探索LXI接口的高級功能

摘要： 最新的LXI規(guī)范能夠為測試與測量的通信技術帶來革命性的變革。通過LXI能夠使基于LAN的測試儀器完成更復雜的測試功能。當與最新一代的測試儀器結合使用時，基于LXI的系統(tǒng)能夠完成高級的測試功能，這些功能對于非LXI測試系統(tǒng)而言是很難實現(xiàn)的。本文將通過一個測試系統(tǒng)樣機來說明：具有嵌入式測試腳本處理功能的測試觸發(fā)技術是如何構成功能強大、結構靈活的基于LXI的測試測量工具的。

關鍵詞： LXI；接口；以太網(wǎng)；測試測量

LXI 測試與測量系統(tǒng)

LXI(LAN Extensions for Instrumentation)聯(lián)盟是為制訂并推動測試測量設備通過LAN互聯(lián)的標準而成立的一個組織，該聯(lián)盟的目標是消除當前測試標準中的諸多限制因素。LXI聯(lián)盟并不是圍繞某種特定的架構制訂一種規(guī)范，其重點目標是制訂一個能夠兼容各種測試測量設備(從簡單模塊與綜合工具到復雜的高性能儀器系統(tǒng))，利于系統(tǒng)集成與儀器互操作性的可擴展性框架。

LXI從幾個方面幫助測試工程師克服常規(guī)測試測量系統(tǒng)架構的局限性。首先，LXI系統(tǒng)利用以太局域網(wǎng)作為設備的互聯(lián)通路，消除了互聯(lián)設備數(shù)量上的限制。其次，幾乎所有的電腦上都帶有以太網(wǎng)接口，因此利用已有的以太網(wǎng)基礎架構進行設備互聯(lián)能夠避免增加接口適配卡所帶來的高昂成本。另外，以太網(wǎng)接口還具有良好的擴展性，以太網(wǎng)也能夠輕松支持物理上分布的系統(tǒng)。實現(xiàn)一個兼容LXI標準的最簡以太網(wǎng)接口的成本很低，如果用戶需要還可以實現(xiàn)高性能的以太網(wǎng)接口，使得低速和高速設備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫的系統(tǒng)集成。利用以太網(wǎng)互連技術，不需要將設備和其控制器緊密放置在一起，從而減少了大型系統(tǒng)中的控制器數(shù)量，但是如果采用機架式系統(tǒng)或基于GPIB/USB/串口的互連結構來實現(xiàn)，那么必須要將設備和其控制器緊密放置在一起。

測量系統(tǒng)的架構

單控制器測試測量系統(tǒng)

在基于單控制器的架構中，控制器可以通過多種方式與測試設備進行連接，采用IEEE-488(GPIB)標準是當前最流行的做法，但是也可以通過串口、USB和其他接口來實現(xiàn)。一般的應用只用PC機來采集和存儲測量數(shù)據(jù)，比較復雜的應用使用PC機來完成數(shù)據(jù)采集、處理、分析，并將結果提交給用戶等一系列的處理步驟。控制器也具有采集、分析大數(shù)據(jù)集并提交結果等額外的處理功能。由于控制器與所有的儀器相連，因此可以實現(xiàn)比較復雜的和交叉的測試序列。

在必要的時候，控制器可以向測試儀器發(fā)送控制命令，從而動態(tài)修改測量操作及其執(zhí)行的順序，以響應某些實時事件(例如前一次測量的結果)?？刂破骺梢栽L問測量儀器的數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進行合并、處理和分析等操作，以得到更有意義的測量結果。

圖1 基于單個PC機的架構

但是，這種架構對于較大和較復雜的應用而言卻具有一些局限性。這種系統(tǒng)中的儀器或通道的數(shù)量受限于控制器的物理容量。由于所有的數(shù)據(jù)和命令都要流過控制器的通信通道，因此最大的數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)速率就會受限于系統(tǒng)帶寬。最終，由于互連帶寬的限制，在采用GPIB、USB和其他專用通信接口的系統(tǒng)中，所有的設備在物理上必須緊密放置在一起。在機架式系統(tǒng)中這種互連的局限性就更強了。

在規(guī)模較小、功能簡單的系統(tǒng)中采用這種單控制器的架構存在諸多缺陷。僅僅為了執(zhí)行一個簡單的測試序列，就在系統(tǒng)中增加一臺PC機或工作站以協(xié)同幾臺測試儀器，似乎有些小題大做。為PC機開發(fā)軟件還會增加系統(tǒng)成本，從而使得這種架構喪失對小規(guī)模簡單系統(tǒng)的吸引力。

