LXI总线技术特点及其在分布式测试与诊断系统中的应用研究

1、引言

    自从上世纪70 年代初，惠普公司推出GPIB 通用仪器总线以来，测试仪器的发展经历了 GPIB总线、 VXI总线和 PXI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军用自动测试系统都存在很多不足。如：GPIB仪器体积和重量大，数据传输速度慢，且要用GPIB 卡和电缆来实现程控，成本较高；VXI 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，构建系统的成本比较高；PXI 仪器虽然比VXI 仪器的体积小，重量轻，成本也低，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]。另外，目前的军用测试系统所面临的共性问题是：测试设备ATE 与被测对象之间的距离受限制，不能太远，如果两个被测对象离得较远就很难统一到一个测试系统中。尤其在远程分布式测试应用中系统结构很复杂。因此，研发具备网络化测试能力的新一代仪器就成为必然。于是，安捷伦公司和VXI 科技公司共同合作，于2004年9 月14 日提出一种新型仪器接口规范，全称为LAN-based Extensions for Instrumentation(局域网技术在仪器领域的扩展)，简称LXI。它基于著名的工业标准以太网（Ethernet）技术，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容；它集台式仪器的内置测量科学及PC 标准I/O 连通能力和基于插卡框架系统的模块化和小尺寸于一身，构成了一种适用于自动测试系统的新一代模块化仪器平台标准。本文将介绍LXI 技术的优点，LXI 总线的触发和同步技术的原理及在远程分布式测试系统中的应用。

2、LXI 技术的优点
  2.1 提高了系统的吞吐率
       GPIB 总线的数据传输速率小于1M 字节/s；1998 年修订的VXI 规范 2.0 版本提供了64 位扩展能力，其背板的数据传输速率可达80Mbps，如果采用IEEE1394 总线连接计算机与VXI 设备，那么目前1394 总线的传站速度可达100Mb/s； LXI 仪器采用标准的以太网接口传递数据，而网络传输速度在过去15 年里从10Mb/s 发展到10Gb/s，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。

      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。第一种方法是软件例程在 LXI 模块内运行，这就有可能在LXI 模块中执行基本分析功能，而航天测控只把结果（而非数据块）送至主 PC。如有必要，高级例程可在通常比大多数LXI 模块有更强计算能力的 PC 中运行。第二种方法是用 LXI 模块间的对等通信协调它们的活动，从而消除因PC 处理所有消息而可能产
生的瓶颈。

  2.2 结构形式灵活
       LXI 仪器在宽度上有半宽和全宽机架宽度两种，在高度上有1U、2U、3U 和4U 几种。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。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。

  2.3 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，点对点的网络传输距离是100m，利用交换机或集线器可以到200m，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。

  2.4 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；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。

3、LXI 技术在分布式测试与故障诊断系统中的应用
  3.1 系统的总体结构
       对于某武器系统试验基地来讲，整个试验场地一周大约有几十公里，甚至上百公里，试验项目很多，如测速度，测加速度，测冲击力，测功率和频率，地面遥测遥控，环境参数监测如温度、湿度、气压、风力和风向等等，总之，监测点比较多而且又不集中在一起。对于这样的试验环境如果采用集中式的测量控制系统显然是不可能的，因此要考虑分布式的测试系统。

       如果采用VXI总线或GPIB总线的程控仪器结构，如图1所示。这种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 利用传统仪器构建的系统[page]

       经过综合考虑，本系统采用了以LXI总线为主，VXI和GPIB等其它总线为辅的混合总线体系结构，如图2所示。在这个系统中，大多数监测点采用LXI仪器来实现测量和控制，各个LXI仪器直接连接到网络上，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。对于某些试验项目，如导弹地面测试，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。由于很多仪器供应商提供了GPIB与LAN得转换器，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2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，又增加了系统得灵活性。

图2 分布式测试与故障诊断系统结构

  3.2 同步测试的实现策略
       在分布式测试与故障诊断系统中，同步测试、同步试验是一个非常普遍的需求。VXI仪器可以通过背板总线触发实现同步测试，但是这种方法对于同一机箱内的模块之间是可行的，对于不同机箱之间就难以实现同步。LXI仪器提供了三种同步触发机制：网络消息触发，IEEE－1588时钟同步触发和触发总线。下面将分析这三种机制的实现机理并提出远程测试与故障诊断系统的同步实现策略。

  3.2.1 网络消息触发
       实现网络消息触发的系统结构如图3所示，多个LXI设备之间通过交换机或集线器连接在一起，网络触发消息可以由计算机发给所有设备，或者由其中一个设备发给其它所有设备，这样就可以实现一点对多点的触发应用，因为触发消息在网络间的传递是采用标准UDP网络协议，不需要网络握手，所以网络延时比采用TCP/IP协议时小的多；另外，触发消息也可以由其中一个设备发给同一网段中的另一个设备，这是点对点的触发方式。采用网络消息触发的优点是：

1) 比通过软件触发有更大的灵活性
2) 不需要专门的触发线
3) 没有距离的限制
4) LXI模块之间可以相互协调，排除了计算机处理速度的瓶颈影响，从而减小了网络延时
 

