LXI总线在自动化测量中的应用

张 亮，王兴亮，梁 俊，武文斌

（空军工程大学 电讯工程学院，陕西 西安 710077）

随着电子技术的发展，各种电子系统越来越复杂，因而需要采用自动化的测量技术。自动化测量就是采用以计算机为代表的控制器来代替人按照预定程序控制对被测对象的激励、采样和测量，并进行信息处理、分析和判断[1]。对于测控仪器的规范也随之出现。

测量仪器的总线技术主要经历了GPIB（通用仪器总线）、VXI（VEMbus eXtensions for Instrumentation）总线和 PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）总线等多种形式。采用这些总线技术组建的测试系统被广泛地使用。但是，不管采用哪种技术的自动测试系统都存在很多不足。如GPIB（主要由HP公司提出的总线规范）仪器体积和重量大，数据传输速度慢，要GPIB卡和电缆来实现程控，需要昂贵的电缆，且有时需要电缆多（由于被测端口与综合测试系统的距离较远），总线最多支持14个终端，软件标准化程度不高，仪器非模块化，维修性能较差；VXI（主要由HP公司提出的总线规范）系统虽然有较小的体积和重量，通道数也很多，但是VXI系统必须采用VXI机箱、零槽控制器以及1394－PCI接口卡才可实现程控，并且不能直接和普通计算机直接兼容；构建系统的成本比较高；PXI（主要由NI公司提出的总线规范）仪器虽然比VXI仪器的体积小，重量轻，成本也低，提供卡式仪器较好的机械完整性和主流软件，但PXI总线仪器的功能覆盖面有限，仪器品种也远比VXI仪器少，通道数和电磁兼容性都比VXI差。

1 LXI总线结构

1.1 传统总线结构

传统总线结构要求在每个监测点建立一套独立的测试系统，分别由终端计算机和VXI仪器、PXI仪器或GPIB仪器组成，然后每个终端机和服务器通过网络连接，从而组成分布式测试系统。这种结构中，每个节点都由终端计算机控制，中心服务器不具备远程控制的能力；每个节点，不管监测参数多少，哪怕只监测一个参数，也得一台计算机和一台仪器组成测试系统，系统结构复杂且造成系统资源浪费。图1是基于传统总线的测量系统。

传统总线技术都无法很好地解决实现远程的编程、控制、测试测量、故障诊断等现实需求。

图1 基于传统总线的测量系统Fig.1 Measurement system based on traditional bus

1.2 LXI硬件平台

LXI是基于以太网技术等工业标准，由中小型总线模块共同组成的新型仪器平台。它由安捷伦公司和VXI科技公司成立于2004年9月共同合作成立的联盟提出[2]。全称为LAN－based Extensions for Instrumentation（局域网技术在仪器领域的扩展）。

独立LXI仪器分为全机架或半机架宽度，高度上有1U、2U、3U和4U几种 （足以装入前面板显示和键区）。因而能容易地将各种功能的模块混装在机柜中。也可放在夹具中，挂在墙上，或附在某些设备的小型装置上。所有信号连接输入和输出都在前面板上，电源、I/O、触发总线及网线接口（RJ－45）连接在后面。与VXI和PXI受限于特定模块尺寸不同，LXI的尺寸能完全符合应用的需要。图2为一种基于LXI的仪器样式。

图2 一种LXI的硬件平台Fig.2 A kind of LXI’hardware platform

除了LXI仪器以外，带网口的计算机、集线器、路由器都是系统中必不可少的设备。所有这些才是构建LXI测试系统的硬件平台。

LXI规范规定了3种基本仪器类型：A、B、C。这3种类型能在测试系统中混用。

C类仪器，允许把LAN接到仪器和模块上，可以与其他厂家的LXI产品很好地协同工作，为简化编程，C类仪器提供 IVI驱动程序API（应用程序接口）。达到这一基准的产品都要粘贴LXI标识。

B类仪器：这类仪器可用于分布式测量系统。它们符合C类仪器的要求，并包括IEEE 1588同步。

A类仪器：这类装置除满足 C类和B类仪器要求外，还另外增加了两项属性：硬件触发总线和合成仪器工作模型。图3是3种仪器关系示意图。

图3 3种仪器关系示意图Fig.3 Relationship among three instruments

LXI设备并不是简单的带有LAN接口的测试仪器，它们必须具有以下特点：

1）支持以太网标准协议。包括（TCP/IP，DHCP，URL/IP addresses， Dynamic DNS， Auto－MDIX）。 这是通过 LAN，实现远端控制与检测对设备的基本要求。