多控制器的測試測量系統(tǒng)

對于規(guī)模較大、物理上分散分布、或者需要處理大數(shù)據(jù)集和/或高數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)而言，增加更多的處理器是避免單控制器架構問題的一種常用方法。增加處理器可以增加系統(tǒng)中的通道數(shù)量，增大控制與數(shù)據(jù)的帶寬。將系統(tǒng)劃分成多個子系統(tǒng)降低了軟件的復雜性和開發(fā)成本，因為每個子系統(tǒng)只需要考慮自身的一部分系統(tǒng)功能而不必將它們緊密放置在一起。這種多控制器的系統(tǒng)消除了單控制器系統(tǒng)存在的諸多限制。

多控制器結構也存在某些局限性和不足，這與其架構關系不大，而是受限于當前測試測量的實現(xiàn)方式。實現(xiàn)測量子系統(tǒng)有兩種主要方式：采用一臺PC機或工作站，附帶一些采用GPIB/串口/USB連接的測試儀器；或者采用PXI、VXI和其他基于模塊儀器的解決方案。有時候，如果最小的子系統(tǒng)對于應用而言過于龐大的話，那么上述兩種實現(xiàn)方式都是不合適的，它們實現(xiàn)的系統(tǒng)難以向下收縮。

圖2 多控制器系統(tǒng)實現(xiàn)

探索LXI的高級功能

我們可以采用LXI設備來實現(xiàn)現(xiàn)有的測量架構，與其它采用GPIB接口進行設備互連的測試系統(tǒng)不同的是，LXI并不需要一個隱含的或顯式的常規(guī)控制器作為測試系統(tǒng)的一部分。從網(wǎng)絡互連的角度來看，LXI設備都是對等的，任意一臺LXI設備都可以直接向其他LXI設備發(fā)送消息，不需要配置傳統(tǒng)意義上的控制器。

LXI采用對等的通信模式來實現(xiàn)A級和B級LXI設備所需的局域網(wǎng)觸發(fā)功能(C級設備可選)。一臺LXI設備可以通過局域網(wǎng)向任意一臺或多臺LXI設備發(fā)送觸發(fā)命令。這就提供了一種與常規(guī)儀器中硬連線觸發(fā)方式類似的同步機制，但是卻消除了硬連線信號在物理距離上的局限性。局域網(wǎng)觸發(fā)器也可以用于那些對時序要求不是很嚴格的非分布式系統(tǒng)中。此時，局域網(wǎng)觸發(fā)器的性能是可以接受的，而且相比硬連線觸發(fā)方式降低了系統(tǒng)成本和開銷。

LXI規(guī)范建議：各個設備應該實現(xiàn)統(tǒng)一的觸發(fā)模型，以提高局域網(wǎng)觸發(fā)器(和所有其他觸發(fā)器)的可用性，降低系統(tǒng)集成的開銷。在統(tǒng)一的觸發(fā)模型下，我們可以通過多個不同觸發(fā)事件中的一個來啟動某次儀器操作。

對于具有腳本處理功能的設備，在LXI局域網(wǎng)觸發(fā)消息中添加一些負載信息能夠?qū)崿F(xiàn)更大的靈活性。這種負載信息可以是一段較短的測試腳本，即一段可執(zhí)行代碼，在收到觸發(fā)消息時執(zhí)行。也可以是某個已經(jīng)預先載入目標設備的較長測試腳本的名稱，然后在收到觸發(fā)消息時執(zhí)行。

新的架構類型

由于LXI不需要在測試系統(tǒng)中配置傳統(tǒng)的控制器，并且定義了對等的消息發(fā)送和觸發(fā)功能，因此用戶就可以構建出新的測試系統(tǒng)架構。

圖3給出了一個簡單的測試系統(tǒng)，其中包含兩個可編程的LXI儀器和一個DUT(待測設備)。其中的LXI儀器是可編程的，載入了應用程序。這些儀器可以利用局域網(wǎng)觸發(fā)機制來協(xié)同它們的操作(另外，如果它們是A級或B級設備，則應利用IEEE-1588同步時鐘和/或基于時標的觸發(fā)機制)。處理結果可以顯示在用戶接口的面板上或網(wǎng)頁上，或者通過局域網(wǎng)傳給另外一個系統(tǒng)。

