嵌入式LXI网络仪器的研究*

李宥谋　薛　仙　黄　迪　刘小兵

(西安邮电大学计算机学院　西安　710061)



嵌入式LXI网络仪器的研究*

李宥谋薛仙黄迪刘小兵

(西安邮电大学计算机学院西安710061)

在现代仪器仪表技术蓬勃发展的今天,实现远程实时监管的网络化测控系统成为亟待解决的问题。论文深入分析了目前主流的VXI、PXI、LXI等仪器总线,结合互联网技术,采用以太网互连规程作为仪器的内部总线,按照仪器测量的性能要求进行改进,提出嵌入式LXI网络仪器的设计思想和方案；将传统仪器中各部分板卡功能分布到基于局域网互连的不同模块中,扩展了仪器模块的互联距离,解决了仪器模块远距离分布到被测对象所在地问题,使得仪器模块相互之间的连接以及监控、数据交换更加灵活；通过搭建8个仪器模块的以太网总线仪器,对LXI网络仪器功能进行验证和仿真。测试结果证明此方案可行。

LXI； 可互换虚拟仪器驱动器; IEEE1588; Hislip; 虚拟仪器软件架构

Class NumberTP216

1　引言

计算机技术、网络技术以及仪器仪表技术的迅速发展推动着测量仪器向智能化和网络化方向发展,而总线技术是采用网络仪器构建测试系统的关键技术。自20世纪70年代以来,平均每10年测量领域就要推出一种测量仪器总线接口标准,它们主要是GPIB(IEEE488)、VXI(1155)、PXI以及新一代仪器总线技术——LXI。

20世纪70年代提出了GPIB总线接口。GPIB总线是一种数字式并行总线,主要用于将测试仪器和计算机连接。使用GPIB总线连接的仪器测试系统解决了通用测试仪器与计算机之间的互连问题,实现了计算机信息化和测试结果的数字化,是广泛使用的测试总线之一。

VXI总线是一种高速计算机总线。VXI总线结构紧凑、标准开放、模块可重复利用、定时和同步精确、数据吞吐能力强等特点,得到了广泛应用。VXI总线要求有机箱、零槽管理器,造价较高。其推广应用受到一定限制,在航空、航天等国防军工领域有广泛应用。

PXI总线由开放性的PCI总线扩展而来。PXI总线符合工业标准,在机械、电气和软件特性方面,充分发挥了PCI总线的全部优点。PXI具有高度可扩展性,它有8个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器,可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率可以达到132mbps。

2004年Agilent公司和VXI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是一种由中小型总线模块组成、基于以太网技术等工业标准的新型仪器平台。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(IEEE 1588)和标准模块尺寸的新型仪器[1～3]。LXI模块由计算机控制,不需要传统台式仪器的显示、按键和旋钮,同时由LXI模块组成的LXI仪器系统不需要如VXI或PXI系统中的O槽控制器和系统机箱。LXI模块借助于标准网络资源,采用IVI-COM驱动程序,使得系统集成更加容易。

目前主流的VXI仪器、PXI仪器通过机箱中的VXIbus或PXIbus将仪器模块互连,仪器的所有功能集中在仪器机箱内,被测对象难于远距离分布。而嵌入式LXI网络仪器通过以太网总线将仪器中的仪器模块进行互连,实现了仪器模块的远距离分布,解决了仪器与被测对象之间连接以及监控、信息交换等问题,降低了测控系统的复杂度,提高仪器的性价比、灵活性。

2　LXI网络仪器的设计思想

嵌入式LXI网络仪器是基于互联网的高性能新型仪器,采用了仪器服务层、传输层、LXI总线层和仪器模块层的四级结构。仪器服务层主要包括仪器的应用层软件,采用IVI仪器互换技术,实现仪器应用层软件与仪器硬件及仪器模块之间的隔离,使得仪器应用软吧件具有更好的兼容性；传输层主要集成了HiSLIP通信协议和精简SNMP管理协议；LXI总线层主要实现了IEEE1588同步、LXI总线接口、VISA驱动等功能；仪器模块主要完成仪器的测量功能。LXI网络仪器主要由LXI仪器网关、LXI仪器监管、LXI交换机和多块LXI仪器模块组成,如图1所示。

