（精密仪器及机械专业论文）LXI技术在管道泄漏检测上的应用(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 l x i ( l a ne x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 是一种新兴的测试仪器总线技术，它将 以太网作为总线，极大的扩展了应用范围，是下一代仪器总线的发展趋势。 测试系统的网络化，虽然有着许多优点，但由于测试节点地理位置分散，而 且网络传输延迟具有不确定性，必须解决仪器设备间的同步工作和数据间的时间 对应问题。l x i 总线技术将同步控制作为最主要的问题，提供了三种同步触发机 制：网络消息触发、i e e e i5 8 8 时钟同步触发和硬件总线触发。 本文在全面介绍l x i 规范的基础上，重点研究了i e e e l 5 8 8 时钟同步触发。 它是l x i 的核心技术，可以减小以太网信息传输延迟对时钟同步的影响，从而 更精确地校准各个时钟，使系统各模块达到相对同步，具有精度高、速度快、成 本低等优点。本文在深入研究其工作原理的基础上，在l a b v i e w 环境中编程模 拟其工作流程，从而开发出了一种基于i e e e l 5 8 8 的虚拟仪器校时程序。实验证 明，该程序可以有效地提高互联网上计算机间的校时精度。 油气管道泄漏监测系统是一项为保护油气管道安全而开发的项目。它可以实 时监测油气管道的泄漏情况，并对泄漏地点进行自动定位。为保证定位精度，要 求各测量点间的时钟达到相对同步。本文成功地将基于i e e e l 5 8 8 的虚拟仪器校 时程序应用于该系统中。通过大量实验，证明了该方法可以有效地提高各测量点 的时钟同步性，从而降低网络延迟对定位精度的影响，有效地提高了定位效果。 本文所做的研究，为l x i 技术在管道泄漏检测领域的应用提供了一条可行 途径。相信随着l x i 技术的逐渐成熟，其在该领域的应用前景将越来越广阔。 关键词：l x ii e e e i5 8 8 时钟同步虚拟仪器校时程序管道泄漏检测 a b s t r a c t l x i ( l a ne x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) i st h en e w l ya u t o m a t i ct e s t b u s i tt a k e s e t h e m e ta st h eb u s ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e si t sc a p a b i l i t y l x ii st h en e x t g e n e r a t i o no f a u t o m a t i ct e s tb u s l x ih a sl o t so fs u p e r i o r i t i e s ；h o w e v e r , i ta l s ob r i n g ss o m en e wp r o b l e m s b e c a u s eo ft h es e p a r a t i o no ft h ei n s t r u m e n t sa n dt h eu n c e r t a i n t yo ft h ee t h e m e td e l a y ， s y n c h r o n i z a t i o no ft h ei n s t r u m e n t s c l o c k sm u s tb ei n s u r e d l x ic o n s i d e rt h ec l o c k s s y n c h r o n i z a t i o na st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e ，a n dp r o v i d e st h r e ew a y st or e s o l v e t h i sp r o b l e m ：t h en e t w o r km e s s a g et r i g g e r i n g ，i e e e l5 8 8c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n t r i g g e r i n ga n dt h eh a r d w a r eb u st r i g g e r i n g l x is t a n d a r di sc o m p r e h e n s i v e l yi n t r o d u c e di nt h ep a p e r i e e e l5 8 8 ，w h i c hi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e so fl x i ，c a nc a l c u l a t et h ed e l a yo fe t h e m e ta n d p r o o f r e a dt h ec l o c ko ft h es y s t e m ，s oa st om a k ea l lt h em o d u l e w o r ks y n c h r o n o u s i