基于LXI总线的仪器接口硬件设计

吴 伟，龚少华

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

基于LXI总线的仪器接口硬件设计

吴 伟，龚少华

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

根据LXI规范在测试测量仪器中引入基于嵌入式控制器的LAN接口模块，提出了一种在工业标准以太网技术上，增加了构建仪器系统需要的规范、语言、命令和协议等内容的模块化平台，以替代传统的测试总线技术.LAN接口模块不仅提高了测试效率，保证测试的准确性和可信度，而且还可以对测试数据和结果进行信息化的管理.

LXI规范；硬件设计；LPC2148

仪器总线是连接不同仪器模块构建测试系统的通讯与控制途径，20世纪70年代开始，随着计算机技术在测试仪器领域的运用，出现了第一代测试仪器总线GPIB.目前，仪器总线经历了从GPIB到VXI，PXI的发展历程.无论是GPIB仪器还是VXI，PXI仪器，在构建测试系统时，都需要专门的电缆、机箱或控制器，由此限制了计算机软硬件技术发展的步伐.仪器总线发展面临的困境以及网络技术的发展，使得如何利用网络作为连接仪器的新方式成为测试界共同关注的问题，基于LAN的新一代仪器总线—LXI（LAN-based extensions for instrumen⁃tation）应运而生[1].本文对LXI总线规范进行了论述，并基于LXI总线给出了仪器接口设备的硬件设计方案.

1 LXI总线的体系结构

1.1 LXI总线概述

2004年9 月，Agilent公司和VXI技术公司结合GPIB和VXI的优点，开发了新一代模块化仪器总线—LXI.LXI是基于工业标准以太网技术，由中小型总线模块组成的新型仪器平台.LXI仪器是严格基于IEEE802.3、TCP/IP、网络总线、网络浏览器、IVI-COM驱动程序、时钟同步协议（IEEE1588）和标准模块尺寸的新型仪器[2].

与带有昂贵电源、背板、控制器、MXI卡和电缆的模块插卡框架不同，LXI模块本身带有处理器、LAN连接、电源和触发输入，控制计算机与仪器之间的通讯通过网线传输.构建LXI仪器系统的六大关键技术，包括LXI仪器系统的网络技术、系统的通信及其可靠性技术、IEEE1588精确时间同步协议的实现技术、仪器触发技术、IVI-COM驱动程序以及SCPI命令解释器的设计技术.LXI仪器模块一般是19英寸机柜全宽1U高、或者半宽1U或2U高，信号从模块前面板进出，LAN接口、电源、触发布置在仪器后面板.LXI仪器模块在高速LAN上交换数据，采用IVI（Interchangeable Virtual Instrumen⁃tation可互换性仪器）驱动，用标准的Web浏览器显示信息和检查故障.LXI作为一种新的仪器总线标准，采用了多种先进的软硬件技术[3].

1.2 LXI规范定义的3种仪器及其特点

不同的LXI仪器的应用要求催生出不同的功能需要，比如决定机制、同步机制、触发机制和可预测软件驱动互操作性等，涉及工作平台、功能测试、分布式数据获取、远程智能传感器等各个方面，大大超越了对于一般以太网的应用要求，网络互操作性是其基本要求.鉴于此，国际LXI协会初步将基于LXI的仪器分为3个等级，见表1[4].

表1 LXI仪器的3个等级Tab.1 Three levels of LXI instrument

等级C：具有通过LAN的编程控制能力，可以与其他厂商的仪器很好地协同工作；这是独立型仪器或台式仪器,把Web接口用于仪器的设置和数据访问[4].

等级B：拥有等级C的一切能力，加上IEEE1588网络同步标准；采用IEEE1588时钟，仪器可以对测量加入时间戳（timestamp），也可以配置成响应触发.允许对等的和单对多的通信，可以控制其他仪器测量的开始和停止[4].

等级A：拥有等级B的一切能力，同时具备硬件触发能力.增加的是低等待时间硬件触发总线，响应快速，几乎是实时响应[4].

2 LXI设备的关键技术

2.1 LXI设备的同步与触发

同步与触发是测试测量仪器的关键功能.LXI设备的同步和触发能力使系统集成者能够控制模块和系统内的状态序列，控制本地或系统事件发出和处理时间，基于时间戳记对测量数据和重要事件进行排序或关联.LXI允许五种触发模式：基于驱动程序命令触发模式；直接LAN消息触发模式；基于LAN接口的IEEE1588精密时钟协议（时间基）触发模式；基于LXI触发总线（LXI Trigger Bus）触发模式；可选用的供应商特定的硬件触发模式（A、B、C类均可用）[5].从本质上讲，直接LAN消息触发模式与传统仪器的命令触发方式是相似的.

图1LXI仪器类型Fig.1Types of LXI apparatus

LAN触发是通过从系统控制器到LXI仪器模块或LXI仪器模块之间的消息交换的驱动命令来提出触发事件.此类触发可用于需要触发操作的所有类的LXI仪器.这种触发方式是最容易实现的，但是由于LAN通信中存在潜在的延时和抖动，导致了触发效率和精度不高，因此难以对LAN上的仪器模块间的活动进行实时控制[6].

LXI接口标准的关键特征之一是基于IEEE1588精密时间同步协议的触发，通过LAN使得多个仪器模块达到时间同步，并使仪器模块能够对触发事件做出响应，仪器模块在规定的时间内完成一定的功能操作任务.IEEE1588协议可用于A类和B类LXI仪器，仪器利用此功能可使用时间基准触发函数和响应局域网上的触发信号.