图3 网络消息触发的系统结构图

  3.2.2 IEEE-1588 时钟同步触发
       IEEE-1588的时钟同步网络拓补结构如图4所示。在网络中选择其中一个LXI仪器做为主时钟仪器，其它仪器为从时钟仪器。同步原理如图5所示。
 

图4 IEEE-1588网络时钟同步结构图

       主时钟向所有从时钟发出一个同步信息包（简称SyncMessage 信息），而且这个信息包中包含有信息发出的精确时间，假设主时钟发出信息包的精确时间为T1。

      从时钟接收同步信息包，假设从时钟接收到信息包的时间为T2。T2=T1-offset＋delay1，delay1为网络延时。

      然后，从时钟在T3时刻发出延时请求信息包（简称DelayMessage）,主时钟在T4时刻收到这个信息包。T3=t4-offsetdelay2。delay2为网络延时。

       主时钟最后给从时钟发送一个延时响应信息包（简称DelayResp）这个信息包中含有T4这个时间。[page]

       这样，从时钟就已知了T1、T2、T3和T4这四个变量，假设主、从时钟之间的网络延时是对等的，可以用下面的公式计算出从时钟与主时钟之间的偏差，从而每个从时钟校准自己的时间。

    Delay=(delay1+delay2)/2
    Delay=(T2-T1+T4-T3)/2
    Offset=T1-T2＋delay

       在上面的公式计算中，我们假设了网络延时是对等的，但在实际的工程应用中，网络延时不可能完全相同，所以就存在主时钟和从时钟之间的同步误差，这个误差小于100ns[3]。

 图5 1588时钟同步的原理图

       测试系统利用1588时钟同步时，触发信号是告诉各个器件何时启动输出它的信号,因为每个器件根据指定的时间启动，而不是根据何时接收到以太网发出的命令来启动，所以以太网的开销或延迟时间对被触发器件没有影响。所以1588网络时钟同步触发方式特别适用于分布式远距离同步数据采集等测试任务，不用单独连接触发电缆，且不受距离的限制。

  3.2.3 LXI 触发总线
        LXI 触发总线配置在A 级模块,它是8线的多点低压差分系统(M2LVDS) 总线,可将LXI 模块配置成为触发信号源或接收器,触发总线接口亦可设置成“线或”逻辑。每个LXI 模块都装有输入输出连接器,可供模块作菊形链接。LXI 触发总线与VXI 和PXI的背板总线十分相似,它们可配置成串行总线或星形总线如图6所示。这种触发同步方法充分利用了VXI 和PXI 触发总线的优点，同步精度很高，主要取决于触发总线的长度，大约是5ns/米。适用于测试仪器相互靠得很近的应用系统。

 图6 LXI触发总线使用方法

       综上所述，网络消息触发、IEEE-1588时钟同步触发和触发总线三种方式的同步精度依次递增。1588网络时钟同步精度小于100ns，触发总线的同步精度是5ns/米，而网络消息触发由于受到网络传输延时的影响，同步误差在毫秒级，所以在本系统中采用1588时钟同步和触发总线两种方式相结合来实现同步测试。如果对于某个监测点需要采集多个信号，而且具有同步要求，可以将LXI模块采用触发总线连接起来，控制计算机只要通过网络启动其中一台仪器工作，其它仪器都可以实现同步工作；在不同监测点之间可以通过IEEE-1588网络时钟同步协议来实现整个系统得同步。

  3.3 减小网络延时的方法
       LXI仪器采用网线与测试计算机相连接，所以数据传输距离要比GPIB仪器和VXI仪器远的多，可以说不受距离的限制。但是，随之而来的问题是测试延时的问题，通常从计算机发出一个测试命令，到LXI仪器返回数据大约需要70us的时间，最长可达1ms，主要取决于网络握手的速度。对于实时性要求高的测试系统来说，可以通过下面这些手段来减小网络传输延时对测试的影响。

1) 采用SCPI命令直接对LXI仪器进行编程控制，可以提高速率，因为采用上层驱动程序时，需要将参数解析成SCPI命令。

2) 因为LAN Sockets的通讯机制决定了每次网络通讯尽量采用大数据包，而尽量要较少传递数据包的次数，所以在与LXI仪器通讯时，可以将一连串命令放在一起，一次发送到仪器的内存中，然后再用一个命令来驱动仪器执行这个命令序列，这样可以减少多次发送带来的延时。

4、结束语
        从自动测试系统的发展走向来看,满足通用ATS 的商业化虚拟仪器模块体系结构正沿着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网络时钟同步协议很好地解决了同步触发得问题，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。作为测试系统发展的未来，以太网将扮演重要的角色。在未来几年中我们将看到更多的“混合系统”， 既包括基于GPIB仪器和机架的堆叠式系统，也有VXI, LXI, PXI的系统，或是他们的组合。LXI 技术将以更低的成本提供更好的性能、兼容性和易用性。

参考文献
[1] 李行善. 基于局域网的自动测试设备组建技术[A].计算机测量与控制.2006.14（1）
[2] 新一代组合仪表的自动测试系统发展方向. 第十四届全国测试与故障诊断技术研讨会论文集
[3] 黄云水. IEEE1588 精密时钟同步分析.《国外电子测量技术》2005 年第24 卷第9期