LXI總線技術(shù)特點及其在分布式測試與診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：將LXI 技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)中可以很好地解決分布式測試和異構(gòu)測試系統(tǒng)的融合問題。本文從測試總線的發(fā)展著手，介紹了LXI 技術(shù)的優(yōu)點，較深入地分析了同步和觸發(fā)技術(shù)的原理以及在分布式測試系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：LXI 技術(shù)；IEEE-1588 時鐘同步；觸發(fā)；遠(yuǎn)程分布式測試；

1、引言

自從上世紀(jì)70 年代初，惠普公司推出GPIB 通用儀器總線以來，測試儀器的發(fā)展經(jīng)歷了GPIB總線、VXI總線和PXI總線等多種形式。采用這些總線技術(shù)組建的測試系統(tǒng)被廣泛地使用。但是，不管采用哪種技術(shù)的軍用自動測試系統(tǒng)都存在很多不足。如：GPIB儀器體積和重量大，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，且要用GPIB 卡和電纜來實現(xiàn)程控，成本較高；VXI 系統(tǒng)雖然有較小的體積和重量，通道數(shù)也很多，但是VXI 系統(tǒng)必須采用VXI 機箱、零槽控制器以及1394－PCI 接口卡才可實現(xiàn)程控，構(gòu)建系統(tǒng)的成本比較高；PXI 儀器雖然比VXI 儀器的體積小，重量輕，成本也低，但PXI 總線儀器的功能覆蓋面有限, 儀器品種也遠(yuǎn)比VXI 儀器少，通道數(shù)和電磁兼容性都比VXI 差[1]。另外，目前的軍用測試系統(tǒng)所面臨的共性問題是：測試設(shè)備ATE 與被測對象之間的距離受限制，不能太遠(yuǎn)，如果兩個被測對象離得較遠(yuǎn)就很難統(tǒng)一到一個測試系統(tǒng)中。尤其在遠(yuǎn)程分布式測試應(yīng)用中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。因此，研發(fā)具備網(wǎng)絡(luò)化測試能力的新一代儀器就成為必然。于是，安捷倫公司和VXI 科技公司共同合作，于2004年9 月14 日提出一種新型儀器接口規(guī)范，全稱為LAN-based Extensions for Instrumentation(局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴展)，簡稱LXI。它基于著名的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)，擴展了儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容；它集臺式儀器的內(nèi)置測量科學(xué)及PC 標(biāo)準(zhǔn)I/O 連通能力和基于插卡框架系統(tǒng)的模塊化和小尺寸于一身，構(gòu)成了一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹LXI 技術(shù)的優(yōu)點，LXI 總線的觸發(fā)和同步技術(shù)的原理及在遠(yuǎn)程分布式測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2、LXI 技術(shù)的優(yōu)點

2.1 提高了系統(tǒng)的吞吐率

GPIB 總線的數(shù)據(jù)傳輸速率小于1M 字節(jié)/s；1998 年修訂的VXI 規(guī)范 2.0 版本提供了64 位擴展能力，其背板的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)80Mbps，如果采用IEEE1394 總線連接計算機與VXI 設(shè)備，那么目前1394 總線的傳站速度可達(dá)100Mb/s； LXI 儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口傳遞數(shù)據(jù)，而網(wǎng)絡(luò)傳輸速度在過去15 年里從10Mb/s 發(fā)展到10Gb/s，而且向后兼容，所以采用LXI 總線技術(shù)將提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

除了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快之外，LXI 儀器還提供了兩種提升系統(tǒng)吞吐率的方法。第一種方法是軟件例程在 LXI 模塊內(nèi)運行，這就有可能在LXI 模塊中執(zhí)行基本分析功能，而航天測控只把結(jié)果（而非數(shù)據(jù)塊）送至主 PC。如有必要，高級例程可在通常比大多數(shù)LXI 模塊有更強計算能力的 PC 中運行。第二種方法是用 LXI 模塊間的對等通信協(xié)調(diào)它們的活動，從而消除因PC 處理所有消息而可能產(chǎn)
生的瓶頸。

