LXI在无人机发动机测试系统中的应用研究

王明琨+++梁东晨+++黄德雨

摘 要：文章根据无人机发动机测试实际需求，为了实现智能化与自动化的发动机测试，设计了基于LXI（LAN eXtensions for Instrument）的测试系统。分析LXI总线测试系统结构及其特点，特别是三种不同的同步实现策略可以适用于不同的测试环境。最后，构建的分布式测试系统是以LXI为主，VXI和GPIB等其它总线为辅的混合体系结构，使系统配置简化，测试资源得到节约，系统的灵活性增强，可行性进一步提高。

关键词：测试系统；LXI；总线

引言

某型无人机动力系统采用临退役的涡喷发动机，作为无人机的核心设备，发动机的工作状态直接影响到无人机能否安全地滑跑放飞和可靠地飞行[1]。研制针对该发动机的性能参数自动化智能测试系统，一方面实现发动机测试自动化与智能化，提高测试精度和工作效率，另一方面减少安全隐患，提高放飞成功率。

网络技术、计算机技术和微电子技术的迅速发展推动着测量仪器朝着数字化和智能化方向发展，而采用智能仪器构建大型测试系统的关键技术就是总线技术。

1 LXI总线测试系统结构及其特点

由于科学技术的迅猛发展，特别是电子技术以及科学计算机技术的突飞猛进，测试技术领域发生了很大的变化。原有的仪器系统所具有的独立与局部控制性能变得越来越不适应，于是，提出了基于总线技术的测试技术。

总线连接普遍存在于一块插件板的各芯片之间、一个系统的各模板之间、大规模集成电路内各部分之间以及系统和系统之间。GPIB总线自1974年出现以来，VXI总线出现于1987年，1997年出现了PXI总线，在工业、航空航天、军事的测试领域中总线技术的应用越来越多，作用发挥越来越重要，在越来越广的范围被应用。

安捷伦科技公司和VXI科技公司于2004年9月联合成立国际LXI联盟，基于LAN的仪器总线标准——LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）被推出，标志着总线发展上了一个新的台阶。LXI规范1.0版本在2005年9月底被LXI联盟正式发布。LXI规范1.1版本在2006年8月又被LXI联盟推出。1.1版本主要是对1.0版本中混合系统的构建方法进行了补充。LXI 1.2版本在2007年10月被推出，主要目的是改进了原有规范中的发现和验证机制。

1.1 系统结构

PXI、VXI等插卡式仪器，GPIB仪器广泛的应用于现在的自动化测试系统，构建以LXI为主要标准的测试模块与测量仪器[2]，可以更好地节省资源，如图1所示。所有的LXI单元都支持开放的TCP/IP标准和IEEE 8023，加上以IVI-COM驱动器、Web浏览器和标准机架为基础，能够构建一个统一的应用方式，更利于用户使用。

图1 LXI总线测试系统

LXI标准的功能属性，主要有三种[3]：（1）使用IEEE 1588标准接口的触发设备，其模块具有动作时间标准化，且触发事件能经LAN接口发出；（2）LAN接口的标准化，提供了编程控制和WEB的接口，支持主从操作和对等操作；（3）基于LVDS电器接口的物理线触发系统，它实现了互连模块有线接口转化。根据不同的触发精度和功能属性的仪器，LXI标准规范了A、B、C三种仪器功能类。

C类是基本类型，其LXI设备的要求是提供符合LXI标准的Web接口和LAN，属性具有尺寸小、结构简单和价格低。该类设备可以实现当前GPIB系统的最基本能力。

B类LXI设备除了具有C类设备的一切能力外，增加了支持IEEE 1588网络的同步标准。设备执行与GPIB等效的触发功能通过IEEE 1588接口实现，更重要的是可以得到定时精度相同或更高。

A类LXI设备除了具有B类设备的一切功能外，增加了物理线触发接口。支持设备间触发事件的标准能力是通过线触发实现的。由于电缆和仪器设计的物理限制决定了定时精度，该硬件触发功能与机箱中模块仪器的背板触发完全相等效。