t h a st h es u p e r i o r i t i e so fh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs p e e d ，l o wc o s t a f t e rc o m p r e h e n s i v e s t u d y i n gt h et h e o r yo f i e e e i5 8 8 ，t h ev i r t u a ld e v i c et i m e - a d j u s t i n gp r o g r a m ，w h i c hi s b a s e do nt h el a b v i e w , i sp r o v i d e di nt h ep a p e r i tp r o v e st h a tt h ep r o g r a mc a n e f f e c t i v e l ya d j u s tt h ec l o c k s o fc o m p u t e r so nt h ei n t e r a c tb ym a k i n gl o t s o f e x p e r i m e n t s t h ep i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o ns y s t e mi so n eo ft h ep r o j e c t sw h i c ha r eu s e dt o p r o t e c tt h es e c u r i t yo fp i p e l i n e i tc a nd e t e c tt h el e a k a g eo fp i p e l i n ea n da u t o m a t i c a s c e r t a i nt h el e a k a g ep o s i t i o n i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fl o c a t i o n ，t h ec l o c k s y n c h r o n i z a t i o nm u s tb ei m p r o v e d t h ev i r t u a ld e v i c et i m e - a d j u s t i n gp r o g r a mi s s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ep i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o ns y s t e m b ym a k i n gl o t so f e x p e r i m e n t , t h ef u n c t i o no ft h ep r o g r a m f o ri m p r o v i n gt h et e s ta c c u r a c ya n d r e p e a t a b i l i t y , a sw h i l ea sr e d u c i n gt h ee f f e c to f t h ee t h e r n e td e l a yt ot h et e s tr e s u l t ，i s g i v e ni nt h ep a p e r t h er e s e a r c hi nt h ep a p e rp r o v i d e so n ew a yt oa p p l yl x ii nt h ep i p e l i n el e a k a g e d e t e c t i o n t h ef o r e g r o u n dw i l lb em o r ea n dm o r ew i d ew i t ht h em a t u r i t yo fl x i k e yw o r d s ： l x i ，i e e e l5 8 8 ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，v i r t u a l d e v i c e t i m e a d j u s t i n gp r o g r a m ，p i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取甜的 研究成果，除了文中特别加以标注和敏i 身 之处外，论文中不包含其他人l 经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献均已存沦义l - 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：糯泽 签字同期：矽年易月10f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留、使用学位沦艾的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数狮：库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查i 剜和借蒯。