2.2 結(jié)構(gòu)形式靈活

LXI 儀器在寬度上有半寬和全寬機架寬度兩種，在高度上有1U、2U、3U 和4U 幾種。因而能容易地將各種功能的模塊混裝在機柜中。也可放在夾具中，掛在墻上，或附在某些設(shè)備的小型裝置上。與VXI 和PXI 受限于特定模塊尺寸不同，LXI 的尺寸能完全符合應(yīng)用的需要。

2.3 提高了系統(tǒng)的靈活性并降低了成本

由于LXI 儀器的核心硬件技術(shù)與臺式儀器的核心硬件技術(shù)相同，所以在研發(fā)階段在臺式儀器上使用的測試方法和測試軟件同樣可以方便地移植到LXI 系統(tǒng)中，從而降低了重新編寫測試軟件和驗證系統(tǒng)性能的費用。在組建測試系統(tǒng)方面，LXI 模塊自帶了處理器、LAN 連接、電源和觸發(fā)器輸入；并且不需要機箱和零槽控制器，不需要專用接口卡和昂貴的電纜。這一改變?yōu)闇y試系統(tǒng)設(shè)計工程師提供了最佳的靈活性并且大大降低了成本，他們能按照需求添加新的LXI模塊而不用擔(dān)心機箱的電源功率是否足夠、散熱是否充分、或是否需要購買一套更大的機箱、或是否需要更換一個全新測試系統(tǒng)體系。從傳輸距離來看，點對點的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離是100m，利用交換機或集線器可以到200m，如果用光纖通訊可以達(dá)到幾千公里，所以，LXI 系統(tǒng)可以不受節(jié)點和距離的限制。

2.4 降低了測試系統(tǒng)的建立時間

LXI儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與計算機相連接，并且可以自動識別網(wǎng)線的極性；每個LXI儀器的IP地址可以手動設(shè)置，也可以在系統(tǒng)中自動分配，所以這就使得用LXI測試設(shè)備組建測試系統(tǒng)的時間大大減小，而且難度也降低了。

3、LXI 技術(shù)在分布式測試與故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

對于某武器系統(tǒng)試驗基地來講，整個試驗場地一周大約有幾十公里，甚至上百公里，試驗項目很多，如測速度，測加速度，測沖擊力，測功率和頻率，地面遙測遙控，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測如溫度、濕度、氣壓、風(fēng)力和風(fēng)向等等，總之，監(jiān)測點比較多而且又不集中在一起。對于這樣的試驗環(huán)境如果采用集中式的測量控制系統(tǒng)顯然是不可能的，因此要考慮分布式的測試系統(tǒng)。

如果采用VXI總線或GPIB總線的程控儀器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)要求在每個監(jiān)測點建立一套獨立的測試系統(tǒng)，分別由終端計算機和VXI儀器、PXI儀器或GPIB儀器組成，然后每個終端機和服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接，從而組成分布式測試系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點都由終端計算機控制，中心服務(wù)器不具備遠(yuǎn)程控制的能力；每個節(jié)點，不管監(jiān)測參數(shù)多少，哪怕只監(jiān)測一個參數(shù)，也得一臺計算機和一臺儀器組成測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造成系統(tǒng)資源浪費。

圖1 利用傳統(tǒng)儀器構(gòu)建的系統(tǒng)

經(jīng)過綜合考慮，本系統(tǒng)采用了以LXI總線為主，VXI和GPIB等其它總線為輔的混合總線體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在這個系統(tǒng)中，大多數(shù)監(jiān)測點采用LXI儀器來實現(xiàn)測量和控制，各個LXI儀器直接連接到網(wǎng)絡(luò)上，由于每個LXI設(shè)備有自己的處理器，所以監(jiān)測節(jié)點處不需要終端計算機。對于某些試驗項目，如導(dǎo)彈地面測試，有相對成熟的VXI或GPIB總線系統(tǒng)，為了節(jié)約成本，將這些系統(tǒng)也接入到LXI總線系統(tǒng)中。由于很多儀器供應(yīng)商提供了GPIB與LAN得轉(zhuǎn)換器，以及支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧悴劭刂破?，這就使已有的GPIB、VXI和PXI測試系統(tǒng)可以很容易地接入到整個LXI網(wǎng)絡(luò)中來。從圖2可以看出，采用LXI總線技術(shù)即簡化了系統(tǒng)配置，節(jié)約了系統(tǒng)資源，又增加了系統(tǒng)得靈活性。

