LXI揭示未來測試的主流

本文作者:admin       點擊: 2006-03-07 00:00
前言:
在這篇文章見刊之際,由所有主要的測試與量測(T&M)公司所組成的聯盟即將發表LXI(LAN eXtensions for Instruments)的最後規格,LXI很可能是繼1972年發明HP-IB(惠普介面匯流排)以來,量測產業最重要的大事。過去30多年來,量測業界已經推出數十萬部的GP-IB(HP-IB)儀器,如今,LXI將為儀器和PC之間的主要通訊匯流排重新定向,由IEEE-488(通用介面匯流排)轉換成乙太網路(Ethernet)標準。如同GP-IB一樣,LXI也是依據大部分PC中所普遍使用的業界標準通訊匯流排,但現在的款式選擇已經不限於機架層疊(rack-and-stack)式的GP-IB儀器或模組式的卡槽箱(cardcage)產品,如VXI或PXI。LXI可以在單一種測試系統架構中,同時支援標準式的儀器(含面板顯示幕和操作按鍵)以及儀器模組(不含面板的儀器),LAN也成為這種系統的通訊骨幹。 

讓我們來看看LXI儀器的主要特性,及其與原有的GPIB、VXI和PXI產品有何不同。 

實體面 
LXI儀器使用標準的機架單位,如IEC Publication 60297所定義。這些尺寸與現有整個機架寬的GPIB儀器相同,因此在實體的尺寸上,LXI和GPIB儀器是相容的。雖然IEC標準未訂定半個機架寬的儀器規格,但一些量測設備供應商都推出了半個機架寬的GPIB儀器,因此,為了確保上架時的相容性,LXI聯盟特別定義了半個機架寬儀器的最大尺寸,如下圖所示。每一家LXI設備供應商都得負責提供將模組固定在機架上所需的上架裝置,這樣一來,就可以確保來自不同廠商之半個機架寬的LXI模組可以順利地組合在一起。(圖1、表1)

許多人認為LXI真正的好處是無面板的小型模組,其尺寸可以小至1U(1個機架單位)高,半個機架寬。LXI聯盟訂定LXI儀器的半個機架寬規格,包括新的1U高、半個機架寬的尺寸,已經奠定了小型儀器的基礎。 

相較於VXI和PXI的無面板模組,以無面板的模組建構的LXI系統多了幾項優點。第一,LXI模組不需要使用含多層背板、高速風扇、高性能電源供應器、slot 0控制器、或用以連結卡槽箱和PC之特殊通訊介面的昂貴卡槽箱。第二,LXI模組可以與其它LXI儀器和既有的GPIB儀器大小剛好地並排固定在機架上。第三,LXI模組可以依據性能需求來調整尺寸大小,不像卡槽箱式的產品在尺寸的限制下,只能犧牲性能。

散熱面
LXI模組有自己的散熱系統,這些儀器會從側面吸入空氣,再從背後排出。半個機架寬的模組也經過特別的設計,即使模組的一側完全被與它並排固定在機架上的另一部儀器擋住,也能維持適當的散熱效果。模組的上面和底部不會進氣,因此可以在機架中堆疊擺放,中間不需要留空隙。

LXI模組可以自行提供達到其規格要求所需的適當散熱機制,這一點非常類似GPIB儀器,而VXI和PXI模組則無法自行提供散熱系統,必須仰賴卡槽箱中的風扇帶動空氣循環。因此,使用卡槽箱式的產品時,必須考量每個模組可能產生的熱氣、系統中的模組數量、以及卡槽箱可以提供的散熱量等問題。但使用LXI時,一點都不必擔心這些問題,因為每一個LXI模組都有足夠的散熱能力。

電氣面
每一個LXI模組都必須遵循所使用之地區或市場的CSA、EN、UL及IEC標準,每個模組都有適用於該市場(如FCC、VDE或Mil Std)的EMC隔離機制。模組可由標準的100-240伏、47-66Hz的單相交流電來供電,規格中還提出儀器也可以透過直流電壓或透過網路線(Power over Ethernet,POE)來供電。 