i 州意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瀚；雩 签字同期：2 缈伊年易月) pr 翮虢伽刎 签字同期：矽吁年莎门，矿i 第一章绪论 1 1测试仪器总线的发展 第一章绪论 自动测试系统，无论是在航空航天和国防电子领域，还是在消费类电子产品 的生产线测试和质量验证，都有着非常广泛的应用。由于自动测试技术的引入， 不仅能提高测试效率，保证测试的准确性和可信度，减少由于人为原因造成的测 量错误，误差降低生产和测试成本，而且还可以对测试数据和结果进行信息化管 理。无论是在整机、元器件或模块的指标和功能测试、老化及可靠性等测试中， 自动测试技术都有着广泛的应用【l 】。 自动测试系统的建立，往往包括用于测试的一台或多台的仪器、主控计算机 和测试软件、测试夹具以及仪器总线。仪器总线就像是中枢神经系统，负责控制 指令和测试数据的传送。 电子测量仪器业界自上世纪6 0 年代开始一直追求更快、更可靠、更简便的 仪器总线，自上个世纪7 0 年代开始，平均每l o 年测量仪器领域就要推出一种测 量仪器总线接1 2 1 标准。在l x i 出现以前，比较成熟的总线有g p i b 、v x i 和p x i 【2 】。 1 2 新一代仪器总线l x i 2 0 0 4 年9 月1 4 日，a g i l e n t 技术公司和v x i 技术公司联合推出了l x i ( l a n e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) ，即局域网在仪器领域的扩展。l x i 模块化测试标准规 范融合了g p i b 仪器的高性能、v x i 和p x i 卡式仪器的小体积以及l a n 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【3 】。 不同于p x i 模块化需要昂贵的机箱、零槽控制器、m x i 卡和电缆在计算机 与仪器之间的通讯，l x i 模块自带处理器、网络连接、电源和触发输入，模块一 般是1 9 英寸机柜全宽1 u 高，或者半宽l u 或2 u 高，信号从模块前面板进入， l a n 接口、电源、触发在仪器的后面板，安装在标准1 9 ”机柜上或者堆叠在台面 上，在普通计算机上实现按键、旋钮和显示界面。l x i 模块在高速l a n 上交换 数据，采用i v i c o m 驱动，用标准的w e b 浏览器显示信息和检查故障，通过 p e e r t o p e e r 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。 第一章绪论 l x i 的一个显著特点是将仪器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。 瘳翮。黼鬻嘲 ? ；一 2 ： i 5 ：， 。曼蕈 i - ：二一- j 圈1 1 从分立式原件郅l x j 测试系统 l x i 技术的推出是得益于以下关键技术”l ： 1定时与同步技术。一般的网络定时协议n t p ( n e tt i m ep r o t o c 0 1 ) 由于 采用消息机制，只能达到毫秒级的精度。l x i 采用了i e e e l 5 8 8 p t p ( p r e c i s i o n t i m ep r o t o c 0 1 ) ，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。p t p 将测试过程和其它动作存成脚本的形式，这些脚 车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，i e e e l 5 8 8 在分布于世界各地的l x i 设备之间可以达到毫秒级以 下的精度而模块之间可以达到纳秒级的精度，p t p 非常适用于多通道、 分布式的铡试场合，如发动机、雷达、电站等。图1 - 2 是i e e e l 5 8 8 与 其它触发方式的比较。此外，l x i 标准还支持硬件触发总线。 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1 5 年理提高了三个数量级。以后也依然将遵循 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、 嵌入式阻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。 雷睫二 一蓐睡邕一 巨 第一章绪论 图1 - 2i e e e l 5 8 8 与其他触发方式的比较 l x i 总线以e t h e m e t 、标准p c 和软件为依托，与v x i 和p x i 的机箱背板总 线的结构不同，l x i 实际上以以太网为总线，极大地扩展它的使用范围。 表l - 1 常用总线技术性能比较 测试系统的网络化，虽然有着许多优点，但同时也产生了新的问题。由于测 试节点地理位置分散，而且网络固有延迟的不确定性，接收到的信息很可能已经 不是对方当前的信息了。为保证测试结果的正确性和有效性，必须解决仪器设备 间的同步工作和数据间的时间对应问题。l x i 总线技术将同步控制作为最主要的 问题，提供了三种同步触发机制：网络消息触发，i e e e l 5 8 8 时钟同步触发和触 发总线。