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

1、引言

自從上世紀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，如果兩個被測對象離得較遠就很難統(tǒng)一到一個測試系統(tǒng)中。尤其在遠程分布式測試應(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)標準以太網(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)置測量科學及PC 標準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準。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100Mb/s； LXI 儀器采用標準的以太網(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儀器采用標準的以太網(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、風力和風向等等，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)牧悴劭刂破鳎@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。