圖2 分布式測試與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 同步測試的實現(xiàn)策略

在分布式測試與故障診斷系統(tǒng)中，同步測試、同步試驗是一個非常普遍的需求。VXI儀器可以通過背板總線觸發(fā)實現(xiàn)同步測試，但是這種方法對于同一機箱內(nèi)的模塊之間是可行的，對于不同機箱之間就難以實現(xiàn)同步。LXI儀器提供了三種同步觸發(fā)機制：網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)，IEEE－1588時鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線。下面將分析這三種機制的實現(xiàn)機理并提出遠(yuǎn)程測試與故障診斷系統(tǒng)的同步實現(xiàn)策略。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，多個LXI設(shè)備之間通過交換機或集線器連接在一起，網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)消息可以由計算機發(fā)給所有設(shè)備，或者由其中一個設(shè)備發(fā)給其它所有設(shè)備，這樣就可以實現(xiàn)一點對多點的觸發(fā)應(yīng)用，因為觸發(fā)消息在網(wǎng)絡(luò)間的傳遞是采用標(biāo)準(zhǔn)UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不需要網(wǎng)絡(luò)握手，所以網(wǎng)絡(luò)延時比采用TCP/IP協(xié)議時小的多；另外，觸發(fā)消息也可以由其中一個設(shè)備發(fā)給同一網(wǎng)段中的另一個設(shè)備，這是點對點的觸發(fā)方式。采用網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的優(yōu)點是：

1) 比通過軟件觸發(fā)有更大的靈活性

2) 不需要專門的觸發(fā)線

3) 沒有距離的限制

4) LXI模塊之間可以相互協(xié)調(diào)，排除了計算機處理速度的瓶頸影響，從而減小了網(wǎng)絡(luò)延時

圖3 網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 IEEE-1588 時鐘同步觸發(fā)

IEEE-1588的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)如圖4所示。在網(wǎng)絡(luò)中選擇其中一個LXI儀器做為主時鐘儀器，其它儀器為從時鐘儀器。同步原理如圖5所示。

圖4 IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步結(jié)構(gòu)圖

主時鐘向所有從時鐘發(fā)出一個同步信息包（簡稱SyncMessage 信息），而且這個信息包中包含有信息發(fā)出的精確時間，假設(shè)主時鐘發(fā)出信息包的精確時間為T1。

從時鐘接收同步信息包，假設(shè)從時鐘接收到信息包的時間為T2。T2=T1-offset＋delay1，delay1為網(wǎng)絡(luò)延時。

然后，從時鐘在T3時刻發(fā)出延時請求信息包（簡稱DelayMessage）,主時鐘在T4時刻收到這個信息包。T3=t4-offsetdelay2。delay2為網(wǎng)絡(luò)延時。

主時鐘最后給從時鐘發(fā)送一個延時響應(yīng)信息包（簡稱DelayResp）這個信息包中含有T4這個時間。

這樣，從時鐘就已知了T1、T2、T3和T4這四個變量，假設(shè)主、從時鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延時是對等的，可以用下面的公式計算出從時鐘與主時鐘之間的偏差，從而每個從時鐘校準(zhǔn)自己的時間。

Delay=(delay1+delay2)/2

Delay=(T2-T1+T4-T3)/2

Offset=T1-T2＋delay

在上面的公式計算中，我們假設(shè)了網(wǎng)絡(luò)延時是對等的，但在實際的工程應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)延時不可能完全相同，所以就存在主時鐘和從時鐘之間的同步誤差，這個誤差小于100ns[3]。

圖5 1588時鐘同步的原理圖

測試系統(tǒng)利用1588時鐘同步時，觸發(fā)信號是告訴各個器件何時啟動輸出它的信號,因為每個器件根據(jù)指定的時間啟動，而不是根據(jù)何時接收到以太網(wǎng)發(fā)出的命令來啟動，所以以太網(wǎng)的開銷或延遲時間對被觸發(fā)器件沒有影響。所以1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步觸發(fā)方式特別適用于分布式遠(yuǎn)距離同步數(shù)據(jù)采集等測試任務(wù)，不用單獨連接觸發(fā)電纜，且不受距離的限制。