由于本文的应用领域一管道泄漏监测系统具有分布范围广、精度要求 高的特点，所以将重点研究i e e e l 5 8 8 时钟同步触发方式f 5 】。 l x i 仪器模块是基于以太网技术的新一代测试系统平台，具有模块化、开放 式、空间应用灵活、传输速度快等优点，降低了测试系统构建成本，提高了系统 兼容性和可扩展性，可以更好地支持研发与制造工程师进行航空、国防、汽车、 *一键菱霉 第一章绪论 工业、医疗及消费类电子产品的设计工作，在校准测试领域具有广泛的应用前景， 并将给计量检定工作带来新的机遇与挑战。 1 3l x i 技术在管道泄漏检测上的应用 1 3 1 管道运输的发展状况 石油作为当代世界最为依赖的能源之一，维持着人类社会的稳定和发展。而 油气管道是连结油气资源与市场的桥梁。现代管道运输起始于1 9 世纪中叶，经 过一百多年的发展，已经成为与铁路、公路、航空、水运平行的五大运输手段之 一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用【6 】。 管道运输具有以下优势： 大大减少转运换装环节，实现连续运输，避免空车往返的运力浪费，运量大， 效率高，易于实现自动化管理。 管道建设投资省、见效快、占地少。管道建设的占地只有铁路的1 9 ，并且 管道建成投产后，9 0 的土地可以恢复使用。 运输过程可以实现完全密闭化，效率高、损耗低。管道在地下密闭运输，具 有极高的安全性。而运输的燃料消耗是铁路的1 2 ，是公路的1 9 ，运输损耗 是铁路的1 3 ，是公路的1 2 。 可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。 由于管道运输在运送气体、液体等散装物品方面具有以上这些无可比拟的优 势，因此在经济发展中起着重要的作用。我国石油天然气管道工业的发展是随着 我国石油工业的创建而发展起来的。1 9 5 7 年，我国诞生了第一条长距离输油管 道。此后，随着我国石油工业的迅猛发展，油气管道运输业也有了长足的进步。 进入9 0 年代，我国的长距离输油管道建设有了新的突破，并又相继建成了一批 长输管道，油气长输管道每年敷设长度超过4 0 0 公里，东北、华北、华东管线网 逐渐完善。 虽然我国管道运输事业有了较大发展，长输管道建设己初具规模，但与一些 发达国家相比，尚有一定的差距。到9 4 年底，我国长距离管道是世界管道总长 度的1 9 2 ，美国的1 4 0 ，。原苏联的1 1 8 。以上的这些资料表明，我国的管道运输 工业处在了一个既充满生机，又富于挑战的新时期，必将随着国民经济的持续快 速发展而大有作为【7 】。 4 第一章绪论 1 3 2 管道运输的安全隐患和检测技术 油气管道运送的对象基本为易燃易爆的液体和气体，由于其特殊性，一旦发 生泄漏，对管道自身安全、周边人民群众的生命与财产安全及生态环境都会造成 影响。随着管线的增多、管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的 存在，管道事故频频发生，给人民的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。 世界上管道工业史大量的数据表明，管道同世界上其他事物一样，事故的发生都 有称为“浴盆曲线 的一般规律 8 】。 失效数 初生期衰老期 弋 稳定期 lo 图l - 3 管线事故发生的一般规律 时间 统计资料表明，目前世界上总管道的5 0 已经用了3 0 年甚至更长时间，由 于腐蚀、意外损坏等原因，管道事故发生的概率增大，泄漏事故时有发生。在我 国，长输管线相当一部分已经步入衰老期，油气管道泄漏事故经常发生。而近年 来，犯罪分子在管道上打孔盗油、盗气，大量基础建设项目施工，不可避免的在 管道沿线进行挖掘作用，这些都严重威胁着管道运输的安全。据不完全统计，我 国每年因外界破坏而造成的管道泄漏引起的事故百余起，直接经济损失达数亿 元，环境破坏和社会影响等间接损失更是无法估量。如果能及时发现泄漏，确定 泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的危害。为防止外界因素对管道的破坏， 建立高效、可靠的管道安全监测系统势在必行。 管道泄漏检测技术是多领域多学科知识的综合，目前已经有很多管道泄漏检 测方法，从最简单的人工分段沿管线巡线到复杂的软硬件相结合的实时模拟方 法，从陆地检测发展到海底检测，甚至利用飞机或卫星遥感检测大范围管网等。 下面重点介绍负压波法。 负压波检测属于声学检测方法的一种。当管道发生泄漏时，泄漏处由于物质 损失造成压力突然下降，压降由泄漏处向上、下游传播，称之为负压波。由于管 第一章绪论 壁的波导作用，负压波传播过程衰减较小，可以传播相当远的距离，其传播速度 与声波在流体中的传播速度相同。利用负压波通过上、下游测量点的时间差以及 负压波在管线中的传播速度，可以确定泄漏位置。为了提高泄漏检测的灵敏度， 还可以运用相关的技术对管道两端传感器接收的信号进行相关分析。 此种方法具有较高的灵敏度和定位精度，是目前国际上广泛重视的管道泄漏 检测和泄漏点定位方法。本文研究所涉及的管道泄漏监测系统，正是采用这种方 法进行工作的。 1 3 3l x i 技术在管道泄漏监测系统上的应用 如上所述，管道泄漏监测系统是一种以负压波监测法为原理的项目。一般在 一条输送管道的两端各装有一个数据采集系统，在发生泄漏时，要确定泄漏点的 位置，需要将管道两端首、末的数据综合来分析。很显然，拿来分析的这一段数 据的起始点必须是对应的。