2）支持软件标准接口。 包括（IVI driver， VXI－11）。 这是为满足LXI设备的C/S通信模式的要求。

3）支持设备网页浏览（web－server），通过 IE浏览器能够访问设备同时得到设备的基本信息。这是为满足LXI设备的B/S通信模式的要求。

4）物理上对系统功率，散热，前面板指示灯，以及复位按钮有详细的定义。

5）对不同种类的设备对触发标准有不同的定义。如C类的网络消息触发 （几 ms）；B类的 IEEE－1588时钟同步触发（＜100 ns）；A 类的触发总线（5 ns/m）。

6）通过嵌入式 0 槽等装置与传统的总线（GPIB、VXI、PXI）设备实现无缝连接，实现设备兼容与平稳过渡[1]。

1.3 LXI软件架构

LXI总线引入了 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模型。该模型使用户可以通过网页浏览器（如IE）发布数据。通常，客户端只需要安装一个浏览器，输入LXI模块的IP地址，就可以直接访问相应模块的主页面，并实施远程监控。此模式相当于搭建在嵌入式操作系统平台上的Web服务程序。

LXI模块不仅可以通过浏览器进行访问，还可通过专用客户端软件访问。即支持C/S（Client/Server，客户端/服务器）模型。在C/S模式中，LXI测试模块使用IVI－COM驱动程序对仪器进行控制。IVI驱动程序是基于VISA的，主控程序通过调用VISA－I/O库函数，控制LXI模块完成测量[3]。图4为两种软件实现模式[1]。

2 LXI总线特点

2.1 提高了系统的吞吐率

GPIB总线的数据传输速率小于1 MB/s；PXI总线的数据传输速率在132～528 MB/s；VXI总线的数据传输速率可达10 MB/s，LXI总线的数据传输速率从10 MB/s发展到10 Gb/s（主干为光缆）（目前 40 Gb/s、100 Gb/s、160 Gb/s 的工作已经开始）[4]，而且向后兼容，所以采用LXI总线技术将提高系统的数据传输速率。

图4 两种LXI软件模式Fig.4 Two LXI’s software mode

除了网络传输速率快之外，LXI仪器还提供了两种提升系统吞吐率的方法。第一种方法是软件在 LXI模块内运行，这就有可能在LXI模块中执行基本分析功能，只把结果（而非数据块）送至主PC。这种类似于分布式结构大大降低了网络实际需要传输的数据量，进而提高了网络利用率。第二种方法是用LXI模块间的对等通信，消除因PC处理所有消息而可能产生的瓶颈。

2.2 提高了系统的灵活性并降低了成本

由于LXI仪器的核心硬件技术与台式仪器的核心硬件技术相同，所以在研发阶段在台式仪器上使用的测试方法和测试软件同样可以方便地移植到LXI系统中，从而降低了重新编写测试软件和验证系统性能的费用。在组建测试系统方面，LXI模块自带了处理器、LAN连接、电源和触发器输入；并且不需要机箱和零槽控制器，不需要专用接口卡和昂贵的电缆。这一改变为测试系统设计工程师提供了最佳的灵活性并且大大降低了成本，他们能按照需求添加新的LXI模块而不用担心机箱的电源功率是否足够、散热是否充分、或是否需要购买一套更大的机箱、或是否需要更换一个全新测试系统体系。从传输距离来看，传统的点对点（如交换机与交换机之间）的网络传输距离是100 m（10BASE-T不加中继的距离）[4]，如果用光纤通讯可以达到几千公里，所以，LXI系统可以不受节点和距离的限制。

2.3 降低了测试系统的建立时间

LXI仪器采用标准的以太网接口与计算机相连接，并且可以自动识别网线的极性（Auto-MDIX）；每个LXI仪器的IP地址可以手动设置，也可以在系统中自动分配，所以这就使得用LXI测试设备组建测试系统的时间大大减小，而且难度也降低了。