圖3 簡單的LXI系統(tǒng)實現(xiàn)

圖4給出了圖2中測試系統(tǒng)的一個修改版本，將其中一個子系統(tǒng)替換成圖3中的簡單測試系統(tǒng)。圖4說明了具有腳本處理功能的LXI儀器去掉了每個子系統(tǒng)所需的獨立控制器，提高系統(tǒng)的擴展性。

圖4 采用LXI實現(xiàn)的多控制器系統(tǒng)

應用實例

本文通過幾個系統(tǒng)實例來說明LXI新架構的優(yōu)勢。

生產(chǎn)測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)由兩臺與測試夾具相連的測試儀器組成。測試夾具裝有一個機械裝置，能夠快速地輸送器件流通過夾具進行測試。待測的器件有多種類型，隨機混合在一起。每種類型的器件需要兩臺測試儀器執(zhí)行不同的測試步驟和測試參數(shù)。

常規(guī)的測試系統(tǒng)需要給兩臺測試儀、測試夾具和機械裝置增加一個控制器。在測試開始的時候，控制器向第一臺儀器發(fā)出命令，識別待測器件并讀回結果。然后，控制器向兩臺儀器發(fā)出適當?shù)拿盍?，根?jù)器件類型控制相應的測試操作。發(fā)給兩臺儀器的命令流必須正確地交錯發(fā)出，并要由控制器進行同步協(xié)調(diào)。

相反，采用具有腳本處理功能的測試儀和基于LXI的測試系統(tǒng)不需要控制器。每臺測試儀帶有自己的身份編號，能夠像智能儀器那樣，不依靠外部控制器的命令而工作。每臺儀器都可以保存變量，處理條件事件，啟動外部事件。用戶可以根據(jù)應用的特定需要定義儀器的功能。如果需要的話，也可以使用其他的局域網(wǎng)觸發(fā)機制進行同步。

相比傳統(tǒng)的設計方案，LXI系統(tǒng)的運行速度快得多。由于在等待控制指令從控制器發(fā)送到測試儀的時候不會產(chǎn)生延遲，因此LXI儀器可以運行在最大速度模式下。另外，整個系統(tǒng)的成本也大大降低了，所需的編程工作也比較簡單和容易，因為整個系統(tǒng)實現(xiàn)被分割成了多個小規(guī)模的、相對獨立的子系統(tǒng)。

科學實驗系統(tǒng)

該科學實驗是用來探測宇宙粒子的，也非常適合采用基于LXI的系統(tǒng)來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)中安裝在一個大容器內(nèi)，配置了幾百個彼此獨立的探測器，每個探測器連接到一臺具有腳本處理功能的LXI儀器上。其中任何一個探測器都能夠檢測到偶發(fā)粒子，通過分析探測器的信號就加以識別。當某次事件出現(xiàn)時，系統(tǒng)必須記錄下恰好從該事件發(fā)生前到發(fā)生后幾秒時段內(nèi)所有傳感器的測量結果。每個傳感器必須以每秒100,000次測量的速度進行采樣。測試儀器通過網(wǎng)絡連接到一個中央控制器上。

在基于LXI的實現(xiàn)方案中，一旦實驗開始，每臺測試儀就會按照所需的速率開始采樣傳感器，將讀數(shù)存儲在一個循環(huán)緩沖器內(nèi)，最老的讀數(shù)在30秒后就會被覆蓋。每個讀數(shù)都帶有IEEE-1588同步時鐘的時間戳。運行在測試儀上的腳本能夠近乎實時地分析采樣數(shù)據(jù)，判斷是否探測到粒子。當某臺測試儀探測到粒子時，它立刻發(fā)送一條局域網(wǎng)觸發(fā)信息給所有其他測試儀，其中包含了指示本次事件起始點的時間戳。

在收到局域網(wǎng)觸發(fā)信息后，每臺測試儀都將在該事件時間點加上5秒的時候停止采樣傳感器，從而凍結其緩沖器內(nèi)所需的數(shù)據(jù)。中央控制器也會收到探測出該事件的儀器發(fā)出的局域網(wǎng)觸發(fā)信息，然后開始收集所有測試儀的相關數(shù)據(jù)。收集完成后，控制器通知所有的測試儀重新開始測試工作，科學實驗系統(tǒng)具有很高的效率。