1.2 系统特点

LXI是一种新一代平台标准的模块化，适用于自动测试系统，它基于以太网技术的工业标准，为适用于仪器系统需要，增加了命令、语言、规范、协议等内容，把以太网的高速吞吐率、VXI/PXI插卡式仪器的紧凑灵活和GPIB仪器的高性能进行了融合，把冷却、定时、电磁兼容、触发等仪器要求进行了考虑。

LXI仪器具备与传统的测试仪器（VXI、PXI）相比，以下特点[4]：（1）已开发的核心技术有利于保留使用，方便功能改进和升级比较；（2）老的平台可以与其融合，安装在标准机架上；（3）可以无需编程和其他虚拟面板，直接在网络界面进行操作；（4）与LAN相连的LXI模块可以服务于不同的测试项目，同时采取分时方式工作；（5）在分布式测试方式下，功能强大、价格昂贵、结构复杂的LXI模块，可以发挥测试系统中各模块的优势和特点，提供多个测试项目共享，降低成本，提高模块的利用率；（6）把模块在世界任何地方进行分布，实现在任何地方进行访问；（7）不需要0槽控制器和专用的机箱，集成化的模块更为方便使用；（8）LXI平台具有周期长的生命，保证了用户投资。用户由于从开发生产部门长期获得技术支持，不必担心技术过时而被淘汰；（9）更为方便的连接和使用，进行系统编程时也可以利用通用的软件；（10）故障诊断和校准计量的实现非常容易；（11）既有模块化特点，又能单独使用，灵活性强，可以组建功能强大复杂的测试系统；（12）改变测试项目时，不必改变LXI在LAN上的连接，测试系统的组建时间可以缩短。

2 构建以LXI总线为主的分布式测试系统

2.1 分布式测试系统概述

分布式测试系统是将计算机技术、网络控制技术、信号处理技术、传感器技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。分布式测试系统是指通过局域网和Internet，把分布于各测点、独立完成特定功能的测量设备和测量用计算机连接起来，以达到负载均衡、测量资源共享、分散操作、集中管理、协同工作、测量过程监控和设备诊断等目的的计算机测量网络系统。endprint

当前，在分布式测试系统中常采用有限排队延迟的、具有确定的专用实时通信网络。这些总线虽然实时性问题较好地被解决，但是它们有各自适用的领域和优点，不仅是昂贵的价格，而且由于市场竞争等原因，其通讯尚未统一的标准，在各种现场总线之间互连互通还不能真正实现，这都阻碍了现场总线技术的应用和推广。此外，现场总线还存在不尽人意的传输速率，如FF，其高速总线H2的传输速度为1Mbps，或2.5Mbps，低速总线H1的传输速度只为31.25kbps，这样的传速率在特定的实时控制场合仍很难满足要求。

Ethernet技术在IEEE等标准化组织支持下，与工业现场总线技术相反，得到了迅速发展，从开始的10Mbps Ethernet，过渡到100Mbps快速Ethernet和交换Ethernet，甚至发展到光纤Ethernet和千兆Ethernet。Ethernet以其成本低廉、通信速率高和资源共享能力强等特点得到市场广泛的支持，是非常经济的、有效的计算机网络技术。如果，现场总线被Ethernet代替，分布式测试系统的集成更易于实现。因此，基于Ethernet的分布式测试系统的通信平台己成为一种发展趋势。

2.2 系统的总体结构

在发动机测试中，需要测试的项目很多，如全程加速时间、半程加速时间、发动机的转速、排气温度、副油道压力等，监测点也不集中而且比较多；在这样的测试环境里，必须舍弃集中式的测试系统，采用分布式的测试系统。

综合总线现状，构建的混合总线体系结构是采用以LXI为主、VXI和GPIB等其它总线为辅，主要如图1所示。在大多数监测点，采用LXI设备来实现测量和控制，各个LXI设备直接与网络连接，因为每个LXI设备携带自己的处理器，所以不需要终端计算机设置在监测节点处。对于无人机发动机特点，结合相对成熟的GPIB或VXI总线系统，可以节约成本，而且这些系统可以与LXI总线系统相接。由于很多仪器供应商支持网络传输的零槽控制器，并提供了LAN与GPIB的转换器，这为已有的VXI、GPIB和PXI测试系统可接入到整个LXI网络中提供了条件。综合以上所述，使用LXI总线技术可以构建资源节约、配置简化、高灵活性的系统。

