PXI和LXI实现通信测试自动化的设计 - 全文

　　要点

　　上世纪80年代美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，即采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和储存。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，极大提高了测试系统的处理能力。与此同时，人们对于虚拟仪器系统中硬件与计算的连接方式对于测试系统整体性能带来的影响，表现出了前所未有的关注。

　　仪器早已能和控制器通信并且互相通信，来为这类应用服务。这种能力可追溯到上世纪60年代末，当时HP公司发明了HP接口总线（HP-IB），被制定为IEEE-488标准，并起了一个与厂商无关的名字--通用接口总线（GPIB）。很多仪器早已配备以电脑为中心的通用接口，比如RS-232、USB等等。但这些接口都有局限性。GPIB电缆又粗大又贵，并且数据速率有限。USB电缆无处不在，也很便宜，但接口不具备针对仪器的特性，而且把通信局限于单台电脑附近的几部仪器。

　　LXI标准和PXI标准正在克服这些局限性。这些标准各自的支持者们分别以LXI联盟和PXI系统联盟为代表，在夏秋两季的行业活动期间，他们大力宣传各自标准的特性和好处。人们可以使用符合其中某种标准的仪器或是混合系统，来为自己的实验室带来自动化测试能力。几家厂商表示：不存在某种单一的仪器系统体系结构来用于所有应用，他们在同时支持两种标准，或至少是在研究这些标准（表1中的突出显示部分）。

　　所谓LXI就是一种基于以太网技术等工业标准的、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IEEE 802.3、TCP/IP、网络总线、网络浏览器、IVI-C0M 驱动程序、时钟同步协议（IEEE1588）和标准模块尺寸的新型仪器。与带有昂贵电源、背板、控制器、MXI卡和电缆的模块化插卡框架不同，LXI模块本身已带有自己的处理器、LAN连接、电源和触发输入。LXI模块的高度为一个或二个机架单位，宽度为全宽或半宽，因而能容易混装各种功能的模块。信号输入和输出在LXI模块的前面，LAN和电网输入则在模块的后面。LXI模块由计算机控制，所以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系统也不需要如VXI或PXI系统中的0槽控制器和系统机箱。一般情况下，在测试过程中LXI模块由一台主机或网络连接器来控制和操作，等测试结束后它再把测试结果传输到主机上显示出来。LXI模块借助于标准网络浏览器进行错误浏览，并依靠IVI-C0M驱动程序通信，从而便利了系统集成。

　　如果人们正在从事微波领域的工作，他们将需要LXI系统或者配备LXI微波仪器的混合系统。在PXI规格方面，Phase Matrix公司提供26.5GHz PXI-1420下变频器，而Pickering Interfaces公司则提供PXI微波开关。Aeroflex公司和National Instruments公司的通用PXI射频信号源和接收器分别达到最高6GHz和6.6GHz.PXI射频模块制造商并不打算增加带宽，而是以支持新兴技术为目标。例如，Aeroflex公司最近宣布了其PXI系统的新型LTE测量能力。相比之下，人们能买到的几乎任何类型的台式仪器大概都提供符合LXI的版本。例如， Rohde & Schwarz公司刚刚推出了它的R&S ZVA67，这是一种10MHz至67GHz矢量网络分析仪。该仪器符合LXI C类。

　　另外，如果人们需要某种远程访问形式，或者必须覆盖长距离，那么事实能够证明LXI是首选技术。例如，如果人们需要对雷达工作距离开展测试，其中的信号源和接收器相隔数百米，那么LXI系统就能轻松完成在别的方式下不切实际的测量（参考文献1）。

　　另一方面，PXI提供了一种方式来轻松配置某个仪器系统，无须处理LAN问题，也无须IT部门参与。PXI天生就在背板上的仪器之间提供时钟同步，LXI B和C类仪器具有这种能力，但较常见的C类版本不具备这种能力，特别是在射频与微波范围内。而且，PXI系统可以用很高的速率来输送数据，执行仪器外的存储与分析。

　　推动LXI

　　Agilent Technologies公司的Von Campbell是LXI联盟的主席，他于去年9月16日在Autotestcon大会上说：“目前，1211种产品获得了LXI认证，比12个月以前增加了大约50%.”他说，在同一时期，配备LXI连接的仪器家族从64种增加到了140种，有24家会员公司拥有符合LXI的产品。他指出：LXI涵盖了高性能测试系统的构建工作所需的所有主要产品类别，并且在仪器能力方面没有缺憾。

　　与Campbell一起在Autotestcon大会上发表关于LXI讲话的还有The Mathworks公司Matlab与Simulink测试与测量产品经理Rob Purser，Pickering Interfaces公司销售与营销经理Bob Stasonis，Agilent Technologies公司资深营销工程师Chris Van Woerkom，VTI Instruments公司业务开发副总裁Tom Sarfi.