也就是说，管道两端计算机系统的时间必须是同步的。 否则，压力信号序列的特征拐点判断的再准确，也会因起始时刻差带来错误的时 间差，定位结果的误差自然就增大。由于负压波在管道中的传播速度很快( 约为 1 1 0 0 m s ) ，即使是一个比较小的时间偏差，也会对定位精度产生巨大的影响。因 此，校正两端计算机系统的时间，是保证泄漏监测系统定位精度的重要环节。一 种简单的方法是用一端系统的时间去校正另一端的系统时钟，这对两站点系统来 说是简单可行的方法。对多站系统来说，也可以选取一个站的系统时间作为标准 时间去校正其他站点的系统时钟来达到统一时间标准的目的，这种方法要求各站 点间定时通讯一次。 理论上讲，采用g p s 来统一各站工控机的系统时间是一种有效而又可靠的 方法。然而，在实际的工程应用中，由于成本、现场条件等原因的限制，g p s 并没有被普遍采用，许多输油管道上安装的泄漏监测系统都只是简单的直接进行 校时，而没有对以太网固有的传输延迟进行补偿。因此，开发一种低成品、高精 度、不受环境影响的校时方法，并将其应用于现有的管道泄漏监测系统中，对于 提高泄漏监测系统的性能，有着非常重大的意义。 如上文所述，l x i 实际上将以太网作为仪器总线。因此，其最关键的技术之 一，就是如何减小由于网络传输延迟不确定性给测试系统造成的误差。后文将详 细阐述的i e e e l 5 8 8 ，就是用来校正测试系统各模块间的时钟的。如果能将这种 方法应用到管道泄漏监测上来，将为目前的校时问题带来一种全新的解决方法。 本文主要以此为目的，进行了大量的研究工作。 6 第一章绪论 1 4课题研究现状和本文的主要工作 l x i 是一种新兴的仪器总线技术，由其诞生到成熟，还需要一个过程。l x i 尚处于起步阶段，很多仪器厂商对它还持观望态度。l x i 远没有达到完全取代原 有仪器总线的影响力，在相当长的一段时期里，它还将与p x i 、v x i 并存。随着 其不断完善，l x i 必将在仪器测试领域占有越来越重要的地位。 目前，国内对于l x i 的研究，主要是如何将现有的l x i 仪器应用到工程项 目中，对于l x i 技术的开发研究还很不完善，至于l x i 在管道泄漏监测上的应 用更是基本处于空白。本文所做的工作，为l x i 的应用提供了一个新的方向， 对以后的工作具有一定的参考价值。 本论文的主要内容安排如下： 第一章主要阐述本文的研究主题及其研究背景。通过对已有仪器总线发展历 史的的回顾，引出了新一代总线l x i ，初步分析了其作为新一代测试总线的优势。 同时提出其在管道泄漏检测领域应用的思路。 第二章简要介绍仪器总线的发展历史，阐述l x i 的特点和优势。全面介绍 l x i 规范，重点研究l x i 的时钟同步触发技术。针对本文的应用领域要求，详细 分析i e e e i5 8 8 协议的原理，为后文的工作打下基础。 第三章主要用硬件电路模拟了i e e e l 5 8 8 的时间同步方法。通过 c y g n a l 8 0 5 1 f 3 1 0 单片机之间的通讯，验证i e e e | 5 8 8 所提供的时间同步方法的可 行性，同时也证明该方法可以移植到其他环境中实现。设计相应的硬件电路，编 写软件部分。 第四章将i e e e l 5 8 8 的时间同步方法用l a b v i e w 语言实现，开发一种基于 i e e e l 5 8 8 的虚拟仪器校时程序。通过大量实验，证明该程序可以有效地提高互 联网上计算机间的校时精度，并对校时误差的来源进行分析。 第五章将基于l a b v i e w 的虚拟仪器校时程序嵌入现有的管道泄漏监测系统 中，通过大量实验，比较应用该程序前后，泄漏监测系统定位情况的差异，从而 验证该程序的现实意义。进而分析该程序对对于定位误差重复性、减小管线长度 影响方面的作用。 第六章对论文的研究工作进行总结，并对l x i 在管道泄漏监测上的应用进 行展望。 7 第二章l x l 总线特点和l x i 规范 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 本章简要介绍测试总线的发展历史，进而阐述l x i 这种新一代仪器总线的 特点和优势。详细介绍l x i 规范，包括机械、冷却、电气、l a n 配置、软件编 程等方面。重点研究时钟同步技术，分析i e e e l 5 8 8 时间同步原理，以便为l x i 技术在管道泄漏检测上的应用打下基础。 2 1测试总线的发展历史 电子测量仪器业界自上世纪6 0 年代开始一直追求更快、更可靠、更简便的 仪器总线，自上个世纪7 0 年代开始，平均每l o 年测量仪器领域就要推出一种测 量仪器总线接口标准。在l x i 出现以前，比较成熟的总线有g p i b 、v x i 和p x i 9 1 。 2 1 1g p i b 总线 1 9 7 2 年，美国惠普公司提出的h p i b ( h e w l e t t p a c k a r d ) 总线作为测量仪器 和计算机之间通信的标准总线被i e e e 规范为i e e e 4 8 8 。后来h p i b 总线演变为 今天在很多智能仪器上都能看到的g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线。 在g p i b 总线提出后的3 0 多年间，各种带g p i b 接口的测量仪器不断涌现，为搭 建强大的自动测量仪器系统提供了可能。 