GPIB儀器依循的是相同的電源標準,而卡槽箱式的模組則仰賴卡槽箱的電源供應器提供的直流電壓,因此,VXI和PXI模組會受到卡槽箱的電源供應器所供應之電壓位準和電流量的限制。在某些情況下,這些模組必須自行提供穩壓機制,因為卡槽箱的電壓可能不夠穩,無法進行精確的量測。卡槽箱的電源供應器必須很大(通常也很昂貴),才能供應12或13個插入式模組所需的電力。在LXI中,每個模組都會自行將輸入的交流電源加以變壓整流,以滿足該模組的需求。 

LXI開關及指示器
LXI規格訂定了統一的開關、纜線及指示器的類型和位置。乙太網路的連接點(RJ-45)位在背板的左側,而電源接頭則位在右側,電源開關位在背板的右下角、電源接頭的旁邊,觸發匯流排的接頭則位在背板的右側、電源的旁邊。每一個LXI模組(不含面板)都必須有一個LCI(LAN設定啟動)按鍵,最好位在背板,此按鍵應標示為LAN RST或LAN RESET,並加上保護機構或必須按住一段時間後才能啟動,以防止不經意的誤觸。萬一模組與PC的通訊斷線時,LCI必須要將模組設定在某個已知的狀態。

LXI模組的信號連接點位在面板,LXI儀器在沒有面板顯示幕的情況下,必須在左下角提供三個指示燈。最下面的燈是電源指示器,供電後是綠色的。中間的燈是LAN指示器,正常運作時會呈現恆亮的綠色,當儀器被辨識出來時,綠燈會閃爍,如果LAN出現問題,則會亮紅燈。第三個燈是IEEE-1588指示器,當LXI儀器未同步時,不會亮,當它同步為IEEE-1588的從屬裝置時,會變為恆亮的綠色,當它變成IEEE-1588的主控裝置時,每一秒會閃一下,但若是系統中的最高一級主控裝置時,則每兩秒會閃一下,恆亮的紅燈則代表有問題。 

乙太網路
每一部LXI儀器都必須內建IEEE 802.3(LAN)連線能力,該網路至少必須支援IPv4版本的TCP/IP。規格建議使用Gigabit(1000BaseT)乙太網路,可經過網路協商機制降為100BaseT。規格也建議使用者採用CAT5纜線和至少能支援100BaseT的基礎架構來建置網路。雖然10BaseT是可以接受的,但我們預計幾乎所有廠商都會提供至少100BaseT的速度。在每秒100Mbits的情況下,LXI的速度大約比GPIB快12倍。 

所有的LXI儀器都必須透過顯示器或即使上架後仍然看得到的標籤來顯示MAC位址。LXI儀器必須具備通訊媒體的感應能力,以監測乙太網路連線狀況,包括是否有重複的IP位址出現。LXI儀器會假設如果某條連線中斷的時間短於20秒,表示使用者在更換纜線,該儀器恢復後會回到相同的IP位址。但如果使用者將LXI儀器斷線的時間超過20秒,則模組會認為該使用者已經永久斷線,該連線會消失。之後如果使用者要回到網路中,網路控制器會先嘗試使用該儀器原來的IP位址,但如果已經有別人正在使用該位址時,就必須換一個。

LXI儀器也必須支援Auto-MDIX功能,以檢查LAN的實體連接方式。當極性相反的時候,Auto-MDIX可以免除使用特殊的對接(cross-over)線的必要。在極罕見的情況下,當LXI模組無法建置Auto-MDIX功能時,必須使用一個標籤加以清楚的標示。

