LXI總線數(shù)據(jù)采集儀器技術(shù)介紹

LXI總線數(shù)據(jù)采集儀器技術(shù)介紹LXI總線研究的目的、背景和意義LXI（LANbasedExtensionsforInstrumentation局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）就是基于這樣的需求而產(chǎn)生的新一代測(cè)試儀器總線。LXI變革性的將成熟的以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。以太網(wǎng)的應(yīng)用及模塊化的思想使得LXI儀器具有可移動(dòng)、重組能力強(qiáng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備的小型化、組合化手段，可大大改善測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性和便攜性，解決測(cè)試連接電纜復(fù)雜等問(wèn)題。利用LXI的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分布式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可達(dá)到多測(cè)點(diǎn)情況下大規(guī)?？s減測(cè)試設(shè)備、降低操作復(fù)雜程度、精簡(jiǎn)測(cè)試人員的目的，通過(guò)新技術(shù)提高的傳輸速度實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控和排故，全面推動(dòng)多兵種、多型號(hào)背景下的通用化進(jìn)程，為未來(lái)裝備武器系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化提前做好準(zhǔn)備。構(gòu)建以LXI總線為基礎(chǔ)的可重構(gòu)、易組裝的合成儀器柔性測(cè)試系統(tǒng)也必將是下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向。LXI總線國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2004年9月14日，安捷倫技術(shù)公司和VXI技術(shù)公司聯(lián)合倡議成立LXI聯(lián)盟，并于2005年9月正式發(fā)布了LXI總線標(biāo)準(zhǔn)1.0版，標(biāo)志著LXI的誕生。LXI模塊化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI卡式儀器的小體積以及LAN的高速吞吐率，并考慮了定時(shí)、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求，是基于以太網(wǎng)絡(luò)的新一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)模塊化構(gòu)架平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。LXI儀器的世界主要生產(chǎn)廠商包括：安捷倫、VXITechnology、吉時(shí)利儀器、凌華、NI公司等。其中，安捷倫（Agilent）公司擁有強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力，為L(zhǎng)XI儀器的主要領(lǐng)導(dǎo)者和先驅(qū)。LXI已經(jīng)得到絕大多數(shù)電子儀器行業(yè)中領(lǐng)導(dǎo)廠商的支持，國(guó)內(nèi)外都把LXI作為下一代測(cè)試總線產(chǎn)品加以開(kāi)發(fā)研究。美國(guó)海軍統(tǒng)一自動(dòng)支援系統(tǒng)（CASS），配備在航空母艦和基地用于測(cè)試和維護(hù)飛行電子裝置，使用了第一批基于LXI標(biāo)準(zhǔn)的合成儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；陸軍的綜合測(cè)試設(shè)備系列（IFTE）總線系統(tǒng)、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的第三梯隊(duì)測(cè)試系統(tǒng)（TETS）的系統(tǒng)升級(jí)改造都已經(jīng)采用了LXI技術(shù)。國(guó)內(nèi)目前已有大約100所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和廠商加入了國(guó)際LXI聯(lián)盟，但目前設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的LXI測(cè)控系統(tǒng)還停留在工業(yè)生產(chǎn)和控制、電子產(chǎn)品生產(chǎn)和試驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，并且國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有成套系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例。航天一院、二院、六院等設(shè)計(jì)部門(mén)正在積極研究在型號(hào)測(cè)控應(yīng)用中采用LXI系統(tǒng)。1.3LXI總線儀器特點(diǎn)介紹及其在分布式測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1儀器總線技術(shù)的發(fā)展儀器總線在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制指令和測(cè)試數(shù)據(jù)流的傳送，它相當(dāng)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。