LXI总线数据采集仪器技术介绍

LXI总线数据采集仪器技术介绍LXI总线研究的目的、背景和意义LXI（LANbasedExtensionsforInstrumentation局域网技术在仪器领域的扩展）就是基于这样的需求而产生的新一代测试仪器总线。LXI变革性的将成熟的以太网技术应用到自动测试系统中。以太网的应用及模块化的思想使得LXI仪器具有可移动、重组能力强、维修方便等优点，通过设备的小型化、组合化手段，可大大改善测试系统的机动性、灵活性和便携性，解决测试连接电缆复杂等问题。利用LXI的优势进行分布式测试系统设计，可达到多测点情况下大规模缩减测试设备、降低操作复杂程度、精简测试人员的目的，通过新技术提高的传输速度实现多测点远程测试、监控和排故，全面推动多兵种、多型号背景下的通用化进程，为未来装备武器系统全面实现数字化、信息化提前做好准备。构建以LXI总线为基础的可重构、易组装的合成仪器柔性测试系统也必将是下一代自动测试系统的发展方向。LXI总线国内外研究现状2004年9月14日，安捷伦技术公司和VXI技术公司联合倡议成立LXI联盟，并于2005年9月正式发布了LXI总线标准1.0版，标志着LXI的诞生。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仪器的世界主要生产厂商包括：安捷伦、VXITechnology、吉时利仪器、凌华、NI公司等。其中，安捷伦（Agilent）公司拥有强大的技术实力，为LXI仪器的主要领导者和先驱。LXI已经得到绝大多数电子仪器行业中领导厂商的支持，国内外都把LXI作为下一代测试总线产品加以开发研究。美国海军统一自动支援系统（CASS），配备在航空母舰和基地用于测试和维护飞行电子装置，使用了第一批基于LXI标准的合成仪器自动测试系统；陆军的综合测试设备系列（IFTE）总线系统、海军陆战队的第三梯队测试系统（TETS）的系统升级改造都已经采用了LXI技术。国内目前已有大约100所大学、研究机构和厂商加入了国际LXI联盟，但目前设计和生产的LXI测控系统还停留在工业生产和控制、电子产品生产和试验等应用场合，并且国内目前还没有成套系统在航天领域的应用案例。航天一院、二院、六院等设计部门正在积极研究在型号测控应用中采用LXI系统。1.3LXI总线仪器特点介绍及其在分布式测试系统中的应用2.1仪器总线技术的发展仪器总线在自动测试系统中负责控制指令和测试数据流的传送，它相当于自动测试系统的中枢系统，在自动测试系统中起着至关重要的作用。从上世纪70年代至今的三十多年间，仪器总线随着科学技术，特别是微电子和计算机技术的发展几经更替，经历了几个标志性的阶段。70年代初期，HP公司（Agilent公司前身）推出了GPIB（通用仪器总线），成为了第一代仪器总线IEEE488标准。GPIB总线的数据传输采用双向异步传输方式，一根GPIB专用电缆采用菊花链的方式将不超过15台的测试仪器连接成一个系统。GPIB总线历史悠久，具有广泛的软硬件支持，几乎所有的独立仪器都配有GPIB接口，但是，GPIB总线无法提供多台仪器同步和触发的功能，在传输大量数据时带宽不足，且数据传播速度较慢（＜1Mb/s），传播受节点限制，通信距离有限（＜20m），价格也较昂贵，不适合于对系统要求较高的应用，无法满足分布式测试系统的发展。80年代中期，由VXI总线联合体推出了VXI总线（IEEE1515），成功地减小了仪器系统的尺寸，并推动了模块仪器系统的发展。VXI系统主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统，实现了仪器模块化、通用化以及可互换。但由于VXI机箱采用电缆与被测对象相连接，使得VXI机箱与被测对象的距离受到限制，不能进行远距离的测试。90年代，NI公司综合IEEE488和IEEE1515仪器总线的优点，在计算机外设总线PCI的基础上实现了PXI仪器总线。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，传输速度更快，体积更紧凑，设备成本更低。