3.2.3 LXI 觸發(fā)總線

LXI 觸發(fā)總線配置在A 級模塊,它是8線的多點低壓差分系統(tǒng)(M2LVDS) 總線,可將LXI 模塊配置成為觸發(fā)信號源或接收器,觸發(fā)總線接口亦可設(shè)置成“線或”邏輯。每個LXI 模塊都裝有輸入輸出連接器,可供模塊作菊形鏈接。LXI 觸發(fā)總線與VXI 和PXI的背板總線十分相似,它們可配置成串行總線或星形總線如圖6所示。這種觸發(fā)同步方法充分利用了VXI 和PXI 觸發(fā)總線的優(yōu)點，同步精度很高，主要取決于觸發(fā)總線的長度，大約是5ns/米。適用于測試儀器相互靠得很近的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖6 LXI觸發(fā)總線使用方法

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)、IEEE-1588時鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線三種方式的同步精度依次遞增。1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度小于100ns，觸發(fā)總線的同步精度是5ns/米，而網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的影響，同步誤差在毫秒級，所以在本系統(tǒng)中采用1588時鐘同步和觸發(fā)總線兩種方式相結(jié)合來實現(xiàn)同步測試。如果對于某個監(jiān)測點需要采集多個信號，而且具有同步要求，可以將LXI模塊采用觸發(fā)總線連接起來，控制計算機只要通過網(wǎng)絡(luò)啟動其中一臺儀器工作，其它儀器都可以實現(xiàn)同步工作；在不同監(jiān)測點之間可以通過IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議來實現(xiàn)整個系統(tǒng)得同步。

3.3 減小網(wǎng)絡(luò)延時的方法

LXI儀器采用網(wǎng)線與測試計算機相連接，所以數(shù)據(jù)傳輸距離要比GPIB儀器和VXI儀器遠(yuǎn)的多，可以說不受距離的限制。但是，隨之而來的問題是測試延時的問題，通常從計算機發(fā)出一個測試命令，到LXI儀器返回數(shù)據(jù)大約需要70us的時間，最長可達(dá)1ms，主要取決于網(wǎng)絡(luò)握手的速度。對于實時性要求高的測試系統(tǒng)來說，可以通過下面這些手段來減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延時對測試的影響。

1) 采用SCPI命令直接對LXI儀器進(jìn)行編程控制，可以提高速率，因為采用上層驅(qū)動程序時，需要將參數(shù)解析成SCPI命令。

2) 因為LAN Sockets的通訊機制決定了每次網(wǎng)絡(luò)通訊盡量采用大數(shù)據(jù)包，而盡量要較少傳遞數(shù)據(jù)包的次數(shù)，所以在與LXI儀器通訊時，可以將一連串命令放在一起，一次發(fā)送到儀器的內(nèi)存中，然后再用一個命令來驅(qū)動儀器執(zhí)行這個命令序列，這樣可以減少多次發(fā)送帶來的延時。

4、結(jié)束語

從自動測試系統(tǒng)的發(fā)展走向來看,滿足通用ATS 的商業(yè)化虛擬儀器模塊體系結(jié)構(gòu)正沿著GPIB、VXI、PXI和LXI 的方向不斷進(jìn)步。LXI 模塊化平臺標(biāo)準(zhǔn)將PXI和VXI 的體積小、LAN 的高吞吐率以及GPIB 的高性能集成在一起,同時又采用IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議很好地解決了同步觸發(fā)得問題，繼承了VXI、PXI儀器背板觸發(fā)的優(yōu)點，從而可以很好地滿足測試系統(tǒng)構(gòu)建的要求，尤其在遠(yuǎn)程分布式測試與故障診斷應(yīng)用中將發(fā)揮非常顯著的作用。作為測試系統(tǒng)發(fā)展的未來，以太網(wǎng)將扮演重要的角色。在未來幾年中我們將看到更多的“混合系統(tǒng)”， 既包括基于GPIB儀器和機架的堆疊式系統(tǒng)，也有VXI, LXI, PXI的系統(tǒng)，或是他們的組合。LXI 技術(shù)將以更低的成本提供更好的性能、兼容性和易用性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 黃云水. IEEE1588 精密時鐘同步分析.《國外電子測量技術(shù)》2005 年第24 卷第9期