基于LXI的測試方案采用局域網(wǎng)觸發(fā)機制來進行同步和控制操作，IEEE-1588同步時鐘提供了記錄一次事件時在控制器內(nèi)重新排列數(shù)據(jù)所需的精確時間戳。如果探測器的數(shù)量非常多，數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)率很高，那么傳統(tǒng)實現(xiàn)方案的效率就很低，并且浪費資源。

腳本處理的LXI原型機

我們通過一個測試系統(tǒng)原型機來說明的LXI高級傳輸功能。該原型機的硬件系統(tǒng)是一塊商用的開發(fā)板，其中配置了Intel PXA255微處理器，運行Windows CE 4.20。一段采用Windows sockets編程的簡短C語言程序負責執(zhí)行測試工作并記錄測試結果。該原型機還實現(xiàn)了一種商用的嵌入式腳本語言。系統(tǒng)的控制器一端由一臺Windows XP的筆記本電腦(Pentium M，1.4GHz)來模擬。另外一段簡短的C程序執(zhí)行控制器一端的測試工作。所有的同步時序都通過外部的局域網(wǎng)分析儀進行了驗證。

LXI局域網(wǎng)的觸發(fā)性能

我們測量了各種情況下一條局域網(wǎng)觸發(fā)報文從控制器傳輸?shù)皆拖到y(tǒng)所需的時間。表1給出了所測試的組合情況與測量結果。

表1的結果是100次試驗的平均值，在繁忙網(wǎng)絡測試中控制器與原型系統(tǒng)連接到一個繁忙企業(yè)網(wǎng)絡的兩個不同區(qū)段中，在獨立網(wǎng)絡的測試中，它們僅通過集線器相互連接在一起，數(shù)據(jù)包大小包括43字節(jié)的LXI局域網(wǎng)觸發(fā)報文頭數(shù)據(jù)。

測試結果表明，該原型機傳輸一條帶有最小數(shù)據(jù)負載的局域網(wǎng)觸發(fā)報文所需的時間平均略小于0.6ms。不同的網(wǎng)絡流量、網(wǎng)絡速度和協(xié)議類型對結果的影響不大。當報文大小增加到512字節(jié)時，這些變化的因素就產(chǎn)生了較大的影響，最明顯的是增大了網(wǎng)絡流量。

人們一般認為，使用以太網(wǎng)實現(xiàn)測試測量系統(tǒng)通常具有很大的延時。這里，延時指的是從一個節(jié)點發(fā)出一條消息到目標節(jié)點收到該消息之間的時間延遲。表1表明，以太網(wǎng)具有較大的首字節(jié)延時。雖然這種延時對某些應用存在問題，但是通過適當?shù)南到y(tǒng)配置和測試設計可以處理這種延時。另外，表1中的數(shù)據(jù)表示的不是低延時性能的水平，而是中等性能硬件的非優(yōu)化水平。表1不但給出了由于首字節(jié)延時而產(chǎn)生的延遲，而且也說明了采用具有腳本處理功能的儀器是如何減輕延時影響的。在傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中，控制器發(fā)送大量的短消息給測試儀。對于具有腳本處理功能的測試儀，控制器就可以使用較少但較長的消息傳送整個腳本，然后啟動該腳本操作。

腳本傳輸性能

如表2的結果所示，相比每次傳輸一條指令，將腳本一次性傳輸?shù)綔y試儀上所需的傳輸時間大大減少了。這意味著即使腳本必須在測試過程中進行傳輸而不是提前加載，LXI以太網(wǎng)系統(tǒng)中具有腳本處理功能的測試儀也具有大幅度的性能提升。

時間的單位是毫秒，表2的結果是100次試驗的平均值，所有的測試都在100 Base T獨立網(wǎng)絡中進行，一次性發(fā)送腳本需要三個數(shù)據(jù)包，每次發(fā)送一條指令需要150個數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包大小限制為最大512字節(jié)。

結語

我們推薦的LXI規(guī)范定義了豐富的功能，使得基于局域網(wǎng)互連的測試儀能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的測試與測量功能。諸如局域網(wǎng)觸發(fā)、統(tǒng)一的觸發(fā)模型、對等的消息傳遞和IEEE-1588時鐘同步等特性，為測試測量系統(tǒng)的設計者提供了全新的手段，為設計者和用戶帶來了實實在在的好處。