LXI儀器必須預設為自動協商(auto-negotiation)模式,也就是將運作模式(LAN的速度)設為網路可以達到的最高運作模式。 

LXI模組支援三種IP位址的設定方法,以提供最大的彈性。首先,LXI模組支援DHCP(動態主機配置協定),這是一種可以在含有路由器的大型乙太網路中自動指定IP位址的方法,大部分的內部網路都是使用DHCP。LXI模組在等待回應的時候,應該要設計30秒的DHCP逾時時間,而且為了減少過多的網路通訊流量,也應該要設計一個五分鐘的DHCP租用期間。其次,LXI模組也需支援動態配置連結的本機定址機制,這是在只有一部電腦的小型網路中所使用的方法。最後,LXI模組還需支援手動的IP定址方法,也就是使用者可以設定LXI儀器內定的IP位址。除此之外,LXI儀器也應該允許使用DNS(網域名稱系統)的IP位址,它可能會與DHCP的配置資訊有所不同,DNS是一種可以在不知道目前的DHCP位址的情況下,透過一個名稱來存取某個裝置的方法。所有的LXI模組都應該要執行重複位址偵測的動作,以確保模組一開始所使用的位址在網路上不會與其它儀器的位址重複。

這些乙太網路的規範都很重要,可以確保LXI模組和其它LAN裝置能在網路上有效率地運作。遵循這些規範所設計的LXI模組可以讓使用者充分利用現有的乙太網路軟體(已經存在大部分電腦中)與LXI模組進行通訊,而不需要擔心它如何運作的細節。舉例來說,使用者只要輸入LXI模組的URL,就可以透過標準的網頁瀏覽器輕易地存取該模組。

驅動程式
所有的LXI模組都必須有一個IVI驅動程式,建議最好使用與之相關的IVI類別模型,需有IVI驅動程式才能支援VISA的資源命名法則。LXI儀器必須支援VXI-11的資源發現機制,同時也需允許其它的資源發現機制。透過標準的驅動程式設計法則,可以確保LXI儀器有一致的程式設計方式。

網頁
LXI標準要求所有的LXI儀器必須提供一個包含該產品重要資訊的網頁,此網頁必須能透過標準的W3C 網頁瀏覽器來檢視,且要符合HTTP 1.1規格,HTML網頁版本需為4.01或更新的版本。網頁內容必須包含產品型號、韌體版本、製造商、IP位址、以及基本的配置設定資訊。在某些例子中,模組製造商還會為產品設計一個完整的使用者操作介面,可以利用標準的網頁瀏覽器來設定儀器和顯示結果。在下圖中,可以看到Agilent 34980A的網頁介面(圖2)能讓使用者透過滑鼠按鍵,檢視切換器的設定狀態以及打開/閉合各個開關,甚至還可以從這項產品內建的DMM進行觸發和顯示讀值。 

觸發
LXI標準依據所使用的觸發類型,定義了三種類別的產品。基礎類別(類別C)包含上面列出的所有要求(實體、電氣、乙太網路、網頁),但個別的產品供應商可自行設計最合適的觸發方式。類別B除了要涵蓋類別C的要求之外,也必須採用IEEE-1588觸發標準,類別A則在類別C和類別B的要求之外,再加入觸發匯流排。

IEEE-1588
IEEE-1588(乙太網路裝置的時間同步標準)是安捷倫科技實驗室十多年前開發出來的標準。IEEE-1588通訊協定會指定一個裝置的時鐘做為主時鐘,然後將網路上其它裝置的時鐘都與它同步(圖3 / 表2)。在幾秒鐘的過程中,主時鐘和從屬裝置的時鐘就會完成同步,準確度可達100奈秒或更小,視時鐘的準確度而定。藉由告訴每一部儀器何時開始進行量測或開始輸出信號,就可以執行儀器的觸發動作了。LAN通訊的額外負擔或延遲時間(latency)對被觸發的儀器沒有影響,因為這些儀器都是依據時間開始動作,而非透過LAN收到命令後開始動作。 

IEEE-1588在量測應用上是一種全新的典範。過去,當時序非常關鍵時,使用者常需透過接線或透過儀器間的背板送出觸發信號,但唯有當儀器的距離不是很遠時,這樣的同步機制才會有效。不過,有了IEEE-1588後,就不需要再使用觸發接線了,因為觸發是透過時間來設定的。這種方法開啟了實體上未相鄰之儀器間的同步量測可能性,並且提供了非常精確的方法,將多部儀器間的量測結果相互關聯在一起。實際上,IEEE-1588很可能會成為需要將信號和量測做精確關聯之應用的標準。