2.3 同步测试

只有解决了仪器设备间的同步工作和数据间的时间对应问题，才能保证测试结果的有效性和正确性，LXI总线技术提供的三种同步触发机制：硬件总线触发、网络消息触发和IEEE 1588时钟同步触发，就可以解决该问题。

2.3.1 硬件总线触发[5]。LXI定义不仅可以使用传统的硬件触发线，而且在A类模块中具有可编程硬件触发功能。与PXI和VXI的背板总线十分相似，LXI触发总线可以采用星形总线或串行总线配置。由于充分利用了PXI和VXI触发总线的优点，这种触发同步方法具有同步精度很高的特点。而该精度主要取决于触发总线的长度，大约是5ns/米，因此，该方法适用于由相互靠得很近的测试仪器构建的应用系统。

2.3.2 网络消息触发。所有LXI设备都必须具备的该同步方式。通过集线器或交换机将多个LXI仪器连接在一起，网络触发消息可以由其中一个设备发给同一网段中的另一个设备，实现点对点的触发方式。另外，触发消息也可以由其中一个仪器发给其它所有仪器，或者由计算机发给所有设备，实现一点对多点的触发应用由此产生。LXI规范进行局域网触发通讯由两种不同的技术支持：用TCP协议的点对点触发和用UDP协议的广播触发。

2.3.3 IEEE 1588时钟同步触发。IEEE 1588是一种对时机制，用于克服以太网实时性不足。主要原理是将网络中所有的节点实现对时同步，通过周期性的对网络中所有节点的时钟发送一个精确的时间源进行同步校正。协议为获得实时行为，是通过确定和调整事件而达到更精确的事件间隔来实现，而其本身并不能提高测控系统的实时性能。IEEE 1588在标准以太网等分布式总线系统中可以实现设备时钟进行亚微秒级同步。

2.3.4 边界时钟。IEEE 1588边界时钟与普通时钟的区别主要是，边界时钟与普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对多”，而普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对一”。 IEEE 1588的同步精度能达到微秒级，其重要保证之一是边界时钟。以太网总线式网络的工作模式，在边界时钟被使用之后，几乎达到每一端口按点对点模式工作，无中间转接点，故其传输较为稳定且延迟很小，同步时钟的精度被大大提高。

2.3.5 LXI时钟同步触发方式的比较和应用分析。在前面研究了LXI的几种触发方式原理。LXI支持多种触发方式：硬件总线触发、局域网消息触发、基于时间的触发等。其同步精度依次递增：网络消息触发、IEEE 1588时钟同步触发和触发总线三种方式。在选用触发方式的时候，根据各种触发方式自身的特点，结合系统的实际情况，选择最合适的触发方式。

3 结束语

充分利用LXI的特点或者优势，设计了无人机发动机测试系统。采用以LXI为主，VXI和GPIB等其它总线为辅的混合总线体系结构的分布式测试系统与采用VXI总线或GPIB总线的程控仪器结构的集中式测试系统相比，使系统配置简化，测试资源得到节约，系统的灵活性增强，可行性进一步提高。分析的三种不同的同步实现策略可以适用于不同的测试环境。因为IEEE 1588时钟同步触发方式不用单独连接触发电缆，且不受距离的限制，所有，特别适合满足大型综合测试任务的分布式远距离同步数据采集等。

参考文献

[1]高翔，殷业飞.无人机发动机的自动化智能测试系统[J].弹箭与制导学报，2005，25（4）：446-449.

[2]杨柳.LXI仪器系统构建技术的研究与实现[D].西安电子科技大学，2008.

[3]尹宁宁.LXI仪器接口技术的研究[D].哈尔滨理工大学，2008

[4]吴又美，鄢小清.基于LXI仪器总线的分布式测试系统[J].计算机测量与控制，2007，15（12）：1685-1687.

[5]宋志坚.基于LXI的高性能数据采集系统的软件设计与实现[D].西南交通大学，2005.