只有A类LXI仪器才具有LXI触发总线触发模式，而这种触发模式需要专门的接口和连接线来完成.因此A类仪器除了LXI仪器应有的与外网连接LXI接口外还须具有用于实现设备之间硬件触发的接口，这是A类设备独有的特点.

2.2 模块至模块的数据通信

LXI允许三种模块间的事件通信模式：通过LAN，由控制器（或任何起到控制器作用的其他设备)到模块的驱动程序命令；通过LAN的直接模块至模块消息（直接的LAN消息）；模块到模块的硬件触发信号线.直接模块至模块的通信模式是LXI所特有的.

2.3 LXI编程接口（驱动程序）

LXI的仪器驱动程序必须兼容现有的各种工业标准，例如IEEE 488.2、VISA、VPP等，才能够实现多厂家仪器的互操作性和开发环境的无关性.所以所有LXI设备都必须提供IVI规定的驱动程序.如果LXI设备符合IVI类规范，则它的驱动程序就应具有类一致性.在此基础上，LXI仪器的驱动程序不仅要符合VISA的命名规则和文件格式，还要支持VXI-11规范以执行网络通信[7].

IVI仪器驱动程序根据API分类的方式可分为IVI-C和IVI-COM.IVI-C是基于现有的VPP规范和标准的ANSI C编程模型；IVI-COM是基于Mi⁃crosoft的标准的COM技术.LXI规范中推荐使用IVI-COM驱动程序[8].

3 LXI接口的硬件设计方案

3.1 LXI接口模块硬件设计

LXI接口模块的实现，需要以稳定而高端的硬件平台为基础.硬件平台包括核心处理器和其他外围接口电路.本系统选用的是Philips公司推出的基于ARM7内核的LPC2148嵌入式微处理器，因其较低的价格和强大的性能而受到普遍的欢迎[9].本节阐述了此多功能仪器平台的硬件整体构架；最后详细介绍了外围功能模块、各种通讯接口硬件设计方法.本节内容为后续的模块软件开发提供了可靠的硬件平台，使得该平台能满足各种仪器所需的显示、操作、观测、通讯等通用性.

考虑到在日后为了使系统适用于高端应用，接口模块除了LXI仪器必须的网络接口外，还扩充有RS232、GPIB、USB接口.以便可以将带有RS-232和GPIB接口的仪器或设备，转换成LXI接口、USB接口总线接口的仪器或设备，使传统仪器或设备的应用领域大大扩展.本系统模块是以嵌入式主控制器为核心，有一个100 M的网口，用来与LAN连接，采用TCP/IP协议实现与局域网中的其他网络设备通信，并带有传统的RS232和USB接口.其硬件设计结构见图2[10].

图2 基于LPC2148的LXI仪器接口模块结构图Fig.2The LXI instrument interface based on LPC2148 block diagram

3.2 串口通信电路

LPC2148带有2个全双工异步串行口（UART0、UART1），其中用UART0通过232电平转换器MAX232得到RS-232电平.串行口电路见图3，为了使用方便，串口的链接器分别用RXD0和TXD0.电路图见图3.

3.3 USB通信电路

为了使LPC2148的软件可以更灵活地控制USB设备与主机之间的连接，本接口电路使用P0.31（只能使用这个引脚）来实现SoftConnect特性.当P0.31输出低电平时，D+线通过R208（1.5 KΩ）上拉到VDD3.3，通知USB主机：USB设备要与其建立连接；当P0.31输出高电平时，D+线断开与VDD3.3的连接，通知USB主机：USB设备已经断开与USB主机的连接[11].

T126选用的是P沟道的MOS管FDV304，而不能选用普通的PNP三极管.这是因为MOS管是电压驱动型，驱动电流几乎为0；而普通的PNP三极管是电流驱动型的，需要一定的驱动电流，导通时，P0.31_P17有可能被拉为低电平.因此必须选用P沟道的MOS管.USB总线的D+和D-线必须串联一个匹配电路，阻值为33 Ω.见图4[12].

4 LXI接口模块硬件测试

以上内容是对LXI仪器接口模块的硬件的大体设计进行了描述，并通过了一个小实验检测LXI接口模块能够正常运行.硬件方面，可以通过LXI接口模块的任意I/O口分别与LED灯相连，然后，将LXI接口模块与PC机分别用串口线、USB线和网线相连.

图3串口电路Fig.3 Serial circuit

图4USB接口电路Fig.4 USB interface circuit

在PC机上，根据连接方式不同，通过其中对应的功能函数来实现PC机软件与仪器硬件接口的连接.本系统测试结果工作稳定，串口、USB接口和LAN接口能够快速的接收和发送数据，为以后的系统扩展提供了一个可靠的工作硬件平台.

[1]雷勇.虚拟仪器设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005.

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Hardware Design of LXI-Based Instrumentation Bus Interface

WU Wei，GONG Shaohua
（College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China；）

According to the LXI standard,the LAN interface module based on embedded controller was introduced in measuring instrument,a kind of industrial standard Ethernet technology was put forward,the construction equipment sys⁃tem needs of norms,language,orders and agreement of modular platform,etc were added to replace the traditional testing fieldbus technology.LAN interface module not only improved the efficiency of testing,guarantee the accuracy of the test and credibility,but can also realize information management of test data and results.

LXI standard；Hardware Design；LPC2148

TP 393

A

1674-4942（2011）01-0056-04

2010-11-23

黄 澜