g p i b 总线不仅解决了测量仪器之间互联问题，也解决了仪器和计算机之间 的互联问题。采用g p i b 总线技术搭建的自动测试仪器系统具有方便灵活，可分 可和的特点b o 。 2 1 2v x i 总线 19 8 5 年h e w l e t t - p a c k a r d 、t e k t r o n i x 、w a v e t e k 、r a c a l - d a n a 和c o l o r a d od a t a 联合推出v x i 总线。1 9 8 7 年诞生了最早的v x i 总线系统规范。v x i 总线即v m e 总线在仪器领域的扩展( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。它结合了g p i b 总线易于操作及强大的测试测量功能的优势和v m e 总线系统吞吐量高并能充分 发挥计算机效能的优点。v x i 总线规范在1 9 9 2 年成为i e e e 标准，即i e e e s t d l1 5 5 1 9 9 2 。该规范经过多次修改之后，于1 9 9 8 年8 月发布了2 o 版【1 1 1 。 从v x i 总线诞生至今，因其开放式的系统结构、强大的测试测量功能、系 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 统的高集成度、高可靠性和高数据吞吐量，同时能有效降低电子测试费用，而被 越来越多的应用在生产制造、研发等领域。全球每年的销售额都以2 5 的速度 递增。截至目前，全球共有超过4 0 0 家的生产厂商，产品种类超过1 6 0 0 多种， 显示出v x i 总线的强大生命力。v x l 产品在我国的航空电子设备测量、火箭发 动机试验数据采集和铁路机车车辆动力学测试中得到了广泛应用m 】。 2 1 3p x i 总线 参照v x i 总线仪器的经验，1 9 9 7 年n i 公司推出了一种新的仪器总线 p x i 总线。1 9 9 8 年成立p x i 系统联盟推广p x i 的应用。 p x i 总线是c o m p a c tp c i 总线在仪器领域的扩展。其最主要的电气规范由p c i 总线发展而来，同时对电源、空气冷却装置、抗电磁干扰和恶劣环境的结构等做 了规范。在底板上定义了多种仪器专用线，包括用于多板同步的触发总线和 1 0 m h z 参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块间高速 通讯的局部总线，从而满足测试用户的更高需求。 制定p x i 规范的目的是为了将p c 的性能价格比优势和p c i 总线面向仪器领 域的扩展结合起来，从而形成一种更好的仪器测试平台。相对于v x i 仪器，按 p x i 总线标准制成的p x i 仪器具有成本低、便于组成便携式测量系统的优点1 1 3 ) 。 事实上，g p i b 、v x i 、p x i 仪器总线，分别表示当时计算机技术的8 位、1 6 位、3 2 位总线的相应水平，并且由台式或嵌入式计算机作为仪器系统中的程序 控制和数据处理的作用，并且使仪器系统具有从局域网进入广域网的能力。众所 周知，9 0 年代以来以p x i 仪器总线为代表的多种多样仪器总线的影响远未达到 g p i b 和v x i 那样的广泛认同。这种情况亦妨碍了测量仪器系统构成的发展，无 论g p i b 或v x i 总线都需要更新和更好的仪器总线来代替，进入2 0 0 0 年这种需 求更加迫切，开发一种新一代的仪器总线是测量仪器业界的共同愿望【1 4 1 。 2 2l x i 总线的出现及其特点 l x i 是a g i l e n t 公司和v x i 科技公司在2 0 0 4 年9 月联合推出的新一代基于 l a n 的模块化平台标准。它是在g p i b 、v x i 、p x i 基础上发展起来的一种基于 以太网技术的测试系统体系结构【1 5 】。l x i 使用户能够快速、经济和高效地创建 和重新配置用于研发与制造领域的测试系统，将是未来的总线技术发展趋势。 9 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 2 2 1 网络技术的发展和在仪器方面的制约因素 测试领域的工程师们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r s 2 3 2 4 8 5 、u s b 、1 3 9 4 、l a n 等，其中互联网络是计算机技术中最为活 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1 ：3 ，性能不断提高而成本不断下降。l a n 接1 3 的优势是不可比拟的1 1 6 。 w 接口+ - 辈l “；阜= 半芒_ c _ 叫半写 1 i 1 9 7 2 1 叨q 蚓 l 泓 1969970 1 9 8 0 1 9 8 21 9 8 51 9 1 1 9 0 蜊l 朔1 泖如 绷 12 0 ： 啪 r a 嗖e t i l 删毗蚍3；- e l i i e 瞅一一- 咖一。漱 il i 1ii 图2 1 描述了仪器总线、计算机总线以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的多，而l a n 接口具有极长的寿命周 期和清晰的未来【17 1 。