從上世紀(jì)70年代至今的三十多年間，儀器總線隨著科學(xué)技術(shù)，特別是微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展幾經(jīng)更替，經(jīng)歷了幾個(gè)標(biāo)志性的階段。70年代初期，HP公司（Agilent公司前身）推出了GPIB（通用儀器總線），成為了第一代儀器總線IEEE488標(biāo)準(zhǔn)。GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸采用雙向異步傳輸方式，一根GPIB專用電纜采用菊花鏈的方式將不超過(guò)15臺(tái)的測(cè)試儀器連接成一個(gè)系統(tǒng)。GPIB總線歷史悠久，具有廣泛的軟硬件支持，幾乎所有的獨(dú)立儀器都配有GPIB接口，但是，GPIB總線無(wú)法提供多臺(tái)儀器同步和觸發(fā)的功能，在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)帶寬不足，且數(shù)據(jù)傳播速度較慢（＜1Mb/s），傳播受節(jié)點(diǎn)限制，通信距離有限（＜20m），價(jià)格也較昂貴，不適合于對(duì)系統(tǒng)要求較高的應(yīng)用，無(wú)法滿足分布式測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。80年代中期，由VXI總線聯(lián)合體推出了VXI總線（IEEE1515），成功地減小了儀器系統(tǒng)的尺寸，并推動(dòng)了模塊儀器系統(tǒng)的發(fā)展。VXI系統(tǒng)主要由主機(jī)箱、“0槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器和驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用組成新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊化、通用化以及可互換。但由于VXI機(jī)箱采用電纜與被測(cè)對(duì)象相連接，使得VXI機(jī)箱與被測(cè)對(duì)象的距離受到限制，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測(cè)試。90年代，NI公司綜合IEEE488和IEEE1515儀器總線的優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)外設(shè)總線PCI的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了PXI儀器總線。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，傳輸速度更快，體積更緊湊，設(shè)備成本更低。但由于PXI總線尚未被IEEE定為正式標(biāo)準(zhǔn)，缺乏儀器領(lǐng)域最有影響廠家如Agilent和Tektronix的參與。所以，PXI總線的發(fā)展和推廣受到了一定限制。可以說(shuō)GPIB、VXI、PXI儀器總線分別代表了計(jì)算機(jī)技術(shù)8位、16位、32位總線的相應(yīng)水平。進(jìn)入本世紀(jì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的爆炸式發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測(cè)試儀器總線與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交融，產(chǎn)生了開(kāi)放式的LXI測(cè)試儀器總線。儀器總線發(fā)展的歷程如圖2-1所示。圖2-1測(cè)試自動(dòng)化總線及局域網(wǎng)的發(fā)展歷程從圖2-1中可以看到，在測(cè)試自動(dòng)化總線技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，局域網(wǎng)也已經(jīng)從1969年的3MB演進(jìn)^010baseT、l00baseT及現(xiàn)在的千兆位局域網(wǎng)。由于時(shí)延問(wèn)題已經(jīng)成比例下降，而碼流的速度明顯要高于8位并行總線，因此局域網(wǎng)被視為傳送數(shù)據(jù)包的優(yōu)秀接口，使得基于LAN的LXI系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。LXI總線儀器特點(diǎn)LXI總線為高效能的儀器提供了一個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的LAN模塊式平臺(tái)，與傳統(tǒng)的模塊式和插卡式儀器相比，LXI總線儀器的特點(diǎn)有：（1）集成更為方便，不需要專用的機(jī)箱和控制器；（2）可以利用網(wǎng)絡(luò)界面操作，無(wú)需編制其他虛擬面板；（3）連結(jié)和使用更方便，可以利用通用的軟件進(jìn)行系統(tǒng)編程；（4）非常容易實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)計(jì)量和故障診斷；（5）靈活性強(qiáng)，可以作為系統(tǒng)儀器，也可以單獨(dú)使用；（6）可以與老的平臺(tái)集成在一起，安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上；（7）可以分布在世界任何地方，從任何地方進(jìn)行訪問(wèn)；（8）測(cè)試項(xiàng)目改變時(shí)，LXI在LAN上的連接不必改變，從而縮短了測(cè)試系統(tǒng)的組建時(shí)間。LXI總線與以往的儀器總線技術(shù)性能指標(biāo)的比較如表2-1所示。