探索LXI接口的高级功能

摘要： 最新的LXI规范能够为测试与测量的通信技术带来革命性的变革。通过LXI能够使基于LAN的测试仪器完成更复杂的测试功能。当与最新一代的测试仪器结合使用时，基于LXI的系统能够完成高级的测试功能，这些功能对于非LXI测试系统而言是很难实现的。本文将通过一个测试系统样机来说明：具有嵌入式测试脚本处理功能的测试触发技术是如何构成功能强大、结构灵活的基于LXI的测试测量工具的。

关键词： LXI；接口；以太网；测试测量

LXI 测试与测量系统

LXI(LAN Extensions for Instrumentation)联盟是为制订并推动测试测量设备通过LAN互联的标准而成立的一个组织，该联盟的目标是消除当前测试标准中的诸多限制因素。LXI联盟并不是围绕某种特定的架构制订一种规范，其重点目标是制订一个能够兼容各种测试测量设备(从简单模块与综合工具到复杂的高性能仪器系统)，利于系统集成与仪器互操作性的可扩展性框架。

LXI从几个方面帮助测试工程师克服常规测试测量系统架构的局限性。首先，LXI系统利用以太局域网作为设备的互联通路，消除了互联设备数量上的限制。其次，几乎所有的电脑上都带有以太网接口，因此利用已有的以太网基础架构进行设备互联能够避免增加接口适配卡所带来的高昂成本。另外，以太网接口还具有良好的扩展性，以太网也能够轻松支持物理上分布的系统。实现一个兼容LXI标准的最简以太网接口的成本很低，如果用户需要还可以实现高性能的以太网接口，使得低速和高速设备能够实现无缝的系统集成。利用以太网互连技术，不需要将设备和其控制器紧密放置在一起，从而减少了大型系统中的控制器数量，但是如果采用机架式系统或基于GPIB/USB/串口的互连结构来实现，那么必须要将设备和其控制器紧密放置在一起。

测量系统的架构

单控制器测试测量系统

在基于单控制器的架构中，控制器可以通过多种方式与测试设备进行连接，采用IEEE-488(GPIB)标准是当前最流行的做法，但是也可以通过串口、USB和其他接口来实现。一般的应用只用PC机来采集和存储测量数据，比较复杂的应用使用PC机来完成数据采集、处理、分析，并将结果提交给用户等一系列的处理步骤。控制器也具有采集、分析大数据集并提交结果等额外的处理功能。由于控制器与所有的仪器相连，因此可以实现比较复杂的和交叉的测试序列。

在必要的时候，控制器可以向测试仪器发送控制命令，从而动态修改测量操作及其执行的顺序，以响应某些实时事件(例如前一次测量的结果)。控制器可以访问测量仪器的数据，可以对数据进行合并、处理和分析等操作，以得到更有意义的测量结果。

图1 基于单个PC机的架构

但是，这种架构对于较大和较复杂的应用而言却具有一些局限性。这种系统中的仪器或通道的数量受限于控制器的物理容量。由于所有的数据和命令都要流过控制器的通信通道，因此最大的数据容量和数据速率就会受限于系统带宽。最终，由于互连带宽的限制，在采用GPIB、USB和其他专用通信接口的系统中，所有的设备在物理上必须紧密放置在一起。在机架式系统中这种互连的局限性就更强了。

在规模较小、功能简单的系统中采用这种单控制器的架构存在诸多缺陷。仅仅为了执行一个简单的测试序列，就在系统中增加一台PC机或工作站以协同几台测试仪器，似乎有些小题大做。为PC机开发软件还会增加系统成本，从而使得这种架构丧失对小规模简单系统的吸引力。

多控制器的测试测量系统

对于规模较大、物理上分散分布、或者需要处理大数据集和/或高数据速率的系统而言，增加更多的处理器是避免单控制器架构问题的一种常用方法。增加处理器可以增加系统中的通道数量，增大控制与数据的带宽。将系统划分成多个子系统降低了软件的复杂性和开发成本，因为每个子系统只需要考虑自身的一部分系统功能而不必将它们紧密放置在一起。这种多控制器的系统消除了单控制器系统存在的诸多限制。

多控制器结构也存在某些局限性和不足，这与其架构关系不大，而是受限于当前测试测量的实现方式。实现测量子系统有两种主要方式：采用一台PC机或工作站，附带一些采用GPIB/串口/USB连接的测试仪器；或者采用PXI、VXI和其他基于模块仪器的解决方案。有时候，如果最小的子系统对于应用而言过于庞大的话，那么上述两种实现方式都是不合适的，它们实现的系统难以向下收缩。