将仪器总线与计算机接口结合，最大限度地利用以太网络 的优势，已经是新一代仪器总线发展的必由之路。 虽然以太网在测试测量领域已经有所采用，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【ls 】： 以太网推出的初衷是在多台计算机之间共享和传输资源，i e e e 8 0 2 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， 工程上可采用诸如低冲突概率、网桥分段、e t h e r n e tp o w e r l i n k 等方法。 嵌入式以太网控制器技术的发展。嵌入式以太网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。 作为一个测试仪器的标准总线有许多更严格的要求，如v x i 、p x i 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。 l a n 要满足测试测量仪器的要求，还需要做很多工作。但随着业界对l a n 技术在仪器方面的应用不断看好，许多公司都做了大量的前期工作。 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 2 2 2l x i 总线的特点 l x i 最大的特点，就是将工业上已经非常成熟的以太网络作为测试系统的总 线，既有模块化的特点，可以方便的集成到以往的系统中使用，又可以作为单独 的仪器使用。此外，与传统的仪器总线相比，l x i 还具有以下优势【1 9 】： l x i 模块集成更为方便，不需要专用的机箱和0 槽计算机。 l x i 模块化可以利用网络界面精心操作，无需编程和其他虚拟面板。 l x i 模块连结和使用更为方便，可以利用通用的软件进行系统编程。 l x l 模块非常容易实现校准计量和故障诊断。 l x i 模块既能单独使用，又有模块化特点，可组成功能强大复杂的测试系统。 l x i 模块有利于保留使用已开发的核心技术，功能改进升级比较方便。 l x i 模块可以与老的平台集成在一起，安装在标准机架上。 l x i 模块可以分布在世界任何地方，从任何地方访问。 l x i 模块可大可小，小到一个模块，大到分布到世界各地，十分灵活。 测试项目改变时，l x i 在l a n 上的连接不必改变，从而缩短了测试系统的 组建时间。 连在l a n 上的l x i 模块可以采取分时方式工作，同时服务于不同的测试项 目。 那些功能强大、结构复杂、价格昂贵的l x i 模块，可供多个测试项目共享， 提高这类模块的利用率，降低成本。 提供分布式测试方式，可充分发挥测试系统中各模块的特点和优势。 l x i 平台生命中期长，用户投资有保证。用户可以长期获得开发部门的技术 支持，不必担心技术过时而被淘汰。 综上所述，l x i 将提供高可靠性、低成本、灵活紧凑、性能优异的自动测试 系统，它有着广阔的发展前景和竞争潜力，适合于各种规模的用户，既可用于小 用户，又可用于规模庞大复杂的用户，满足各方面科研开发、生产的需要，尤其 适用于分布在世界各地的研发机构和多个单位合作研究开发的生产项目，例如航 天航空、国防军事、能源、汽车、化工等各种工业项目、各领域的科学研究、医 疗卫生、环保、气象和消费电子项目。 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 2 2 3l x i 总线测试系统结构与传统测试系统的区别 如果采用v x i 总线或g p i b 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v x i 仪器、p x i 仪器或g p l b 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：每个节点需要一台 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。 e j i 暮薹亘司 l 口ll 口 _ | 匠j 匦函 13 9 4 。9 l8 1 1 苎 碍”f 一” ：= =。 目2 - 2r 统月* 系统结构 而在以l x i 为主的混合测试系统中，大多数监测点采用l x i 仪器来实现测 量和控制各个l x i 仪器直接连接到网络上，由于每个l x i 设备有自己的处理 器，所以监测节点处不需要终端计算机，已有的g p i b 、v x i 和p x i 授i 试系统可 以很容易地接a n 整个l x i 网络中来。采用l x 总线技术既简化了系统配置， 节约了系统资源，又增加了系统得灵活性”“。 ? 叫旺盛圈i ：卫 i 目2 * 3 “l x i 为f 寸* 台* i 试系统结构 丑 震 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 2 3l x i 规范 l x i 规范是指研制l x i 设备所必须遵循的规则，包括l x i 设备在物理、功 能、电气和软件等方面的规定。制定l x i 规范，是为了保证l x i 设备的兼容性， 提高系统性能并降低研发成本雎。在研发符合l x i 规范的设备时，必须全面了 解并完全遵守这些规范。 2 3 1 物理规范 l x i 物理规范规定了设备的机械、冷却和电气标准，从而避免用不同规范设 计时引起的互换性问题。 