作者简介：王明琨（1985-），男，汉族，安徽省太和县，硕士研究生，助理讲师，研究方向：职业教育。endprint

当前，在分布式测试系统中常采用有限排队延迟的、具有确定的专用实时通信网络。这些总线虽然实时性问题较好地被解决，但是它们有各自适用的领域和优点，不仅是昂贵的价格，而且由于市场竞争等原因，其通讯尚未统一的标准，在各种现场总线之间互连互通还不能真正实现，这都阻碍了现场总线技术的应用和推广。此外，现场总线还存在不尽人意的传输速率，如FF，其高速总线H2的传输速度为1Mbps，或2.5Mbps，低速总线H1的传输速度只为31.25kbps，这样的传速率在特定的实时控制场合仍很难满足要求。

Ethernet技术在IEEE等标准化组织支持下，与工业现场总线技术相反，得到了迅速发展，从开始的10Mbps Ethernet，过渡到100Mbps快速Ethernet和交换Ethernet，甚至发展到光纤Ethernet和千兆Ethernet。Ethernet以其成本低廉、通信速率高和资源共享能力强等特点得到市场广泛的支持，是非常经济的、有效的计算机网络技术。如果，现场总线被Ethernet代替，分布式测试系统的集成更易于实现。因此，基于Ethernet的分布式测试系统的通信平台己成为一种发展趋势。

2.2 系统的总体结构

在发动机测试中，需要测试的项目很多，如全程加速时间、半程加速时间、发动机的转速、排气温度、副油道压力等，监测点也不集中而且比较多；在这样的测试环境里，必须舍弃集中式的测试系统，采用分布式的测试系统。

综合总线现状，构建的混合总线体系结构是采用以LXI为主、VXI和GPIB等其它总线为辅，主要如图1所示。在大多数监测点，采用LXI设备来实现测量和控制，各个LXI设备直接与网络连接，因为每个LXI设备携带自己的处理器，所以不需要终端计算机设置在监测节点处。对于无人机发动机特点，结合相对成熟的GPIB或VXI总线系统，可以节约成本，而且这些系统可以与LXI总线系统相接。由于很多仪器供应商支持网络传输的零槽控制器，并提供了LAN与GPIB的转换器，这为已有的VXI、GPIB和PXI测试系统可接入到整个LXI网络中提供了条件。综合以上所述，使用LXI总线技术可以构建资源节约、配置简化、高灵活性的系统。

2.3 同步测试

只有解决了仪器设备间的同步工作和数据间的时间对应问题，才能保证测试结果的有效性和正确性，LXI总线技术提供的三种同步触发机制：硬件总线触发、网络消息触发和IEEE 1588时钟同步触发，就可以解决该问题。

2.3.1 硬件总线触发[5]。LXI定义不仅可以使用传统的硬件触发线，而且在A类模块中具有可编程硬件触发功能。与PXI和VXI的背板总线十分相似，LXI触发总线可以采用星形总线或串行总线配置。由于充分利用了PXI和VXI触发总线的优点，这种触发同步方法具有同步精度很高的特点。而该精度主要取决于触发总线的长度，大约是5ns/米，因此，该方法适用于由相互靠得很近的测试仪器构建的应用系统。

2.3.2 网络消息触发。所有LXI设备都必须具备的该同步方式。通过集线器或交换机将多个LXI仪器连接在一起，网络触发消息可以由其中一个设备发给同一网段中的另一个设备，实现点对点的触发方式。另外，触发消息也可以由其中一个仪器发给其它所有仪器，或者由计算机发给所有设备，实现一点对多点的触发应用由此产生。LXI规范进行局域网触发通讯由两种不同的技术支持：用TCP协议的点对点触发和用UDP协议的广播触发。

2.3.3 IEEE 1588时钟同步触发。IEEE 1588是一种对时机制，用于克服以太网实时性不足。主要原理是将网络中所有的节点实现对时同步，通过周期性的对网络中所有节点的时钟发送一个精确的时间源进行同步校正。协议为获得实时行为，是通过确定和调整事件而达到更精确的事件间隔来实现，而其本身并不能提高测控系统的实时性能。IEEE 1588在标准以太网等分布式总线系统中可以实现设备时钟进行亚微秒级同步。