图2 多控制器系统实现

探索LXI的高级功能

我们可以采用LXI设备来实现现有的测量架构，与其它采用GPIB接口进行设备互连的测试系统不同的是，LXI并不需要一个隐含的或显式的常规控制器作为测试系统的一部分。从网络互连的角度来看，LXI设备都是对等的，任意一台LXI设备都可以直接向其他LXI设备发送消息，不需要配置传统意义上的控制器。

LXI采用对等的通信模式来实现A级和B级LXI设备所需的局域网触发功能(C级设备可选)。一台LXI设备可以通过局域网向任意一台或多台LXI设备发送触发命令。这就提供了一种与常规仪器中硬连线触发方式类似的同步机制，但是却消除了硬连线信号在物理距离上的局限性。局域网触发器也可以用于那些对时序要求不是很严格的非分布式系统中。此时，局域网触发器的性能是可以接受的，而且相比硬连线触发方式降低了系统成本和开销。

LXI规范建议：各个设备应该实现统一的触发模型，以提高局域网触发器(和所有其他触发器)的可用性，降低系统集成的开销。在统一的触发模型下，我们可以通过多个不同触发事件中的一个来启动某次仪器操作。

对于具有脚本处理功能的设备，在LXI局域网触发消息中添加一些负载信息能够实现更大的灵活性。这种负载信息可以是一段较短的测试脚本，即一段可执行代码，在收到触发消息时执行。也可以是某个已经预先载入目标设备的较长测试脚本的名称，然后在收到触发消息时执行。

新的架构类型

由于LXI不需要在测试系统中配置传统的控制器，并且定义了对等的消息发送和触发功能，因此用户就可以构建出新的测试系统架构。

图3给出了一个简单的测试系统，其中包含两个可编程的LXI仪器和一个DUT(待测设备)。其中的LXI仪器是可编程的，载入了应用程序。这些仪器可以利用局域网触发机制来协同它们的操作(另外，如果它们是A级或B级设备，则应利用IEEE-1588同步时钟和/或基于时标的触发机制)。处理结果可以显示在用户接口的面板上或网页上，或者通过局域网传给另外一个系统。

图3 简单的LXI系统实现

图4给出了图2中测试系统的一个修改版本，将其中一个子系统替换成图3中的简单测试系统。图4说明了具有脚本处理功能的LXI仪器去掉了每个子系统所需的独立控制器，提高系统的扩展性。

图4 采用LXI实现的多控制器系统

应用实例

本文通过几个系统实例来说明LXI新架构的优势。

生产测试系统

该系统由两台与测试夹具相连的测试仪器组成。测试夹具装有一个机械装置，能够快速地输送器件流通过夹具进行测试。待测的器件有多种类型，随机混合在一起。每种类型的器件需要两台测试仪器执行不同的测试步骤和测试参数。

常规的测试系统需要给两台测试仪、测试夹具和机械装置增加一个控制器。在测试开始的时候，控制器向第一台仪器发出命令，识别待测器件并读回结果。然后，控制器向两台仪器发出适当的命令流，根据器件类型控制相应的测试操作。发给两台仪器的命令流必须正确地交错发出，并要由控制器进行同步协调。

相反，采用具有脚本处理功能的测试仪和基于LXI的测试系统不需要控制器。每台测试仪带有自己的身份编号，能够像智能仪器那样，不依靠外部控制器的命令而工作。每台仪器都可以保存变量，处理条件事件，启动外部事件。用户可以根据应用的特定需要定义仪器的功能。如果需要的话，也可以使用其他的局域网触发机制进行同步。

相比传统的设计方案，LXI系统的运行速度快得多。由于在等待控制指令从控制器发送到测试仪的时候不会产生延迟，因此LXI仪器可以运行在最大速度模式下。另外，整个系统的成本也大大降低了，所需的编程工作也比较简单和容易，因为整个系统实现被分割成了多个小规模的、相对独立的子系统。

科学实验系统

该科学实验是用来探测宇宙粒子的，也非常适合采用基于LXI的系统来实现。整个系统中安装在一个大容器内，配置了几百个彼此独立的探测器，每个探测器连接到一台具有脚本处理功能的LXI仪器上。其中任何一个探测器都能够检测到偶发粒子，通过分析探测器的信号就加以识别。当某次事件出现时，系统必须记录下恰好从该事件发生前到发生后几秒时段内所有传感器的测量结果。每个传感器必须以每秒100,000次测量的速度进行采样。测试仪器通过网络连接到一个中央控制器上。