但由于PXI总线尚未被IEEE定为正式标准，缺乏仪器领域最有影响厂家如Agilent和Tektronix的参与。所以，PXI总线的发展和推广受到了一定限制。可以说GPIB、VXI、PXI仪器总线分别代表了计算机技术8位、16位、32位总线的相应水平。进入本世纪，计算机网络技术的爆炸式发展，使得传统的测试仪器总线与网络技术交融，产生了开放式的LXI测试仪器总线。仪器总线发展的历程如图2-1所示。图2-1测试自动化总线及局域网的发展历程从图2-1中可以看到，在测试自动化总线技术发展的同时，局域网也已经从1969年的3MB演进^010baseT、l00baseT及现在的千兆位局域网。由于时延问题已经成比例下降，而码流的速度明显要高于8位并行总线，因此局域网被视为传送数据包的优秀接口，使得基于LAN的LXI系统更有优势。LXI总线仪器特点LXI总线为高效能的仪器提供了一个自动化测试系统的LAN模块式平台，与传统的模块式和插卡式仪器相比，LXI总线仪器的特点有：（1）集成更为方便，不需要专用的机箱和控制器；（2）可以利用网络界面操作，无需编制其他虚拟面板；（3）连结和使用更方便，可以利用通用的软件进行系统编程；（4）非常容易实现校准计量和故障诊断；（5）灵活性强，可以作为系统仪器，也可以单独使用；（6）可以与老的平台集成在一起，安装在标准机架上；（7）可以分布在世界任何地方，从任何地方进行访问；（8）测试项目改变时，LXI在LAN上的连接不必改变，从而缩短了测试系统的组建时间。LXI总线与以往的仪器总线技术性能指标的比较如表2-1所示。表2-1LXI总线与其他常用仪器总线技术性能指标比较技术指标PC-DAQGPIBVXIPXILX1吞吐率MB/S1.3284013212.5(Fast)】25fcigabit)物理形式板卡式分立式插卡式插卡击标准化分立式几何形式小-中大中小一中小一中软件规格无IEEE488.2VPPIVI-CIVI-COM互换性差差一般较强很狙系统成本低高中一高低一高低一中可见，LXI总线仪器融合了GPIB仪器的高性能、VXI/PXI仪器的小体积以及LAN的高吞吐率，并具有标准的软件规格、较高的互换性和较低的成本，是是构筑新一代自动测试系统的理想平台。LXI标准概述及其分类LXI联盟是一个由业界领先的测量仪器厂商、系统集成商和最终用户共同组建的非盈利组织，其目标是开发、支持和促进LXI标准。LXI规范1.0版的内容主要包括：（l）机械接口；（2）电气接口；（3）冷却条件；（4）基于以太网的同步与触发；（5）数据通信格式；（6）硬件触发；（7）软件编程规范；（8）网络配置和Web人机接口；（9）网络发现机制等。LXI标准中规定：尺寸上，LXI仪器模块一般是19英寸（1英寸=25.4mm）机柜全宽1U高、或者半宽1U或2U高；结构上，信号从模块前面板进出，LAN接口、电源、触发布置在仪器后面板；网络配置上，LXI模块的LAN端口必须遵从以太网IEEE802.3规则（推荐RJ-45连接器），推荐使用GbEthernetLAN,也允许10和100Mb的LAN,必须实现Auto-MDIX（自动感知LAN电缆极性），在过渡期间，装置上可放置说明支持电缆极性的标记；网络通信上，使用TCP/IP协议IPv4版，支持IP（Internet协议）、TCP（传输控制协议）和UDP协议。LXI标准把LXI仪器分成了A、B、C三个等级，以满足不同应用的需求：＞等级C：具有通过LAN的编程控制能力，能够与其他厂家的仪器协同工作;＞等级B：拥有等级C的一切能力，并支持IEEE1588精确时间协议同步；＞等级A：拥有等级B的一切能力，同时具备触发总线硬件触发机制。表2-2表示了LXI这三个功能类的区别。表2-2LXI三个功能类的区别物理标准软件接口Web接曰触发接曰A类LXI同步接IIAPI（LAN触发和线触发）旬步配置网页（［EEE1588参数和线性触发参数）硬神触爰总线B类电气表针机械结构环境要求EMC/EMILXI同步接口API（LAN触发）同步配置网页CIEEE1588参数和线性触发参数）IEEE1588CLAN消息和基于时间的事件触发）。