在推动电子测量仪器技术发展过程中,从70年代初至2000年代初的三十多年中,先后出现GPIB(通用仪器总线,IEEE488标准)、VXI(VME总线的仪器扩展,IEEE1515标准)和PXI(PCI总线的仪器扩展)三种开放式仪器总线,2005年9月LXI联盟发布LXI(LAN的仪器扩展)标准1.0版本,标志着测量仪器的新一代开放总线标准的到来。LXI标准继承前面三种开放式总线的优点,在局域网标准(IEEE802.3)基础上增加测量仪器系统所需的功能,扩展成为性能强大的结构灵活的开放式平台,LXI联盟发布的LXI标准1.0版本详细规定物理结构、机械接口、同步定时、软件界面、网络组成、触发、电磁兼容的各项标准。
LXI联盟和LXI标准
LXI联盟成立于2004年9月,由安捷伦科技和VXI科技两家公司发起,获得十多家著名测量仪器公司响应,宗旨是制订适应二十一世纪测量仪器的新一代开放式接口标准。几年的实践,认为选用以太网作为仪器作为仪器总线的基础最有发展前途,不再采用GPIB那样的8位并行总线,亦不采用更新周期较短的计算机外设总线。以太网经二十多年的发展成为成熟的技术,还在不断提高传输速度,并且是普及的局域网和PC机的标准配置网络接口,它的支持芯片、连接线缆、连接器、集线器的成本便宜,网页和浏览器资源众多,工程技术人员熟悉相关界面。以太网作为通信局域网,它的特性不能完全适合测量仪器的组网应用,需要在局域网上加以扩充,故称为LAN eXtensions for Instrumentation (LAN的仪器扩充,简称LXI)。在LXI标准起草过程中还制成LXI原形模块仪器多种,经过两次LXI原型系统的互操作性试验,证实LXI标准的可用性和功能性完全达到预期目的。LXI标准版本1.0在2005年9月26日公布。
以太网是LXI标准的基础
选择以太网作为LXI标准的物理基础是因为它具有良好的稳定性。
为了适应不同的应用和扩大LXI标准的兼容性,按仪器的组网功能分为三个级别：
C级器件：具有标准化的以太网和网页浏览接口,作为最基本的级别,适合传统仪器的接入,特别是物理上小型的产品,例如传感器的接入,它们无需支持物理上的触发和定时同步。此外,可用于以太网供电或电池供电的小型、简单仪器。C级器件的触发要求由仪器供应商自行规定。
B级器件：具有标准化以太网接口和支持IEEE1588定时协议,定时协议使器件能够执行同步功能,达到与GPIB总线仪器相似的或更好的定时精度。
A级器件：是供标准化以太网接口和支持IEEE1588定时协议,以及物理上的线接触发功能。线接触发使器件之间建立事件触发的标准化操作,触发的定时精度只受线缆长度和物理上仪器设计的限制。A级器件的触发功能大体达到VXI和PXI模块仪器的水平,但是触发线缆的长度要比背板触发线的长得多。
LXI标准的物理规范
LXI器件的机箱
LXI器件采用国际电工技术委员会IEC60297-1标准,即宽度为482.6mm(19英寸)的标准机箱,高度分1U、2U、3U和4U(单位U=13/4英寸=44.45mm),物理尺寸与GPIB机箱兼容。LXI器件的最小单元是1U半宽度机箱,由于IEC60297-1没有定义半宽度机箱,LXI标准对半宽度机箱尺寸作出规定,作为无前面板的LXI模块结构与VXI和PXI的插卡模块结构不同,其表现为：
LXI模块不使用多层PCB背板的框架式机箱、通风风扇、电源管理,以及框架机箱与PC控制器的专用通信链路。
LXI模块可紧密堆叠置放,而且适合于安装已有的GPIB桌面仪器。
LXI模块具有多种尺寸可供使用,而VXI和PXI框架机箱往往需要在仪器性能和模块尺寸之间作出选择。
LXI模块的通风冷却
LXI模块采用独立的通风冷却,气流从模块两侧进入,从背面排出,半宽度模块的设计使一侧被相邻模块阻挡时具有足够通风量。LXI模块不能提供上、下两面作为气流入口,以便模块可上、下堆叠。
LXI模块的冷却方式与GPIB仪器相似,但与VXI和PXI模块领先框架机箱的风扇气流冷却方式不同,VXI和PXI模块的冷却需要考虑机箱总气流的合理分配,甚至要在模块性能与冷却之间作出权衡。
LXI模块的供电