表2-1LXI總線與其他常用儀器總線技術(shù)性能指標(biāo)比較技術(shù)指標(biāo)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擊標(biāo)準(zhǔn)化分立式幾何形式小-中大中小一中小一中軟件規(guī)格無(wú)IEEE488.2VPPIVI-CIVI-COM互換性差差一般較強(qiáng)很狙系統(tǒng)成本低高中一高低一高低一中可見(jiàn)，LXI總線儀器融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI儀器的小體積以及LAN的高吞吐率，并具有標(biāo)準(zhǔn)的軟件規(guī)格、較高的互換性和較低的成本，是是構(gòu)筑新一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的理想平臺(tái)。LXI標(biāo)準(zhǔn)概述及其分類LXI聯(lián)盟是一個(gè)由業(yè)界領(lǐng)先的測(cè)量?jī)x器廠商、系統(tǒng)集成商和最終用戶共同組建的非盈利組織，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、支持和促進(jìn)LXI標(biāo)準(zhǔn)。LXI規(guī)范1.0版的內(nèi)容主要包括：（l）機(jī)械接口；（2）電氣接口；（3）冷卻條件；（4）基于以太網(wǎng)的同步與觸發(fā)；（5）數(shù)據(jù)通信格式；（6）硬件觸發(fā)；（7）軟件編程規(guī)范；（8）網(wǎng)絡(luò)配置和Web人機(jī)接口；（9）網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機(jī)制等。LXI標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：尺寸上，LXI儀器模塊一般是19英寸（1英寸=25.4mm）機(jī)柜全寬1U高、或者半寬1U或2U高；結(jié)構(gòu)上，信號(hào)從模塊前面板進(jìn)出，LAN接口、電源、觸發(fā)布置在儀器后面板；網(wǎng)絡(luò)配置上，LXI模塊的LAN端口必須遵從以太網(wǎng)IEEE802.3規(guī)則（推薦RJ-45連接器），推薦使用GbEthernetLAN,也允許10和100Mb的LAN,必須實(shí)現(xiàn)Auto-MDIX（自動(dòng)感知LAN電纜極性），在過(guò)渡期間，裝置上可放置說(shuō)明支持電纜極性的標(biāo)記；網(wǎng)絡(luò)通信上，使用TCP/IP協(xié)議IPv4版，支持IP（Internet協(xié)議）、TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP協(xié)議。LXI標(biāo)準(zhǔn)把LXI儀器分成了A、B、C三個(gè)等級(jí)，以滿足不同應(yīng)用的需求：＞等級(jí)C：具有通過(guò)LAN的編程控制能力，能夠與其他廠家的儀器協(xié)同工作;＞等級(jí)B：擁有等級(jí)C的一切能力，并支持IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議同步；＞等級(jí)A：擁有等級(jí)B的一切能力，同時(shí)具備觸發(fā)總線硬件觸發(fā)機(jī)制。表2-2表示了LXI這三個(gè)功能類的區(qū)別。表2-2LXI三個(gè)功能類的區(qū)別物理標(biāo)準(zhǔn)軟件接口Web接曰觸發(fā)接曰A類LXI同步接IIAPI（LAN觸發(fā)和線觸發(fā)）旬步配置網(wǎng)頁(yè)（［EEE1588參數(shù)和線性觸發(fā)參數(shù)）硬神觸爰總線B類電氣表針機(jī)械結(jié)構(gòu)環(huán)境要求EMC/EMILXI同步接口API（LAN觸發(fā)）同步配置網(wǎng)頁(yè)CIEEE1588參數(shù)和線性觸發(fā)參數(shù)）IEEE1588CLAN消息和基于時(shí)間的事件觸發(fā)）。美IVI驅(qū)動(dòng)程序歡迎網(wǎng)頁(yè)及LAN配置網(wǎng)頁(yè)LAN接曰符合IEEEB0.2LXI協(xié)會(huì)對(duì)儀器的三個(gè)等級(jí)的劃分，為用戶專用儀器的開(kāi)發(fā)和從傳統(tǒng)測(cè)試總線到LXI總線的過(guò)渡提供了極大的便利。從這三類儀器的劃分可看出，LXI標(biāo)準(zhǔn)具有三個(gè)重要特征：其一是標(biāo)準(zhǔn)化的LAN接口可提供基于網(wǎng)絡(luò)框架的接口與程序控制，該LAN接口可以是有線的，也可以是無(wú)線的，它支持同位操作，也支持主從操作；其二是基于IEEE1588精密時(shí)鐘同步的觸發(fā)機(jī)制，該機(jī)制可使模塊間的觸發(fā)達(dá)到ns級(jí)的同步；其三則是基于LVDS的電氣接口，該接口可以使模塊間的觸發(fā)通過(guò)硬件觸發(fā)總線來(lái)連接。本文對(duì)C類LXI儀器展開(kāi)研究，研究C類LXI儀器的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)C類LXI儀器的儀器驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)通信及web網(wǎng)頁(yè)控制，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)B、A類的LXI儀器打下基礎(chǔ)。LXI總線儀器技術(shù)特點(diǎn)LXI儀器是以LAN（局域網(wǎng)）為基礎(chǔ)，建立在IEEE802.3（以太網(wǎng)）和IEEE1588（觸發(fā)同步）技術(shù)之上，將成熟的以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中去，以代替VXI、PXI、GPIB這些傳統(tǒng)的測(cè)試總線技術(shù)。