　　Purser指出，LXI“充分利用电信浪潮”来为测试系统降低互连成本并确保长期稳定性。他说以太网具有30年的演变历史，并一直保持着兼容性。多数LXI实施工作都不需要特殊硬件，但Purser告诫人们不要购买 最便宜的以太网电缆来用于各自的仪器系统。他说LXI补充了当前的技术，使人们可以用LXI来配合GPIB、PXI或VXI系统。

　　Agilent公司的Van Woerkom 详细介绍了LXI的能力，说它为测试系统提供了一套协调的LAN通信服务，为仪器支持LAN发现功能，为仪器定义了标准的网页，规定了可互换虚拟仪器（IVI）驱动程序，要求为达标产品开展互操作性测试，并为触发与同步提供了扩展特性。

　　与IT部门打交道

　　IT的英文是Information Technology，即信息产业的意思，较为广泛：目前IT业的划分方法有各式各样，其中以美国商业部的定义较为清楚和合理，它将国民经济的所有行业分成IT业和非IT生产业。其中IT业又进一步划分为IT生产业和IT使用业。IT生产业包括计算机硬件业、通信设备业、软件、计算机及通信服务业。至于IT使用业几乎涉及所有的行业，其中服务业使用IT的比例更大。由此可见，IT行业不仅仅指通信业，还包括硬件和软件业，不仅仅包括制造业，还包括相关的服务业，因此通信制造业只是IT业的组成部分，而不是IT业的全部。

　　如果人们与各自的IT部门打过交道，他们也许会认为LAN连接是问题，而不是特性。在Autotestcon上发表讲话时，Pickering Interfaces公司的Stasonis介绍了在把仪器连接到公司的网络时，如何避免意想不到的困难。他还在如何与防火墙和IT部门打交道方面提供了一些建议， 他说IT部门关心正常运行时间和安全问题，这可以理解。

　　Van Woerkom说，如果自动化测试系统要求不高，那么某种不会令IT部门不安的配置也许会获得通过。他介绍了一种系统，其中的PC、路由器以及符合LXI的仪器位于一个孤立的子网中（图1）。人们可以让路由器利用DHCP协议来配置仪器，但如果人工分配IP地址和别名，则可避免与地址再分配相关的问题，并简化编程。他说：“程序喜欢固定的地址。”

　　图1，Agilent Technologies公司的Chris Van Woerkom说，人们可以买一部路由器来把PC和LXI仪器连接到公司网络中，并且不会使IT部门感到不安。

　　在结束Autotestcon的讲话时，VTI Instruments公司的Sarfi概括了A、B、C类的仪器特征。C类是基本配置，确保与其它LXI C类仪器的互操作性。多数符合LXI的射频和微波仪器属于C类，但是VTI公司制造的是符合A类的微波开关。B类仪器实施IEEE 1588标准，以便在仪器之间提供同步，各仪器都包含自己的时钟，其速率与邻近仪器略有不同。Sarfi说，B类系统包含一个计时主设备和几个从设备，利用时间戳来使时间差保持在数十纳秒范围内。他最后描述了A类仪器，它们包含一条8道M-LVDS总线来支持硬件速度下的精确异步握手，误差限于传播延时。

　　LXI仪器在微波领域得到广泛运用。其中一个例子就是Rohde & Schwarz公司最近推出的R&S ZVA67，这是一种符合LXI C类的10 MHz至67 GHz矢量网络分析仪。该仪器在67 GHz的动态范围是110 dB，可用于研发以及生产应用。

　　在Autotestcon，The Mathworks公司演示了如何利用Matlab软件以及Agilent公司和Tektronix公司符合LXI的仪器来测试电缆阻抗特征。