2.3.4 边界时钟。IEEE 1588边界时钟与普通时钟的区别主要是，边界时钟与普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对多”，而普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对一”。 IEEE 1588的同步精度能达到微秒级，其重要保证之一是边界时钟。以太网总线式网络的工作模式，在边界时钟被使用之后，几乎达到每一端口按点对点模式工作，无中间转接点，故其传输较为稳定且延迟很小，同步时钟的精度被大大提高。

2.3.5 LXI时钟同步触发方式的比较和应用分析。在前面研究了LXI的几种触发方式原理。LXI支持多种触发方式：硬件总线触发、局域网消息触发、基于时间的触发等。其同步精度依次递增：网络消息触发、IEEE 1588时钟同步触发和触发总线三种方式。在选用触发方式的时候，根据各种触发方式自身的特点，结合系统的实际情况，选择最合适的触发方式。

3 结束语

充分利用LXI的特点或者优势，设计了无人机发动机测试系统。采用以LXI为主，VXI和GPIB等其它总线为辅的混合总线体系结构的分布式测试系统与采用VXI总线或GPIB总线的程控仪器结构的集中式测试系统相比，使系统配置简化，测试资源得到节约，系统的灵活性增强，可行性进一步提高。分析的三种不同的同步实现策略可以适用于不同的测试环境。因为IEEE 1588时钟同步触发方式不用单独连接触发电缆，且不受距离的限制，所有，特别适合满足大型综合测试任务的分布式远距离同步数据采集等。

参考文献

[1]高翔，殷业飞.无人机发动机的自动化智能测试系统[J].弹箭与制导学报，2005，25（4）：446-449.

[2]杨柳.LXI仪器系统构建技术的研究与实现[D].西安电子科技大学，2008.

[3]尹宁宁.LXI仪器接口技术的研究[D].哈尔滨理工大学，2008

[4]吴又美，鄢小清.基于LXI仪器总线的分布式测试系统[J].计算机测量与控制，2007，15（12）：1685-1687.

[5]宋志坚.基于LXI的高性能数据采集系统的软件设计与实现[D].西南交通大学，2005.

作者简介：王明琨（1985-），男，汉族，安徽省太和县，硕士研究生，助理讲师，研究方向：职业教育。endprint

当前，在分布式测试系统中常采用有限排队延迟的、具有确定的专用实时通信网络。这些总线虽然实时性问题较好地被解决，但是它们有各自适用的领域和优点，不仅是昂贵的价格，而且由于市场竞争等原因，其通讯尚未统一的标准，在各种现场总线之间互连互通还不能真正实现，这都阻碍了现场总线技术的应用和推广。此外，现场总线还存在不尽人意的传输速率，如FF，其高速总线H2的传输速度为1Mbps，或2.5Mbps，低速总线H1的传输速度只为31.25kbps，这样的传速率在特定的实时控制场合仍很难满足要求。

Ethernet技术在IEEE等标准化组织支持下，与工业现场总线技术相反，得到了迅速发展，从开始的10Mbps Ethernet，过渡到100Mbps快速Ethernet和交换Ethernet，甚至发展到光纤Ethernet和千兆Ethernet。Ethernet以其成本低廉、通信速率高和资源共享能力强等特点得到市场广泛的支持，是非常经济的、有效的计算机网络技术。如果，现场总线被Ethernet代替，分布式测试系统的集成更易于实现。因此，基于Ethernet的分布式测试系统的通信平台己成为一种发展趋势。

2.2 系统的总体结构

在发动机测试中，需要测试的项目很多，如全程加速时间、半程加速时间、发动机的转速、排气温度、副油道压力等，监测点也不集中而且比较多；在这样的测试环境里，必须舍弃集中式的测试系统，采用分布式的测试系统。

综合总线现状，构建的混合总线体系结构是采用以LXI为主、VXI和GPIB等其它总线为辅，主要如图1所示。在大多数监测点，采用LXI设备来实现测量和控制，各个LXI设备直接与网络连接，因为每个LXI设备携带自己的处理器，所以不需要终端计算机设置在监测节点处。对于无人机发动机特点，结合相对成熟的GPIB或VXI总线系统，可以节约成本，而且这些系统可以与LXI总线系统相接。由于很多仪器供应商支持网络传输的零槽控制器，并提供了LAN与GPIB的转换器，这为已有的VXI、GPIB和PXI测试系统可接入到整个LXI网络中提供了条件。综合以上所述，使用LXI总线技术可以构建资源节约、配置简化、高灵活性的系统。