LXI模块的交流电取自单相交流电网,电压范围100~240VAC和频率范围47~66Hz。直流供电取自模块内的直流电源或由以太网供电。LXI模块的供电方式与GPIB仪器相似,而与框架式VXI和PXI模块仪器的由机箱背板供电方式不同。
VXI和PXI的背板直流供电总功率由10个左右的模块分配,需要在模块性能与供电功率之间作出折衷。LXI模块直接从交流电网供电,故具有灵活性。
LXI模块的安全和电磁兼容
LXI模块应该符合各国、地区或工业要求的电气安全标准,如CSA、EN、 UL、和 IEC等的认证。此外还要遵循相关的电磁兼容标准。
LXI模块的连接器、开关和指示灯
LXI标准对模块的连接器、开关和指示灯的类型和安装位置作出规定,安排如下：
后面板左方是以太网连接器,后面板右方是电源连接器和电源开关,电源连接器旁边是触发总线连接器。
无前面板的LXI模块应设置网络配置启动按钮(LCI),安排在后面板和使用LAN RST标志,按钮要有机械保护或时间延迟,以避免误操作。
LXI模块的前面板设置输入信号连接器,在前面板左下方应有三个指示灯。最下面是源指示灯。中间是LAN网络指示灯,工作正常时发绿光,识别过程发闪烁绿光,有故障时发红光;最上面是IEEE1588同步指示灯,未同步时熄灭,建立从机同步时发固定绿光,作为主机时每秒闪烁一次,有故障时发红光。
LXI标准的以太网
每个LXI模块必须执行IEEE802.3以太网标准,LXI网络最低限度要支持TCP/IP协议。建议使用千兆位以太网(1000Bbase-T),具有使用CAT-5类线缆的基础设施,最低限度支持100Bbase-T高速以太网,1000Bbase-T千兆位以太网与100Bbase-T高速以太网建立协商机制自动识别。虽然低速的10 Base-T 模块允许入网,但不希望使用。100 Base-T 以太网的100Mb/S传输率要比GPIB的1MB/S传输率高12倍。
所有LXI模块必须通过用户显示器或机箱的可视标志显示出媒体访问控制(MAC)地址,LXI模块能够实施媒体检测,监视以太网内包括复制的IP地址的连接状态。如果一条链路由于用户更换线缆或其它原因出现短于20秒的中断,则LXI模块将回到链路中断前的同一IP地址。如果中断超过20秒,则认为模块永远从链路断开。
当模块重新接入网络,此时网络控制器先尝试启动原来的IP地址,如已被其它模块占用,则转到新IP地址。LXI标准建议模块具有自动媒体相关界面跨接(MDIX)检测功能,防止线缆跨接时极性反向引起的故障。
LXI模块必须具有默认的自动协商机制,以便组网的模块能够在最高传输率级别下运行。为了得到最灵活性,模块有三个IP地址配置：首先是动态的主配置协议选址(DHCP),自动指派IP地址,适合大型以太网网络。第二是动态链路IP地址,适合只有一台PC的小型以太网。第三是手动IP选址,用户可设定默认IP地址,此外,LXI模块还可使用域名系统的IP地址,该地址不同于DHCP地址,可获得更快速的网页浏览器访问。
LXI标准要求全部模块提供WEB网页信息,从标准的WSC浏览器得到可视页面,以及HTML语言4.01版本以上的超文本传送协议(HTTP1.1)。以便LXI模块制造商构建完整的仪器用户界面,提供仪器的图形浏览器网页用于设置模块的各种参数。此外,通过WEB页还可获得更多信息,包括传送资料、远程测控等。
LXI标准的时间同步
以太网是非常成功的通信网络,能够实现点对点和点对多点的数据包传送,但在串行传送过程中并不传送时钟。常用测量仪器的三种开放总线GPIB、VXI 和PXI都设有专用的时钟线,实现组网仪器时间的严格同步。LXI标准引入IEEE1588标准(网络测量和控制系统的时钟同步协议)用来完善以太网的时钟同步功能,获得满意的结果。IEEE1588是在2002年批准作为标准,目的在于将(以太网为对象的)分布式通信网络扩大作为测量和控制系统时,借助软件和硬件方法将组网器件的从时钟与控制机的主要时钟实现同步。
IEEE1588协议的组网器件的时间同步过程如图1所示。
图1 LXI器件的时钟同步过程