图1　LXI网络仪器

2.1LXI网络仪器的主要功能

LXI仪器网关功能

1) 提供LXI网络仪器的对外接口,支持LXI总线协议,可以直接互联网；

2) 提供LXI网络仪器的主时钟源,向仪器管理模块、仪器测量模块等发送同步时钟信号；

3) 具有一般局域网网关功能。

LXI仪器监管功能

1) 对LXI网络仪器中的所有仪器模块进行监控、维护和管理；

2) 具有SNMP代理功能,支持SNMP协议和仪器信息管理库MIB；

3) 具有LXI仪器WEB服务功能；

4) 具有LXI仪器模块自动发现自动配置功能；

5) 实现测量数据缓冲、处理、分析、封装、传输等功能；

6) 向仪器测试模块发送触发信号、检测信号等；

7) LXI网络仪器软面板的实时性测量服务。

LXI仪器模块,指不同测量功能的仪器模块,可以根据测控任务的需求配置,主要功能：

1) 支持LXI总线的简单协议 ,符合以太网接口标准；

2) 具有时钟同步机制,实时性响应处理功能；

3) 支持HiSLIP协议,SCPI协议等；

4) 用户定义的测试功能。

2.2LXI网络仪器的工作原理

图1是LXI主要模块组成,模块之间通过局域网互联,通过网关与广域网互联,用户可以在广域网上对仪器进行监督和管理,同时可以采集、分析加工和处理。LXI网络仪器具备LXI B和C类仪器的功能,因其支持LXI C类仪器支持的以太网协议, LAN的编程控制能力,同步API接口, IVI一COM仪器驱动器；提供标准的LAN接口以及Web浏览器接口；以及B类设备在C类设备的基础上引入的IEEE1588精密时钟同步协议；不过因为LXI网络仪器不具备硬件快速触发能力,因此LXI A类设备的功能目前还达不到。在仪器测量过程中,通过在LXI仪器监管模块中的软面板上或广域网的远程终端对仪器进行配置,之后LXI仪器监管模块对信息进行分析(分析信息是时钟同步的信息或是自动发现的信息或是管理的信息),然后按照用户的要求将信息发到测量前端的仪器模块。仪器模块按照要求进行测量,最后将测量结果发回到监管模块进行处理显示。

嵌入式LXI网络仪器的实现依赖于各模块(从底层的硬件驱动程序到顶层的应用程序)间的相互配合。主要的关键问题是：仪器应用软件的兼容问题,仪器模块之间时钟和信号的同步问题,仪器测量模块与LXI监管模块之间的通信问题,底层I/O接口与仪器模块之间的即插即用问题。

仪器应用软件如果能够兼容不同厂家不同型号的仪器设备或仪器模块,将会节约软件开发成本,同时给用户带来应用的便利,本文采用IVI技术解决应用软件兼容问题；按照IEEEE1588协议,采用软硬件协同设计思想实现精准时钟的同步问题,借鉴B类LXI总线仪器方法实现仪器模块之间触发信号的同步；用HiSLIP协议实现仪器模块之间的通信；采用VISA驱动技术、自动发现技术,远程配置技术等实现仪器模块的即插即用。

3　LXI网络仪器的实现

3.1仪器应用软件兼容性的实现

解决仪器应用软件兼容不同厂家不同型号的仪器设备或仪器模块的问题,本文采用IVI技术。IVI基金会于 1998 年推出的可互换虚拟仪器驱动程序规范实现了同类仪器的兼容性。由于不同的仪器具有的功能不同,因此不可能建立一个单一的编程接口,故IVI 基金会制定了两部分仪器类规范分别是基本能力和扩展属性。基本能力定义了同类仪器中绝大多数仪器共有的能力和属性；扩展属性则更多地体现了每类仪器的特殊功能和属性[4～5]。如图2,IVI 体系结构由IVI类驱动、IVI实体驱动、IVI引擎、IVI配置程序、IVI配置信息文件组成。在应用测试程序中调用类驱动程序,类驱动程序调用特定驱动程序,因此,即使测试系统的具体仪器改变,也不会使类驱动程序的测试代码受到影响。