2.3 同步测试

只有解决了仪器设备间的同步工作和数据间的时间对应问题，才能保证测试结果的有效性和正确性，LXI总线技术提供的三种同步触发机制：硬件总线触发、网络消息触发和IEEE 1588时钟同步触发，就可以解决该问题。

2.3.1 硬件总线触发[5]。LXI定义不仅可以使用传统的硬件触发线，而且在A类模块中具有可编程硬件触发功能。与PXI和VXI的背板总线十分相似，LXI触发总线可以采用星形总线或串行总线配置。由于充分利用了PXI和VXI触发总线的优点，这种触发同步方法具有同步精度很高的特点。而该精度主要取决于触发总线的长度，大约是5ns/米，因此，该方法适用于由相互靠得很近的测试仪器构建的应用系统。

2.3.2 网络消息触发。所有LXI设备都必须具备的该同步方式。通过集线器或交换机将多个LXI仪器连接在一起，网络触发消息可以由其中一个设备发给同一网段中的另一个设备，实现点对点的触发方式。另外，触发消息也可以由其中一个仪器发给其它所有仪器，或者由计算机发给所有设备，实现一点对多点的触发应用由此产生。LXI规范进行局域网触发通讯由两种不同的技术支持：用TCP协议的点对点触发和用UDP协议的广播触发。

2.3.3 IEEE 1588时钟同步触发。IEEE 1588是一种对时机制，用于克服以太网实时性不足。主要原理是将网络中所有的节点实现对时同步，通过周期性的对网络中所有节点的时钟发送一个精确的时间源进行同步校正。协议为获得实时行为，是通过确定和调整事件而达到更精确的事件间隔来实现，而其本身并不能提高测控系统的实时性能。IEEE 1588在标准以太网等分布式总线系统中可以实现设备时钟进行亚微秒级同步。

2.3.4 边界时钟。IEEE 1588边界时钟与普通时钟的区别主要是，边界时钟与普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对多”，而普通时钟之间的同步通讯采用的方式是“一对一”。 IEEE 1588的同步精度能达到微秒级，其重要保证之一是边界时钟。以太网总线式网络的工作模式，在边界时钟被使用之后，几乎达到每一端口按点对点模式工作，无中间转接点，故其传输较为稳定且延迟很小，同步时钟的精度被大大提高。

2.3.5 LXI时钟同步触发方式的比较和应用分析。在前面研究了LXI的几种触发方式原理。LXI支持多种触发方式：硬件总线触发、局域网消息触发、基于时间的触发等。其同步精度依次递增：网络消息触发、IEEE 1588时钟同步触发和触发总线三种方式。在选用触发方式的时候，根据各种触发方式自身的特点，结合系统的实际情况，选择最合适的触发方式。

3 结束语

充分利用LXI的特点或者优势，设计了无人机发动机测试系统。采用以LXI为主，VXI和GPIB等其它总线为辅的混合总线体系结构的分布式测试系统与采用VXI总线或GPIB总线的程控仪器结构的集中式测试系统相比，使系统配置简化，测试资源得到节约，系统的灵活性增强，可行性进一步提高。分析的三种不同的同步实现策略可以适用于不同的测试环境。因为IEEE 1588时钟同步触发方式不用单独连接触发电缆，且不受距离的限制，所有，特别适合满足大型综合测试任务的分布式远距离同步数据采集等。

参考文献

[1]高翔，殷业飞.无人机发动机的自动化智能测试系统[J].弹箭与制导学报，2005，25（4）：446-449.

[2]杨柳.LXI仪器系统构建技术的研究与实现[D].西安电子科技大学，2008.

[3]尹宁宁.LXI仪器接口技术的研究[D].哈尔滨理工大学，2008

[4]吴又美，鄢小清.基于LXI仪器总线的分布式测试系统[J].计算机测量与控制，2007，15（12）：1685-1687.

[5]宋志坚.基于LXI的高性能数据采集系统的软件设计与实现[D].西南交通大学，2005.

作者简介：王明琨（1985-），男，汉族，安徽省太和县，硕士研究生，助理讲师，研究方向：职业教育。endprint