在基于LXI的实现方案中，一旦实验开始，每台测试仪就会按照所需的速率开始采样传感器，将读数存储在一个循环缓冲器内，最老的读数在30秒后就会被覆盖。每个读数都带有IEEE-1588同步时钟的时间戳。运行在测试仪上的脚本能够近乎实时地分析采样数据，判断是否探测到粒子。当某台测试仪探测到粒子时，它立刻发送一条局域网触发信息给所有其他测试仪，其中包含了指示本次事件起始点的时间戳。

在收到局域网触发信息后，每台测试仪都将在该事件时间点加上5秒的时候停止采样传感器，从而冻结其缓冲器内所需的数据。中央控制器也会收到探测出该事件的仪器发出的局域网触发信息，然后开始收集所有测试仪的相关数据。收集完成后，控制器通知所有的测试仪重新开始测试工作，科学实验系统具有很高的效率。

基于LXI的测试方案采用局域网触发机制来进行同步和控制操作，IEEE-1588同步时钟提供了记录一次事件时在控制器内重新排列数据所需的精确时间戳。如果探测器的数量非常多，数据量很大，数据率很高，那么传统实现方案的效率就很低，并且浪费资源。

脚本处理的LXI原型机

我们通过一个测试系统原型机来说明的LXI高级传输功能。该原型机的硬件系统是一块商用的开发板，其中配置了Intel PXA255微处理器，运行Windows CE 4.20。一段采用Windows sockets编程的简短C语言程序负责执行测试工作并记录测试结果。该原型机还实现了一种商用的嵌入式脚本语言。系统的控制器一端由一台Windows XP的笔记本电脑(Pentium M，1.4GHz)来模拟。另外一段简短的C程序执行控制器一端的测试工作。所有的同步时序都通过外部的局域网分析仪进行了验证。

LXI局域网的触发性能

我们测量了各种情况下一条局域网触发报文从控制器传输到原型系统所需的时间。表1给出了所测试的组合情况与测量结果。

表1的结果是100次试验的平均值，在繁忙网络测试中控制器与原型系统连接到一个繁忙企业网络的两个不同区段中，在独立网络的测试中，它们仅通过集线器相互连接在一起，数据包大小包括43字节的LXI局域网触发报文头数据。

测试结果表明，该原型机传输一条带有最小数据负载的局域网触发报文所需的时间平均略小于0.6ms。不同的网络流量、网络速度和协议类型对结果的影响不大。当报文大小增加到512字节时，这些变化的因素就产生了较大的影响，最明显的是增大了网络流量。

人们一般认为，使用以太网实现测试测量系统通常具有很大的延时。这里，延时指的是从一个节点发出一条消息到目标节点收到该消息之间的时间延迟。表1表明，以太网具有较大的首字节延时。虽然这种延时对某些应用存在问题，但是通过适当的系统配置和测试设计可以处理这种延时。另外，表1中的数据表示的不是低延时性能的水平，而是中等性能硬件的非优化水平。表1不但给出了由于首字节延时而产生的延迟，而且也说明了采用具有脚本处理功能的仪器是如何减轻延时影响的。在传统的测试系统中，控制器发送大量的短消息给测试仪。对于具有脚本处理功能的测试仪，控制器就可以使用较少但较长的消息传送整个脚本，然后启动该脚本操作。

脚本传输性能

如表2的结果所示，相比每次传输一条指令，将脚本一次性传输到测试仪上所需的传输时间大大减少了。这意味着即使脚本必须在测试过程中进行传输而不是提前加载，LXI以太网系统中具有脚本处理功能的测试仪也具有大幅度的性能提升。

时间的单位是毫秒，表2的结果是100次试验的平均值，所有的测试都在100 Base T独立网络中进行，一次性发送脚本需要三个数据包，每次发送一条指令需要150个数据包。数据包大小限制为最大512字节。

结语

我们推荐的LXI规范定义了丰富的功能，使得基于局域网互连的测试仪能够实现复杂的测试与测量功能。诸如局域网触发、统一的触发模型、对等的消息传递和IEEE-1588时钟同步等特性，为测试测量系统的设计者提供了全新的手段，为设计者和用户带来了实实在在的好处。