图2　IVI体系结构

IVI类驱动是仪器的功能与属性的集合,通过这个集合来控制一类仪器,如示波器类、万用表类。类驱动则会调用实体仪器的具体驱动。IVI实体驱动是各厂商实体仪器的硬件驱动,负责解释每个动作的意义,将具体功能解析为仪器能够识别和执行的SCPI指令。IVI引擎则包含如何去获取、确认和更新仪器属性的方法。建立在由IVI引擎驱动的属性机制的基础上,IVI实现了状态缓存、范围检测、状态检测及仪器仿真功能。

3.2网络仪器精准时钟同步的实现

IEEE1588标准所定义的标准同步方案分两步实现：偏移测量、延迟测量[6]。偏移测量阶段用于修正主从时钟的时间差。如图2所示,主时钟(Master)以多播方式周期性发出一个确定的同步信息(Sync Messsage) (缺省为 1次 / s) ,它包含了一个时间戳,是同步信息真实发送时间 (T1) 的估计值。由于同步信息包含的是预计发送时间并不是实际发送时间,因此主时钟发出同步信息后又多播发送一个跟踪信息(Follow_Up Message),该信息也包含了一个时间戳,准确地记载了同步信息的实际发送时间(T1)。这样做可以使报文传输和时间测量分开进行,相互不影响。从时钟(Slave)使用跟踪信息中的实际发送时间(T1)和接收方的实际接收时间(T2),则从时钟与主时钟之间的偏移Offset为

Offset(Offset=T2-T1-Delay)

其中Delay为信息在网络中的传输延时延迟测量阶段用于测量网络传输中的延时。为了测量网络传输延时,IEEE 1588定义了一个延迟请求信息(Delay_Req Message)。从时钟收到同步信息后在(T3)时刻向主时钟单播发送延迟请求信息(Delay_Req Message),主时钟收到延迟请求信息后单播发送延迟响应信息(Delay_Resp Message),延迟响应信息里的时间戳反映出准确的接收时间(T4),并发送给从时钟,故从属时钟就可以非常准确地计算出网络延时。

Delay=T4-T3+Offset

与偏移测量阶段不同的是 ,延迟测量阶段的延迟请求信息包是随机发的 ,并没有时间限制。故可得：

Delay= [T2-T1+T4-T3] /2

Offset= [T2-T1-T4+T3] /2

最后根据Offset修正从时钟。需要提出的是这里假设的是：Delay是双向一致的,且不同信息报文的延时也是一样的。

图3　1588时钟同步实现

3.3测量模块与L监管模块之间通信的实现

仪器与模块间通信交互通过HiSLIP(High-Speed LAN Instrument Protocol)高速以太网仪器协议实现,HiSLIP是基于TCP的仪器控制协议,可以提供传统上的测试和测量功能。该协议是IVI联盟针对于远程仪器控制而提出的,协议结构清晰、形式简洁、容易实现。

协议的服务器端程序流程如图4所示。代理在初始化时,会在同一个端口(4880)上创建两个TCP连接,一个作为同步通道,一个作为异步通道。在同步通道上可双向发送字符型命令,代理将数据按照HiSLIP的帧格式封装,并交由下层TCP协议封装。

程序启动时会申请套接口并绑定4880端口,然后侦听端口,若是有连接请求则查询是否超过最大连接数,如果超过则拒绝请求,没有则建立连接。建立连接后创建子进程将父进程的链接信息复制一份,然后进行数据的传输。主进程会查询是否有关闭连接的请求,如果有则会关闭连接,如果没有则继续侦听端口。

图4　建立socket链接的流程图

3.4底层I/O接口统一的实现

LXI接口VISA 库为用户提供了统一的函数接口,仪器驱动和用户应用程序只需根据库中标准的函数形式进行调用即可,是用户彻底摆脱了以往不同仪器需要使用不同 I/O 接口软件的状况。VISA 库对于作于不同平台,不同仪器接口类型之上的仪器采用同样的接口函数,而且 VISA 还可以工作于多种操作系统平台及不同的软件开发环境中,因此基于 VISA 库的程序具有非常良好的可移植性,目前大部分虚拟仪器的驱动程序和用户应用程序都是通过调用 VISA 来实现对仪器的控制,如图5所示。