　　NI公司提供PXI硬件和软件定义仪器测试能力来促成多标准通信设备的测试，其中包括对GPS、蓝牙、Wi-Fi、WiMax的支持。

　　从台面到PXI

　　PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展） 是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。

　　如果把所有仪器都插到一块背板中，就无需IEEE 1588同步或单独的硬件总线。National Instruments公司（NI）射频与通信产品营销工程师David Hall说：“假设你想同步两台数字化仪。旧的示波器方法是连接背部的一些电缆。利用PXI方法，你只须说‘使用PXI一号触发线’，一切都搞定。从时序和同步角度看，所有使用一条共同数字总线的模块有一些天生的优势。” Hall详细说明了PXI对通信系统设计的好处，特别是对于涉及MIMO无线电的测量。如果利用传统仪器，他说：“执行这些测量的方式就是买两台矢量信号分析仪，连接后部的电缆， 并希望 本地振荡器（LO）是同步的。在PXI方法中，模块天生就同步，你只须把它们放在同一个机箱里。”

　　Hall引用了另一个通信例子。美国导航学会（ION）于去年9月22日至25日在佐治亚州萨瓦纳召开了2009年ION全球导航卫星系统（GNSS）会议，与会者试图构建更好的GPS接收器。Hall说，他们把PXI系统拿到野外，从空中获得了原始的卫星信号。他解释说，PXI背板既是命令总线也是数据总线，并且PXI Express能实时输送获得的I/Q样本，直到占满硬盘。人们然后可利用存储的样本来运用和优化接收器原型。

　　为了强调NI公司的承诺--确保PXI硬件能与该公司的LabView共同服务于通信应用，该公司院士Mike Santori于去年8月5日在NIWeek大会发表讲话时说，NI公司成立了一个由通信专家组成的内部研发团队。为了使公司的硬件和软件的研制符合其预定计划，团队成员们开发了一种LTE基站仿真器。

　　使用习惯

　　如果你是一名台式仪器用户，从事某个LXI和PXI都适合的应用，那么在转向自动化时，你对平台的选择可以围绕你的经验、舒适水平和年龄来展开。NI公司的Hall说，他在大学时学会了使用示波器，要点就是由仪器为他提供诊断信息，使他能做出决定。随着PC在测试应用中的广泛使用，把测量信息存入PC，并用PC来控制仪器和辅助决策，就成了一件重要任务。他说，虽然LXI和GPIB使台式仪器自动化成为可能，但这并不是最初开发这些仪器时为它们安排的基本用途。

　　Hall承认，用户喜欢旋钮和按钮的感觉，并且首次接触仪器自动化的用户可能会发现编程想法很吓人。他在大学读的是电脑工程，但仍然发现C语言编程任务有些难。他说，图形方式的LabView语言简化了这项任务，并且该公司提供许多样本程序来帮助新用户入门。

　　ZTec Instruments公司制造包括PXI和LXI规格在内的数字化仪，公司总裁Christopher Ziomek说，作为一名工程师，如果他想在实验室中做测量，那么他会自然倾向于拿一台Tektronix示波器来用。他指出了一些实际的考虑事项。例如，如果你想在给被测的PXI示波器做上电循环的同时做测量，那么你将需要两个PXI机箱，一个用于被测的示波器，一个用于测试设备。尽管Ztec公司开发了Zscope软件，可在电脑屏幕上模仿传统示波器的前部面板，但Ziomek说：“我用有旋钮的装置时觉得更舒服。”

　　最终，多种仪器规格都会有发展空间，厂商们对此将会加以利用。例如，Tektronix公司（Ziomek喜欢用该公司制造的传统工程示波器来做实验室工作）在NIWeek大会上说，它正在与NI公司合作开发一种10Gsps的3GHz PXI数字化仪。Tektronix公司首席技术官Craig Overhage表示，公司已在研究如何把它的高带宽高采样率示波器技术带给那些偏爱模块式仪器体系结构的客户。Overhage说，他认为PXI示波器和传统示波器有不同的用途，并且预计新型PXI示波器（NI公司将负责营销）的推出不会影响该公司那些受欢迎的传统仪器的销售。