2.4 灵活高效的系统触发技术

高速信号的采集和分析系统中对要测试设备必须保持精确的同步，因此为了克服LAN总线带来的同步问题，LXI协议中对同步进行了更详细的定义，ClassC类型的设备采用指令的方式进行触发，触发的精度为1 ms。对于更高触发精度要求测试系统中必须使用ClassA和ClassB类型的设备。在ClassA和ClassB类型的设备中引入了IEEE1588协议（全称为网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准），保证触发精度达到微秒或者亚微秒级。测试系统采用IEEE1588时钟同步时，触发信号是告诉每个器件何时输出它的信号，每个器件是根据告诉的时间而不是根据何时收到的以太网命令启动，所有没有以太网开销和网络时延影响，特别适用于那些需要实现最高精度分布时钟的时间同步的有限网络领域[5]。而对于纳秒级别的触发精度要求，则必须利用ClassA类型设备中专用的触发总线来保证触发的精度。

2.5 主要的总线技术比较

采用LXI总线技术，实现了仪器模块化，摆脱了主控制器（0槽）和背板限制。这样在实际测量中，可以自由地移动测量模块，减少了测量电缆开销。同时，用户可以根据需求，有针对性的选择模块，且驱动软件标准化使得通用性大大提高。LXI为构建分布式测试系统提供了更加有效的手段，成为测试仪器发展新方向。表1是几种主要总线的比较[1]。

表1 几种总线技术的比较Tab.1 Comparison between several bus technologies

3 LXI总线技术在分布式测试与故障诊断系统中的应用

本系统采用了以LXI总线的体系结构，如图5所示。在这个系统中，由远程诊断中心、LAN、LXI终端用户组成。其中用户由LXI合成仪器，及相关的配套设备（交换机、测量对象）组成。LXI合成仪器由符合LXI标准的模块化仪器组成，仪器的选择依赖用户的实际需求。本系统中假定由下变频模块和数字化仪模块组成。下变频模块测量相关设备，并将接收的信号变频之中频，传输给数字化仪模块，进行中频处理，最终通过网线连接至交换机。在接入网部分可采用有线和无线两种手段。尤其是无线方式，有利用测量模块的移动，进而节省了电缆连接带来的额外开销。各个LXI仪器直接通过交换机连接到网络上，由于每个LXI设备有自己的处理器，所以监测节点处不需要终端计算机。本系统采用B/S模式远程诊断中心来控制各个模块，即通过远程诊断终端通过IE浏览器通过输入相应LXI模块的IP地址，可以实时监控相应模块的相关参数，并可以直接进行远端控制。

对于某些地面测试项目，有相对成熟的VXI或GPIB总线系统，为了节约成本，将这些系统也接入到LXI总线系统中。由于很多仪器供航天测控供应商提供了GPIB与LAN的转换器，以及支持网络传输的零槽控制器，这就使已有的GPIB、VXI和PXI测试系统可以很容易地接入到整个LXI网络中来。从图5可以看出，采用LXI总线技术即简化了系统配置，节约了系统资源，又增加了系统的灵活性。

图5 LXI在分布式系统中的应用Fig.5 Application of LXI in distributed system

从以上系统中可以总结基于LXI技术的仪器使用有以下特点：

1）设备模块化，方便用户根据需求选购相关产品，从而降低了使用成本。

2）设备智能化，LXI设备内嵌处理器，有较强的分析，处理数据功能，将处理结果传送至远端诊断中心，这样大大降低了网络数据传输量，提高网络利用率。

3）设备资源共享化，采用B/S模式可以直接通过键入仪器网址方式查看模块参数，采用IEEE-1588始终同步方式，将触发同步控制在ns级。

4）测试网络兼容性好，基于LXI技术的测量系统，最大限度地实现资源共用，充分兼容传统总线设备。

4 结束语

自动测试系统的发展正沿着GPIB、VXI、PXI和 LXI的方向不断进步。LXI模块化平台标准将PXI和VXI的体积小、LAN的高吞吐率以及GPIB的高性能集成在一起，同时又采用IEEE-1588网络时钟同步协议及触发总线等技术很好地解决了同步触发的问题，继承了VXI、PXI仪器背板触发的优点，从而可以很好地满足测试系统构建的要求，尤其在远程分布式测试与故障诊断应用中将发挥非常显著的作用。未来的测试系统发展，以太网将扮演重要的角色。台式仪器、VXI、PXI、LXI将共存于系统。

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