原创 LXI测量系统的架构

LXI测量系统的架构

最新的LXI（LAN Extensions for Instrumentation）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与测量功能。当与最新一代的测试仪器结合使用之后，基于LXI的系统能够完成高级的测试测量功能，这种功能对于非LXI测试系统而言是很难实现的。本文将通过一个原型测试系统来说明：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。

一、传统测量系统的架构

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测量设备进行连接，采用IEEE-488（即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。很少有应用仅仅用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。

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连接的物理容量。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。随着系统规模的扩大，应用软件的复杂性以及开发、测试和维护应用的难度都将迅速增大。这主要是由于应用程序必须管理测量顺序和时间顺序，同时要确保合理地排列和关联测量数据集。由于没有能够实现伪并行操作的综合编程技术，在控制器为其他系统组件服务的同时，很大一部分系统都处于空闲状态，从而降低了测量的效率和产能。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。尽管一台低档的PC机成本比较低，但是它也会占用空间，产生功耗，并且需要人工维护。它还会增加系统集成的耗费，违背应用本来的需求。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。每个子系统可以采用单独的处理器，从而能够实现所有子系统的并行操作。另外，如果子系统之间通过网络互连在一起，那么就不必将它们紧密放置在一起了。

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。它可以向上扩展，几乎可以容纳任意数量的通道、数据集和数据速率，可以按照应用的需求构成物理上分散分布的测量系统。

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工程师的实现方式。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或其他基于模块化的解决方案。

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。

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。当然，局域网触发方式具有与硬连线触发方式不同的时序特征，但是这种触发方式为物理上分散分布的系统提供了一个可行的方案，这是硬连线触发方式所无法实现的。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：各个设备应该实现一个统一的触发模型，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。

例如，如果可以启动某个LXI设备的三个操作来响应LXI硬件触发总线上收到的某个信号，那么局域网触发事件、或基于IEEE 1588时序的触发事件、或IVI驱动触发功能，等，都能够启动那三个同样的操作。LXI标准还建议：一个触发事件应该能够启动多个触发操作，这进一步增大了局域网触发器的灵活性。

如果采用可编程的LXI设备来实现，这种统一的触发框架能够实现更强大的功能，例如，支持嵌入式脚本语言的LXI设备。在具有脚本处理功能的设备中，用户可以设定一个非常复杂的测试脚本，执行该脚本可以响应任意类型的触发事件；或者设定多个测试脚本，执行每个脚本响应不同的触发事件。在必要的情况下，我们可以在设备工作过程中修改测试脚本，针对应用条件的需要动态重构测试系统。

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——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。当用于具有脚本处理功能的设备中时，这些LXI特性将以强大、灵活和可扩展的方式增强LXI设备与测试系统和应用之间的交互能力。

二、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Web页上，或者通过局域网传给另外一个系统。

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仪器通过去掉每个子系统所需的独立控制器提高了系统的扩展性。


背景知识：

LXI T&M系统

LXI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规范主要致力于仪器接口的标准化，并定义一套服务，让用户能够构建出针对应用而优化的系统架构。

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。这种互联方式相比GPIB、USB或串行连接方式，能够使用户更方便地构建出成本低廉的互联系统。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。实现一个兼容LXI标准的最简以太网接口的成本很低，非常适合一些功能简单的设备。不过，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。

以太网也能够轻松支持物理上分布的系统，千兆和几千兆的以太网可以满足大数据集和高数据速率的测试需要。利用以太网互连技术，我们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，那么我们必须要将设备和其控制器紧密放置在一起。