探索LXI接口的高級功能

摘要： 最新的LXI規范能夠為測試與測量的通信技術(shù)帶來(lái)革命性的變革。通過(guò)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(shí)，基于LXI的系統能夠完成高級的測試功能，這些功能對于非LXI測試系統而言是很難實(shí)現的。本文將通過(guò)一個(gè)測試系統樣機來(lái)說(shuō)明：具有嵌入式測試腳本處理功能的測試觸發(fā)技術(shù)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(guān)鍵詞： LXI；接口；以太網(wǎng)；測試測量

LXI 測試與測量系統

LXI(LAN Extensions for Instrumentation)聯(lián)盟是為制訂并推動(dòng)測試測量設備通過(guò)LAN互聯(lián)的標準而成立的一個(gè)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范，其重點(diǎn)目標是制訂一個(gè)能夠兼容各種測試測量設備(從簡(jiǎn)單模塊與綜合工具到復雜的高性能儀器系統)，利于系統集成與儀器互操作性的可擴展性框架。

LXI從幾個(gè)方面幫助測試工程師克服常規測試測量系統架構的局限性。首先，LXI系統利用以太局域網(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(jìn)行設備互聯(lián)能夠避免增加接口適配卡所帶來(lái)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。實(shí)現一個(gè)兼容LXI標準的最簡(jiǎn)以太網(wǎng)接口的成本很低，如果用戶(hù)需要還可以實(shí)現高性能的以太網(wǎng)接口，使得低速和高速設備能夠實(shí)現無(wú)縫的系統集成。利用以太網(wǎng)互連技術(shù)，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中的控制器數量，但是如果采用機架式系統或基于GPIB/USB/串口的互連結構來(lái)實(shí)現，那么必須要將設備和其控制器緊密放置在一起。

測量系統的架構

單控制器測試測量系統

在基于單控制器的架構中，控制器可以通過(guò)多種方式與測試設備進(jìn)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(guò)串口、USB和其他接口來(lái)實(shí)現。一般的應用只用PC機來(lái)采集和存儲測量數據，比較復雜的應用使用PC機來(lái)完成數據采集、處理、分析，并將結果提交給用戶(hù)等一系列的處理步驟?？刂破饕簿哂胁杉?、分析大數據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(shí)現比較復雜的和交叉的測試序列。

在必要的時(shí)候，控制器可以向測試儀器發(fā)送控制命令，從而動(dòng)態(tài)修改測量操作及其執行的順序，以響應某些實(shí)時(shí)事件(例如前一次測量的結果)?？刂破骺梢栽L(fǎng)問(wèn)測量?jì)x器的數據，可以對數據進(jìn)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(gè)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。這種系統中的儀器或通道的數量受限于控制器的物理容量。由于所有的數據和命令都要流過(guò)控制器的通信通道，因此最大的數據容量和數據速率就會(huì )受限于系統帶寬。最終，由于互連帶寬的限制，在采用GPIB、USB和其他專(zhuān)用通信接口的系統中，所有的設備在物理上必須緊密放置在一起。在機架式系統中這種互連的局限性就更強了。

在規模較小、功能簡(jiǎn)單的系統中采用這種單控制器的架構存在諸多缺陷。僅僅為了執行一個(gè)簡(jiǎn)單的測試序列，就在系統中增加一臺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(kāi)發(fā)軟件還會(huì )增加系統成本，從而使得這種架構喪失對小規模簡(jiǎn)單系統的吸引力。

多控制器的測試測量系統

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

多控制器結構也存在某些局限性和不足，這與其架構關(guān)系不大，而是受限于當前測試測量的實(shí)現方式。實(shí)現測量子系統有兩種主要方式：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(shí)候，如果最小的子系統對于應用而言過(guò)于龐大的話(huà)，那么上述兩種實(shí)現方式都是不合適的，它們實(shí)現的系統難以向下收縮。

圖2 多控制器系統實(shí)現

探索LXI的高級功能

我們可以采用LXI設備來(lái)實(shí)現現有的測量架構，與其它采用GPIB接口進(jìn)行設備互連的測試系統不同的是，LXI并不需要一個(gè)隱含的或顯式的常規控制器作為測試系統的一部分。從網(wǎng)絡(luò )互連的角度來(lái)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，不需要配置傳統意義上的控制器。