觸發匯流排
類別A產品中使用的LXI觸發匯流排是一種8個通道的多點LVDS信令(signaling)系統,可以將LXI模組設為觸發信號的來源和/或接收端,介面也可以設為導線或運算(wired OR)的配置。每一個模組都有一個輸入和輸出接頭,可以將各個模組串接(daisy chain)起來(圖4)。觸發匯流排的作用很類似VXI和PXI的背板觸發,可以配置成串列匯流排或星狀連接的型態。若LXI儀器和模組彼此在實體上離得不遠,則觸發匯流排不失為一種良好的解決方案,觸發匯流排可以將卡槽箱式系統的觸發優點帶進沒有卡槽箱的LXI系統中。

LXI的應用
LXI的設計可以將機架層疊式儀器和卡槽箱式產品的優點整合在單一架構中,因此,LXI在各式各樣的應用中都將廣受歡迎。 

不久的將來,桌上型儀器最有可能從GPIB轉換成LAN。舉例來說,安捷倫科技已經致力於推出以LAN做為其中一種介面的新儀器,這些產品仍然保有顯示幕和面板按鍵,但加入LAN以後,只要將這些儀器連上內部網路,就可以更容易地在不同部門之間共用儀器。這些儀器至少會合乎類別C的要求。

類別B的LXI產品在遠端或分散度高的應用中將最為普及,在這樣的應用中,儀器實體上距離很遠。許多資料蒐集的應用將會使用IEEE-1588的時序標準,將不同地點的量測和輸出信號加以同步。舉例來說,若要量測機翼在風洞中的偏斜特性,可能需要沿著機翼放置多部資料蒐集儀器,此時可以利用IEEE-1588為資料加上時間戳記,準確度可達微秒以下,這樣一來,就可以分析多重來源的資料,描繪出機翼擺動的真實狀況。 

類別A的LXI產品可提供測試系統設計人員最大的彈性,當儀器彼此靠得很近時,可以使用觸發匯流排將其動作同步,而當資料需要加上時間戳記時,則可以使用IEEE-1588。將高性能儀器(如頻譜分析儀)拆解成一個個組件(降頻器和數位轉換器等)的合成式儀器最有可能成為類別A的儀器。 

LXI無面板的模組(可以是三種類別的任何一種)最有可能在空間很寶貴的生產測試環境中被廣為採用。後勤測試(depot test)和可攜式的軍用測試系統已經計畫採用LXI合成式儀器,做為解決空間和重量限制的方案。 

儀器的未來發展 
LXI的迷人之處就在於它的開放性,它不僅可以支援LAN-based的儀器,而且透過轉換器,也可以支援GPIB、VXI和PXI的儀器 。雖然三十多年來,GPIB的儀器在量測上扮演了相當稱職的角色,但LXI無疑地將成為量測的下一個標準。類別C的儀器將取代GPIB儀器,成為新的桌上型標準,類別B的儀器也將開啟遠端量測同步的新契機,而類別A的LXI則會成為合成式儀器和無面板模組的標準。LXI正快速崛起,廣受業界採用,也開啟了量測的新紀元。

參考資料:
1. LXI Preliminary Specifications Rev 0.93 April 8, 2005, LXI Consortium


作者簡介:
Grant Drenkow是一位測試系統組件的解決方案規劃師,負責協助安捷倫科技規劃未來的LAN-based儀器、模組式LXI產品、以及測試系統軟體。他擁有電子工程學士學位以及行銷專長的MBA學位,曾經在美國空軍服務過6年的時間,擔任電子戰的軍官,於1983年加入惠普科技,負責過多種不同的行銷工作,包括產品支援工程師、應用工程師、區域業務工程師、以及產品行銷工程師等。他曾在歐洲待過四年,擔任VXI及軟體產品的產品線經理。在目前的職務之前,他負責管理VXI及測試系統組件的全球促銷工作。

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