美IVI驱动程序欢迎网页及LAN配置网页LAN接曰符合IEEEB0.2LXI协会对仪器的三个等级的划分，为用户专用仪器的开发和从传统测试总线到LXI总线的过渡提供了极大的便利。从这三类仪器的划分可看出，LXI标准具有三个重要特征：其一是标准化的LAN接口可提供基于网络框架的接口与程序控制，该LAN接口可以是有线的，也可以是无线的，它支持同位操作，也支持主从操作；其二是基于IEEE1588精密时钟同步的触发机制，该机制可使模块间的触发达到ns级的同步；其三则是基于LVDS的电气接口，该接口可以使模块间的触发通过硬件触发总线来连接。本文对C类LXI仪器展开研究，研究C类LXI仪器的特点及关键技术，主要实现C类LXI仪器的仪器驱动、网络接口、网络通信及web网页控制，为后续实现B、A类的LXI仪器打下基础。LXI总线仪器技术特点LXI仪器是以LAN（局域网）为基础，建立在IEEE802.3（以太网）和IEEE1588（触发同步）技术之上，将成熟的以太网技术应用到自动测试系统中去，以代替VXI、PXI、GPIB这些传统的测试总线技术。作为一种新的仪器总线标准，LXI采用了多种先进的软硬件技术，其中基于以太网技术是LXI总线技术的最大技术特点，而触发与同步技术的应用则使得LXI系统在网络互连的架构下，保证网络中各仪器之间的触发同步和定时。2.4.1以太网技术随着以太网技术的日益成熟，其错误检测、诊断、远距离通信、高速数据传输（10Mbps/100Mbps甚至1000Mbps）、以及树形拓扑结构等，都使得LXI总线比当前广泛应用的计算机串行总线和并行总线有着无可比拟的优越性。连入以太网的LXI设备就相当于网络中的一个节点，打开与控制设备就是对网络节点的控制，因此，设备除了具有普通的仪器特点以外，还具有网络设备的特点，主要包括以下几个部分：（1） LXI仪器的IP配置每个LXI设备都有一个网络地址，即IP地址，用户通过IP地址来访问相应的LXI仪器，实现数据获取和仪器控制，IP的配置方式有三种：静态IP配置，DHCP配置及AutoIP配置，其中静态IP配置是指由管理员手动完成仪器IP配置，适用于简单的网络结构；DHCP配置是由DHCP服务器来完成，在仪器初次启动时即可确定，之后不再更改，适用于使用以太网路由器的大型网络；AutoIP配置是指在一定地址范围内随机地给仪器分配一个IP地址，适用于由以太网交换机组建的小型网络或者是由交叉电缆组建的主从仪器之间的点对点通信，但是由于IP地址是随机给出的，所以当仪器重新接入时分配到的是全新的IP地址,这不利于仪器的控制和程序的编写。（2） LXI仪器的网络通信协议仪器与仪器之间的通讯需要按照一定的协议来进行，LXI设备之间的通讯遵循的是网络协议，主要是TCP/IP协议。TCP/IP协议为网际数据通信提供通路，实际上是一个由多种协议组成的协议组，它由三部分组成：（1）Internet协议（IP）；（2）传输控制协议（TCP）和用户数据报文协议（UDP）；（3）处于TCP和UDP之上的一组协议，包括：TELNET，文件传送协议（FTP）和域名服务（DNS）等许多协议。TCP/IP协议组规定了设备通讯的模式和数据传输方式，将设备之间的通讯分为几个层次，按照层次体系结构来实现数据传输的过程。（3）LXI仪器的Web网页界面用户可利用最常用的网页对LXI仪器进行控制，只需在本地的主机上通过Web浏览器打开一个空白网页，然后输入仪器的IP地址，就能够登陆到该仪器的主页，查看仪器的配置信息，并对其进行控制，如修改配置信息、启动仪器、获得数据结果以及升级软件等。2.4.2触发与同步技术在网络结构下，以太网的实时性问题成为LXI设备中需要解决的问题，而运用于LXI设备中的触发与同步技术正好弥补了这个缺陷，LXI设备共有下面4种触发模式：（1） 基于驱动程序命令触发模式：利用控制计算机上驱动程序接口直接将命令传递给模块。适用于初级的LXI仪