LXI采用對等的通信模式來(lái)實(shí)現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(guò)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儀器中硬連線(xiàn)觸發(fā)方式類(lèi)似的同步機制，但是卻消除了硬連線(xiàn)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(shí)序要求不是很?chē)栏竦姆欠植际较到y中。此時(shí)，局域網(wǎng)觸發(fā)器的性能是可以接受的，而且相比硬連線(xiàn)觸發(fā)方式降低了系統成本和開(kāi)銷(xiāo)。

LXI規范建議：各個(gè)設備應該實(shí)現統一的觸發(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，降低系統集成的開(kāi)銷(xiāo)。在統一的觸發(fā)模型下，我們可以通過(guò)多個(gè)不同觸發(fā)事件中的一個(gè)來(lái)啟動(dòng)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實(shí)現更大的靈活性。這種負載信息可以是一段較短的測試腳本，即一段可執行代碼，在收到觸發(fā)消息時(shí)執行。也可以是某個(gè)已經(jīng)預先載入目標設備的較長(cháng)測試腳本的名稱(chēng)，然后在收到觸發(fā)消息時(shí)執行。

新的架構類(lèi)型

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

圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的測試系統，其中包含兩個(gè)可編程的LXI儀器和一個(gè)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(lái)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(shí)鐘和/或基于時(shí)標的觸發(fā)機制)。處理結果可以顯示在用戶(hù)接口的面板上或網(wǎng)頁(yè)上，或者通過(guò)局域網(wǎng)傳給另外一個(gè)系統。

圖3 簡(jiǎn)單的LXI系統實(shí)現

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

圖4 采用LXI實(shí)現的多控制器系統

應用實(shí)例

本文通過(guò)幾個(gè)系統實(shí)例來(lái)說(shuō)明LXI新架構的優(yōu)勢。

生產(chǎn)測試系統

該系統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(gè)機械裝置，能夠快速地輸送器件流通過(guò)夾具進(jìn)行測試。待測的器件有多種類(lèi)型，隨機混合在一起。每種類(lèi)型的器件需要兩臺測試儀器執行不同的測試步驟和測試參數。

常規的測試系統需要給兩臺測試儀、測試夾具和機械裝置增加一個(gè)控制器。在測試開(kāi)始的時(shí)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)出適當的命令流，根據器件類(lèi)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(jìn)行同步協(xié)調。

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(dòng)外部事件。用戶(hù)可以根據應用的特定需要定義儀器的功能。如果需要的話(huà)，也可以使用其他的局域網(wǎng)觸發(fā)機制進(jìn)行同步。

相比傳統的設計方案，LXI系統的運行速度快得多。由于在等待控制指令從控制器發(fā)送到測試儀的時(shí)候不會(huì )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(gè)系統的成本也大大降低了，所需的編程工作也比較簡(jiǎn)單和容易，因為整個(gè)系統實(shí)現被分割成了多個(gè)小規模的、相對獨立的子系統。

科學(xué)實(shí)驗系統

該科學(xué)實(shí)驗是用來(lái)探測宇宙粒子的，也非常適合采用基于LXI的系統來(lái)實(shí)現。整個(gè)系統中安裝在一個(gè)大容器內，配置了幾百個(gè)彼此獨立的探測器，每個(gè)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(gè)探測器都能夠檢測到偶發(fā)粒子，通過(guò)分析探測器的信號就加以識別。當某次事件出現時(shí)，系統必須記錄下恰好從該事件發(fā)生前到發(fā)生后幾秒時(shí)段內所有傳感器的測量結果。每個(gè)傳感器必須以每秒100,000次測量的速度進(jìn)行采樣。測試儀器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到一個(gè)中央控制器上。

