装置和电缆接口。

　　后面板设有LXI与触发总线连接器,允许使用AC电流或DC电源。前面板含有状态指示灯和复位按钮,整个单元通过中间模块和机柜安装把手安装在一个19英寸机柜中。生产厂家和用户最关心的是热稳定性问题,联合体的初步研究表明,每个1U单元能合理地应付100W功率而无需特殊的设计考虑;2U单元在类似的条件下能应付400W功率。

　　结语

　　在SI系统各种方案中,LXI不失为一个用开放的以太网标准构建的极具吸引力的备选方案。它没有现有专用总线标准强加的尺寸限制,并充分利用以太网的功能接入高性能的处理器和服务器。最重要的是,基于真正的物理组件和功能组件体系结构,满足SI系列产品低成本与高性能两者要求,发挥建立可互换商用SI标准的优势