搀永灯 2 3 1 1机械规范 佰号 图2 - 4l 仪器功能模块的物理分布 尽管全宽度机架安装设备已有国际标准，但还没有半宽度机架安装设备标 准。因为许多l x i 设备是半宽度机架安装的，所以l x i 机械规范定义了半宽度 机架安装标准，以便用于设计半宽度l x i 设备。 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 图2 - 5l x i 设备的半宽度尺寸定义 半宽度l x i 设备各尺寸最大值如下”： 前盖宽度：2 1 59 m m 主体宽度：2 1 59 m m 总深度：依照i e c 标准 前盖深度：3 2 0 r a m 项部轨道凹进：16 m m 底部轨道凹进：40 r a m 2 3 12 冷却规范 、 、- u l x i 冷却规范规定设计l x i 设备时必须提供自冷却系统，所有冷空气应从 侧面板进入而从后面扳排出。 2 3 13 电气规范 电气规范定义了全部电源标准，包括连接器、开关、指示器和有关元件的类 型和位置。 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 表2 - 1l x i 电气规范 电气规范种类 l x i 电气规范的要求 电磁兼容性叫c 一致性l x 、i 羹墨慧霎蔫篇鼠勰星睿善嚣燃的标准。 输入电源 电源开关 l a n 配置初始化 l x i 设备应能在电压为1 0 0 - 2 4 0 v a c ( p j d s ) 和频率为4 7 - 6 6 h z 的单相交流电源上运行。 电源开关是可选的，如果有，则应位于后面板的右下角。 l x i 设备必须提供l a n 配置初始化机构，在激活 该机构时它将设备的网络配置置于缺省状态。 电源和连接器然锶蔫瓣骝篇骶嚣端撒湛劂跫嚣 过流保护器 如果需要保险丝或过流保护器，则必须将其 集成在输入电源连接器中或安置在它的附近 状态指示器 在鬓曼舞毳舞曩高是要涵昌装兽墓芝塞揣。 2 3 2 模块至模块的数据通信规范 本规范定义了模块至模块消息的数据格式。这些消息可以是l a n 上u d p 多点广播的数据包，或是通过点对点t c p 连接传送的数据包。每条消息都带有 时间标识，并表示系统中出现某事件。系统中的仪器可以按需要受程序控制广播 消息。 在l x i 模块到l x i 模块的通讯中，u d p 协议和t c p 协议使用的默认端口号 都是5 0 4 4 。在l x i 规范中规定模块到模块通讯的数据包中，还必须包含下列内 容，如图2 - 6 所示。 娄鋈l 域名l 专笋l 队列数l 时间戳l 蔷蒿i 标记字i 数据域i 嚣 图2 - 6 模块间通讯数据包内容 半波探测：占据3 字节的长度，用来作为该数据包有效性的判断。如果前两 个字节中包含的内容不是“l x ”，那么这个数据包就应该被忽略。 域名：占据l 字节的长度，作为无符号数使用，默认值是零。l x i 仪器的域 名值可以由用户设置，如果收到的数据包中域名值和l x i 仪器中设置的域名 值不一样，该数据包就会被忽略。 事件i d ：占据1 6 个字节的长度。它包含了在l x ia p i 中定义的事件名字符 串的前1 6 个字节。如果事件名不够1 6 个字节，不足的字节设置成零。 队列数：是一个3 2 位的无符号整数。每个仪器模块维持自己的队列数，当 第二章l x i 总线特点和l x i 规范 有数据包发送时，该队列数加l 。某些时候由于特殊的原因，数据包需要进 行重传，该重传的数据包中的队列数应该和原来传递该数据包的队列数一 致。 时间戳：占据1 0 个字节，它标识事件发生的时间。 1 5 8 8 时间：包含i e e e l 5 8 8 时间点的一个1 6 位无符号整数。 标志字：1 6 位无符号整数。各位定义如下： 位0 ：错误消息，如果设置成l ，象征该数据包是个错误消息。 位l ：重传，该位为l ，象征这是一个重传的数据包，以前已经发送过这个数 据包。 位2 ：硬件值，描述触发事件特征的逻辑值。 位3 ：确认位，如果设置成l ，象征着这个数据包是用来确认成功收到了数据 包的。 其余位暂时保留，应该设置成零。 数据域：数据长度：1 6 位无符号整型，表示后面接着的数据的长度。标识： 8 位无符号整型，用户定义的标识，标识后面跟着的数据类型。有效值位0 1 2 7 。用户数据：数据。数据长度不包括标识域本身。最后数据后面还要紧 跟占据两个字节的零值。 2 3 3 仪器驱动程序规范 l x i 仪器驱动程序规范规定，所有l x i 设备都必须提供l v l 规定的驱动程序。 i v i ( i n t e r c h a n g e a b l e v i r t u a li n s t r u m e n t s ，可互换虚拟仪器) 是在v p p ( v x i p l u g & p l a y ) 的基础上为仪器驱动程序制定的新的程序接1 3 标准，使应用程 序可以实现完全独立于硬件，独立于接口，大大提高了仪器驱动程序的执行效率。 i v i 驱动程序包括i v i 类驱动程序和i v i 特定驱动程序。i v i 特定驱动程序包 含有能控制某个特定仪器或一系列仪器的信息，并且能够直接同仪器硬件通信， 它包括i v i 类符合特定驱动程序和i v i 定制特定驱动程序。i v i 定制特定驱动程 是不符合任何i v i 规范的特定驱