在基于LXI的實(shí)現方案中，一旦實(shí)驗開(kāi)始，每臺測試儀就會(huì )按照所需的速率開(kāi)始采樣傳感器，將讀數存儲在一個(gè)循環(huán)緩沖器內，最老的讀數在30秒后就會(huì )被覆蓋。每個(gè)讀數都帶有IEEE-1588同步時(shí)鐘的時(shí)間戳。運行在測試儀上的腳本能夠近乎實(shí)時(shí)地分析采樣數據，判斷是否探測到粒子。當某臺測試儀探測到粒子時(shí)，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(diǎn)的時(shí)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(shí)間點(diǎn)加上5秒的時(shí)候停止采樣傳感器，從而凍結其緩沖器內所需的數據。中央控制器也會(huì )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(kāi)始收集所有測試儀的相關(guān)數據。收集完成后，控制器通知所有的測試儀重新開(kāi)始測試工作，科學(xué)實(shí)驗系統具有很高的效率。

基于LXI的測試方案采用局域網(wǎng)觸發(fā)機制來(lái)進(jìn)行同步和控制操作，IEEE-1588同步時(shí)鐘提供了記錄一次事件時(shí)在控制器內重新排列數據所需的精確時(shí)間戳。如果探測器的數量非常多，數據量很大，數據率很高，那么傳統實(shí)現方案的效率就很低，并且浪費資源。

腳本處理的LXI原型機

我們通過(guò)一個(gè)測試系統原型機來(lái)說(shuō)明的LXI高級傳輸功能。該原型機的硬件系統是一塊商用的開(kāi)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(jiǎn)短C語(yǔ)言程序負責執行測試工作并記錄測試結果。該原型機還實(shí)現了一種商用的嵌入式腳本語(yǔ)言。系統的控制器一端由一臺Windows XP的筆記本電腦(Pentium M，1.4GHz)來(lái)模擬。另外一段簡(jiǎn)短的C程序執行控制器一端的測試工作。所有的同步時(shí)序都通過(guò)外部的局域網(wǎng)分析儀進(jìn)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)報文從控制器傳輸到原型系統所需的時(shí)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(luò )測試中控制器與原型系統連接到一個(gè)繁忙企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)不同區段中，在獨立網(wǎng)絡(luò )的測試中，它們僅通過(guò)集線(xiàn)器相互連接在一起，數據包大小包括43字節的LXI局域網(wǎng)觸發(fā)報文頭數據。

測試結果表明，該原型機傳輸一條帶有最小數據負載的局域網(wǎng)觸發(fā)報文所需的時(shí)間平均略小于0.6ms。不同的網(wǎng)絡(luò )流量、網(wǎng)絡(luò )速度和協(xié)議類(lèi)型對結果的影響不大。當報文大小增加到512字節時(shí)，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(luò )流量。

人們一般認為，使用以太網(wǎng)實(shí)現測試測量系統通常具有很大的延時(shí)。這里，延時(shí)指的是從一個(gè)節點(diǎn)發(fā)出一條消息到目標節點(diǎn)收到該消息之間的時(shí)間延遲。表1表明，以太網(wǎng)具有較大的首字節延時(shí)。雖然這種延時(shí)對某些應用存在問(wèn)題，但是通過(guò)適當的系統配置和測試設計可以處理這種延時(shí)。另外，表1中的數據表示的不是低延時(shí)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延時(shí)而產(chǎn)生的延遲，而且也說(shuō)明了采用具有腳本處理功能的儀器是如何減輕延時(shí)影響的。在傳統的測試系統中，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(cháng)的消息傳送整個(gè)腳本，然后啟動(dòng)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，將腳本一次性傳輸到測試儀上所需的傳輸時(shí)間大大減少了。這意味著(zhù)即使腳本必須在測試過(guò)程中進(jìn)行傳輸而不是提前加載，LXI以太網(wǎng)系統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(shí)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(luò )中進(jìn)行，一次性發(fā)送腳本需要三個(gè)數據包，每次發(fā)送一條指令需要150個(gè)數據包。數據包大小限制為最大512字節。

結語(yǔ)

我們推薦的LXI規范定義了豐富的功能，使得基于局域網(wǎng)互連的測試儀能夠實(shí)現復雜的測試與測量功能。諸如局域網(wǎng)觸發(fā)、統一的觸發(fā)模型、對等的消息傳遞和IEEE-1588時(shí)鐘同步等特性，為測試測量系統的設計者提供了全新的手段，為設計者和用戶(hù)帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的好處。