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(diǎn)，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(shí)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(dòng)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(shí)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(jī)箱、零槽控制器以及1394－PCI 接口卡才可實(shí)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(gè)被測對象離得較遠(yuǎn)就很難統(tǒng)一到一個(gè)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(kuò)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(kuò)展了儀器需要的語言、命令、協(xié)議等內(nèi)容；它集臺(tái)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(dòng)測試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹LXI 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)

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(kuò)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(jì)算機(jī)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(yùn)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(qiáng)計(jì)算能力的 PC 中運(yùn)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(dòng)，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(jī)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(jī)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(tái)式儀器的核心硬件技術(shù)相同，所以在研發(fā)階段在臺(tái)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(yàn)證系統(tǒng)性能的費(fèi)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)箱、或是否需要更換一個(gè)全新測試系統(tǒng)體系。從傳輸距離來看，點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離是100m，利用交換機(jī)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(diǎn)和距離的限制。

2.4 降低了測試系統(tǒng)的建立時(shí)間

LXI儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)相連接，并且可以自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)線的極性；每個(gè)LXI儀器的IP地址可以手動(dòng)設(shè)置，也可以在系統(tǒng)中自動(dòng)分配，所以這就使得用LXI測試設(shè)備組建測試系統(tǒng)的時(shí)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(yàn)基地來講，整個(gè)試驗(yàn)場地一周大約有幾十公里，甚至上百公里，試驗(yàn)項(xiàng)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(diǎn)比較多而且又不集中在一起。對于這樣的試驗(yàn)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)建立一套獨(dú)立的測試系統(tǒng)，分別由終端計(jì)算機(jī)和VXI儀器、PXI儀器或GPIB儀器組成，然后每個(gè)終端機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)都由終端計(jì)算機(jī)控制，中心服務(wù)器不具備遠(yuǎn)程控制的能力；每個(gè)節(jié)點(diǎn)，不管監(jiān)測參數(shù)多少，哪怕只監(jiān)測一個(gè)參數(shù)，也得一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)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(fèi)。

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(gè)系統(tǒng)中，大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)采用LXI儀器來實(shí)現(xiàn)測量和控制，各個(gè)LXI儀器直接連接到網(wǎng)絡(luò)上，由于每個(gè)LXI設(shè)備有自己的處理器，所以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處不需要終端計(jì)算機(jī)。對于某些試驗(yàn)項(xiàng)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(gè)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(shí)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(yàn)是一個(gè)非常普遍的需求。VXI儀器可以通過背板總線觸發(fā)實(shí)現(xiàn)同步測試，但是這種方法對于同一機(jī)箱內(nèi)的模塊之間是可行的，對于不同機(jī)箱之間就難以實(shí)現(xiàn)同步。LXI儀器提供了三種同步觸發(fā)機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)，IEEE－1588時(shí)鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線。下面將分析這三種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)機(jī)理并提出遠(yuǎn)程測試與故障診斷系統(tǒng)的同步實(shí)現(xiàn)策略。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)

實(shí)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(gè)LXI設(shè)備之間通過交換機(jī)或集線器連接在一起，網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)消息可以由計(jì)算機(jī)發(fā)給所有設(shè)備，或者由其中一個(gè)設(shè)備發(fā)給其它所有設(shè)備，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的觸發(fā)應(yīng)用，因?yàn)橛|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(shí)比采用TCP/IP協(xié)議時(shí)小的多；另外，觸發(fā)消息也可以由其中一個(gè)設(shè)備發(fā)給同一網(wǎng)段中的另一個(gè)設(shè)備，這是點(diǎn)對點(diǎn)的觸發(fā)方式。采用網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)處理速度的瓶頸影響，從而減小了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

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(shí)鐘同步觸發(fā)

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

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

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

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

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

主時(shí)鐘最后給從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)延時(shí)響應(yīng)信息包（簡稱DelayResp）這個(gè)信息包中含有T4這個(gè)時(shí)間。

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

Delay=(delay1+delay2)/2

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

Offset=T1-T2＋delay

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

圖5 1588時(shí)鐘同步的原理圖

測試系統(tǒng)利用1588時(shí)鐘同步時(shí)，觸發(fā)信號是告訴各個(gè)器件何時(shí)啟動(dòng)輸出它的信號,因?yàn)槊總€(gè)器件根據(jù)指定的時(shí)間啟動(dòng)，而不是根據(jù)何時(shí)接收到以太網(wǎng)發(fā)出的命令來啟動(dòng)，所以以太網(wǎng)的開銷或延遲時(shí)間對被觸發(fā)器件沒有影響。所以1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(dú)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(shí)的影響，同步誤差在毫秒級，所以在本系統(tǒng)中采用1588時(shí)鐘同步和觸發(fā)總線兩種方式相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)同步測試。如果對于某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)需要采集多個(gè)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(jì)算機(jī)只要通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)其中一臺(tái)儀器工作，其它儀器都可以實(shí)現(xiàn)同步工作；在不同監(jiān)測點(diǎn)之間可以通過IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)得同步。

3.3 減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的方法

LXI儀器采用網(wǎng)線與測試計(jì)算機(jī)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(shí)的問題，通常從計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)測試命令，到LXI儀器返回?cái)?shù)據(jù)大約需要70us的時(shí)間，最長可達(dá)1ms，主要取決于網(wǎng)絡(luò)握手的速度。對于實(shí)時(shí)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(shí)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?yàn)椴捎蒙蠈域?qū)動(dòng)程序時(shí)，需要將參數(shù)解析成SCPI命令。

2) 因?yàn)長AN Sockets的通訊機(jī)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(shí)，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(gè)命令來驅(qū)動(dòng)儀器執(zhí)行這個(gè)命令序列，這樣可以減少多次發(fā)送帶來的延時(shí)。

4、結(jié)束語

從自動(dòng)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(tái)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(shí)又采用IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)，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(jī)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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[2] 新一代組合儀表的自動(dòng)測試系統(tǒng)發(fā)展方向. 第十四屆全國測試與故障診斷技術(shù)研討會(huì)論文集

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