图5　VISA结构示意图

由图5可以看出,VISA函数的调用极大地方便了开发者,使用起来比不复杂。因此选VISA作为底层I/O库的自动测试系统来统一各接口之间的差异是完全合适的,对系统的标准化和统一也有极大的促进作用。

4　嵌入式LXI网络仪器验证仿真

基于前两节的设计思想以及实现方法,搭建环境进行了验证仿真。LXI仪器模块可以有一块或多块,一般分为4线、6线、8线、12线、16线、24线和32线LXI网络仪器,本次测试使用8个仪器模块,其中6个仪器模块、1个监管模块以及1个网管模块,模块之间集中管理,将我们自己做的开发板作为代理与仪器模块相连,与后台搭建进行测试,将PC、代理、路由器组建成一个小型的局域网。分别对部分功能进行验证和仿真。

4.1精密时钟同步的测试

经过测试精密时钟同步主从时钟的时间差主要分布在为15μs～20μs之间,最大不超过20μs,最小为3μs。延迟波动为几个μs,测试结果如图6所示。表明代理的主从时钟达到了亚微秒级别的时钟同步,基本实现了IEEE1588标准的时钟同步功能。

图6　误差测试结果图

4.2模块间通信的测试

此功能的测试,使用MINI2440开发板作为代理,将编写的hislip程序烧写到开发板中,开发板使用以太网与上位机连接。由此测试hislip的通信功能。图7为上位机(192.168.1.109)与代理(192.168.1.230)之间通过hislip协议通信的网络数据包捕获结果。

图7　模块通信图

由图7可以看到,在使用hislip协议通信时,上位机向代理发送*ESR?(事件状态寄存器查询)SCIP命令后,代理收到命令后做出了相应的响应。完成了一次通信的过程。

4.3仪器应用软件兼容性的测试

由于目前还没有完全实现这个模块,因此这里使用实体的示波器代替进行了仪器应用软件兼容性测试。如图8和9所示。

图8　实体仪器与虚拟信号发生器对比

图9　实体仪器与虚拟信号发生器对比

5　结语

本文结合LXI总线技术和网络仪器概念,提出了一种基于嵌入式系统实现的可用于远程实时监管的网络化测控的嵌入式LXI网络仪器的设计思想和方案,并基于该方案的设计思想通过局域网搭建8个仪器模块,对其主要功能进行验证和仿真。通过分析测试结果测试结果。证明嵌入式

LXI仪器的方案是可行的。而且这对于提升管理站对网络设备的监控能力具有十分重要的意义。当然,LXI网络仪器还有很多方面需要改进,会继续对其进行研究分析。

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Embedded LXI Network Instrument

LI YoumouXUE XianHUANG DiLIU Xiaobing

(School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an710061)

In today’s networked instruments flourish, to realize the remote real-time accurate control of networked measurement and control system become a problem to be solved. In this paper, in-depth analysis of the current mainstream of VXI, PXI bus and LXI instrument is done, combined with the Internet technology, Ethernet technology is used as the instrument’s internal bus, in accordance with the requirements for the performance of the instrument measuring is improved, the design thought and scheme of the embedded LXI instrument network are put forward. The traditional instruments in all parts of the card are distributed to different module based on local area network interconnection, the instrument module interconnection distance is expanded, the problem of instrument module distribution over a long distance to the object to be tested in local place is solved, connection of the instrument modules each other as well as monitoring, data exchange more flexible. Through local area network set up eight instrument module, according to the design idea of this scheme to validate its function and the simulation. Test results show that the scheme is feasible.

LXI, IVI, IEEE1588, Hislip, VISA

2016年3月8日,

2016年4月29日

嵌入式LXI网络仪器开放及产业化(编号：2015KTCQ01-14)；陕西省重大科技创新专项资助项目(编号:2010ZKC02-08)资助。

李宥谋,男,教授,研究方向：嵌入式系统设计与开发。薛仙,女,硕士研究生,研究方向：计算机应用技术。黄迪,男,硕士研究生,研究方向：计算机应用技术。刘小兵,男,硕士研究生,研究方向：计算机技术。

TP216DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.042