为克服主时钟随时间变化产生的漂移,需要定时校准主时钟,IEEE1588采用协调世界时(UTC)作为基准,UTC由全球分布的授时台发布,具有铯原子的自振频率的稳定度。整个以太网的同步过程要几秒钟,主从时钟的同步精度小于100ns,执行IEEE1588协议的LXI仪器系统,可将原来以太网各器件的最大延迟时间1000S缩短至10s以下。与VXI和PXI在互连背板上增加时钟线的方法不同,LXI标准没有额外的时钟线,使用以太网原有的串行数据线传送时钟信号,不受机箱背板空间的限制,器件无需在物理上紧靠置放。时钟同步过程领先主时钟的时间戳记和偏移补偿来建立,充分发挥IEEE1588协议的优点,为测量仪器组网提供一种新的时钟同步方法。现在,LXI标准开辟器件间非物理上靠近的同步测量的环境,为跨越多重器件的相关测量提供精确的定时同步,将成为要求精确相关信号测量的应用提供必要的条件。随着以太网的传输率向10GB/S以上发展,IEEE1588协议亦将有相应修订,使得LXI标准提高到更高同步水平。
LXI标准的触发总线
LXI标准对器件的触发分级与器件的功能分级一样,对三个级别器件的触发条件作了规定：
C级器件：基本级别,器件供应商可选用自己的触发总线。
B级器件：支持IEEE1588协议的触发能力。
A级器件：在B级器件基础上增加硬件触发总线。
LXI标准的触发总线是8线的多点低压差分系统(M-LVDS),将A级器件配置成触发信号的触发源或接收器,总线接口亦可按“线或”逻辑设置。A级器件都装有总线输入、输出连接器,供器件作菊形链连接。LXI标准的触发总线的作用与VXI和PXI的背板触发线相似,但VXI和PXI的模块相互紧靠,触发线只在框架机箱背板上实现,而LXI的触发总线可使相隔较远的器件获得准确的事件触发。
LXI标准的驱动器
LXI标准规定器件必须使用可交换虚拟仪器(IVI)的驱动器,以及相应的IVI级模型。由于测量仪器业界的虚拟仪器软件结构(VISA)有大量资源可供使用,而且IVI驱动器为复杂的测试应用提高了互换性和灵活性,LXI标准的驱动器保证了LXI器件I/O接口编程的一致性。LXI器件还应该执VXI-11协议,这是VXI即插即用系统联盟制订的“通过以太网对测量仪器实现控制”的协议,作为一种发现器件的机制。
LXI标准的Web界面
LXI标准的所有器件都提供显示仪器主要信息的Web页面,内容包括：
仪器主页详细列出供应商,型号,串号,特性描述页,XI级别、版本、主机名,媒体访问地址(MAC)、TCP/IP地址,固件版本,1588协议的本地时间。
以太网配置页详细列出主机名,仪器描述页,TCP/IP配置方式、IP地址、子网屏蔽、默认网关、域名系统服务器。
A级和B级器件还要有同步页,说明有关1588协议和线接触发的参数。
选项页还有通过Web网页控制LXI器件的设置。
LXI标准的系统应用
LXI标准在结构上集中桌面仪器和框架模块仪器的优点于一身,承先启后而成为新一代测量仪器的开放式接口规范,将获得在测量仪器中的广泛应用。桌面仪器在不久的将来放弃长期使用的GPIB接口,改用以太网接口和保持原有的前面板和显示器。桌面仪器使用以太网接口即可作为C级器件进入LXI网络,分享局域网的资源,获得LXI标准带来的许多优点。对于物理上分散和远控测量的应用,B级器件的IEEE1588定时同步功能将发挥作用,成为首选的组网仪器,从不同节点获得亚微秒的数据时戳的精密测量,A级器件为测量系统带来最大的灵活性,当测量数据需要时戳时可由IEEE1588协议提供,当测量数据需要精确同步时可采用触发总线。LXI标准的A级器件是现今接口功能最先进的仪器。LXI的无面板模块在生产车间测试中将非常普及,占有面积对于这些应用是必须考虑的因素。特别是便携式军用测试系统要求更紧凑的体积和机动性能,正在计划使用老面板LXI模块构建美国军用的新一代合成仪器SI测试系统。
LXI标准作为极具开放性和灵活性的新一代仪器接口规范,不但能够实现以太网基的器件组成测量系统,而且通过变换器能够与GPIB VXI和PXI器件组成更大的测量系统。C级仪器将代替GPIB仪器作为桌面仪器标准,B级仪器为远控测量的同步化开辟新的应用 ,A级仪器将成为无面板模块仪器和合成仪器SI的标准,新的测试和测量时代将由LXI仪器来开创。■