作為一種新的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)，LXI采用了多種先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，其中基于以太網(wǎng)技術(shù)是LXI總線技術(shù)的最大技術(shù)特點(diǎn)，而觸發(fā)與同步技術(shù)的應(yīng)用則使得LXI系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)互連的架構(gòu)下，保證網(wǎng)絡(luò)中各儀器之間的觸發(fā)同步和定時(shí)。2.4.1以太網(wǎng)技術(shù)隨著以太網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，其錯(cuò)誤檢測(cè)、診斷、遠(yuǎn)距離通信、高速數(shù)據(jù)傳輸（10Mbps/100Mbps甚至1000Mbps）、以及樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，都使得LXI總線比當(dāng)前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)串行總線和并行總線有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。連入以太網(wǎng)的LXI設(shè)備就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)與控制設(shè)備就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制，因此，設(shè)備除了具有普通的儀器特點(diǎn)以外，還具有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特點(diǎn)，主要包括以下幾個(gè)部分：（1） LXI儀器的IP配置每個(gè)LXI設(shè)備都有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，即IP地址，用戶通過(guò)IP地址來(lái)訪問(wèn)相應(yīng)的LXI儀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取和儀器控制，IP的配置方式有三種：靜態(tài)IP配置，DHCP配置及AutoIP配置，其中靜態(tài)IP配置是指由管理員手動(dòng)完成儀器IP配置，適用于簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；DHCP配置是由DHCP服務(wù)器來(lái)完成，在儀器初次啟動(dòng)時(shí)即可確定，之后不再更改，適用于使用以太網(wǎng)路由器的大型網(wǎng)絡(luò)；AutoIP配置是指在一定地址范圍內(nèi)隨機(jī)地給儀器分配一個(gè)IP地址，適用于由以太網(wǎng)交換機(jī)組建的小型網(wǎng)絡(luò)或者是由交叉電纜組建的主從儀器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但是由于IP地址是隨機(jī)給出的，所以當(dāng)儀器重新接入時(shí)分配到的是全新的IP地址,這不利于儀器的控制和程序的編寫(xiě)。（2） LXI儀器的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議儀器與儀器之間的通訊需要按照一定的協(xié)議來(lái)進(jìn)行，LXI設(shè)備之間的通訊遵循的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要是TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議為網(wǎng)際數(shù)據(jù)通信提供通路，實(shí)際上是一個(gè)由多種協(xié)議組成的協(xié)議組，它由三部分組成：（1）Internet協(xié)議（IP）；（2）傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議（UDP）；（3）處于TCP和UDP之上的一組協(xié)議，包括：TELNET，文件傳送協(xié)議（FTP）和域名服務(wù)（DNS）等許多協(xié)議。TCP/IP協(xié)議組規(guī)定了設(shè)備通訊的模式和數(shù)據(jù)傳輸方式，將設(shè)備之間的通訊分為幾個(gè)層次，按照層次體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。（3）LXI儀器的Web網(wǎng)頁(yè)界面用戶可利用最常用的網(wǎng)頁(yè)對(duì)LXI儀器進(jìn)行控制，只需在本地的主機(jī)上通過(guò)Web瀏覽器打開(kāi)一個(gè)空白網(wǎng)頁(yè)，然后輸入儀器的IP地址，就能夠登陸到該儀器的主頁(yè)，查看儀器的配置信息，并對(duì)其進(jìn)行控制，如修改配置信息、啟動(dòng)儀器、獲得數(shù)據(jù)結(jié)果以及升級(jí)軟件等。2.4.2觸發(fā)與同步技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題成為L(zhǎng)XI設(shè)備中需要解決的問(wèn)題，而運(yùn)用于LXI設(shè)備中的觸發(fā)與同步技術(shù)正好彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷，LXI設(shè)備共有下面4種觸發(fā)模式：（1） 基于驅(qū)動(dòng)程序命令觸發(fā)模式：利用控制計(jì)算機(jī)上驅(qū)動(dòng)程序接口直接將命令傳遞給模塊。適用于初級(jí)的LXI儀