LXI是過去數年來,多項發展在量測產業匯聚整合的結果。第一項因素是從特殊的量測專用技術改採電腦產業技術的決定性轉變,由乙太網路、PC及PC標準軟體在測試應用上的採用率及普及性愈來愈高,即可看出這樣的趨勢。乙太網路因成本低,使用得相當廣泛,再加上高頻寬的LAN介面以及功能愈來愈強的裝置發現和網路管理能力的激勵,因此在量測用戶間日漸受歡迎。第二項因素是IEEE 1588的推出,這項標準可將確定性的時序機制帶到LAN的環境中。IEEE 1588是電信和工業自動化產業廣泛採用的標準,其奈秒級的時序精確度相當適合量測上的應用。第三項因素是網頁介面已經成為使用者非常倚重和普遍使用的工具,可以存取儀器和應用軟體的資訊,以及與全球的同事分享儀器畫面。
找出真正的需求
在推出LXI之前,創始者訪問了許多系統整合者及使用者,請他們談談現有方案的優點及缺點,結果不出所料,系統整合者及測試設備使用者明確地表示想要尋求更簡單的系統整合方式以及更低的整體成本。他們喜歡卡槽箱(card cage)式產品的大小、便利和整齊性,但又希望有機架堆疊式(rack and stack)的選擇性和性能。大家買PXI的主要原因是尺寸適中和容易整合,他們喜歡只要將模組卡拉出來,放入一個新的,就可以更換的便利性,省卻了拉線和連接的複雜性。他們也喜歡能夠有多個高速觸發通道,有些人還提到高速IO,雖然大部分人都無法舉出真正需要超過每秒幾MHz之IO速度的應用。大部分卡槽箱產品的使用者都不喜歡它體積大又昂貴,不是太空就是太滿,也不喜歡它昂貴、過時的Slot-0控制器,還有,卡槽箱式的儀器較難除錯。
系統整合者咸認機架層疊式儀器的好處是容易使用、性能較佳、成本較低、以及產品選擇性較多。機架層疊式儀器具有簡易好用的操作介面,且因運算處理是分散在系統中進行,所以不太需要搬動大量的資料流。不過,系統整合者也覺得機架層疊式儀器過於笨重、包含了太多不需要的功能、而且儀器間的接線混亂又麻煩。
測試系統開發者一致地表示想要一種更簡單的整合方式。在理想的世界中,他們偏好開放式系統,有目前使用之產品的軟體可用,可連結常用的應用軟體和報告工具,如Excel,還支援瀏覽器以方便進行設定和除錯作業。他們希望硬體沒有廠牌的限制,可以讓他們混合及搭配不同製造商的儀器使用,他們也希望使用PC產業用的低成本IO,而非量測產業用的昂貴介面,如GPIB和MXI。
在這些訪談的過程中提出LAN-based的儀器和模組概念時,所有使用者都馬上展現濃厚的興趣,很多人甚至問量測產業怎麼會花這麼長的時間才走到這一步,總之,整體的反應皆相當積極、正面。
確立方向
LXI聯盟的創始者考量過多種電腦產業用的IO。電腦產業用的IO(特別是LAN)可提供開放式介面,是無數研發乙太網路技術的工程師不斷創新的結晶,有人提過:每天研發乙太網路的工程師人數超越了整個量測產業的工程師人數。LAN到處都有,且相較於量測產業的一些選擇,如MXI和GPIB,LAN的實體接線成本相當低。乙太網路允許使用多種媒介:同軸、Cat-5、光纖和無線等方式,它的速度很快,與作業系統無關,而且是對稱式的 - 不像USB有主從模式。不過,對量測產業來說,最大的吸引力可能還是它的穩定性,乙太網路存在的時間不亞於GPIB,但在使用數量的成長上已經遠遠超越了GPIB,且看不出有任何發展減緩的跡象。在1885中被編為802.3的乙太網路已經穩定存在了超過二十年之久,且各方面皆顯示未來還會繼續存在下去。乙太網路提供了量測工程師需要的穩定性,而其它插入卡式的產品則不然。它的成本低、穩定性高、普及率也高,且全球的工程師對它都不陌生,也很習慣使用。
定義LXI
LXI基本上是要用LAN取代GPIB和MXI。雖然只要用CAT-5取代GPIB和MXI纜線就可以降低成本和提供更高的便利性,但卻無法充分利用LAN的所有好處。過去20年來,乙太網路擴增的功能遠超過GPIB和MXI等量測介面。乙太網路已經從連接PC和印表機的點對點技術演變為功能強大的端對端技術,具有DHCP定址、網路管理能力、以及完備的診斷機制,且這些基本上都是免費提供的。LXI聯盟的想法是,與其另行為量測產業開創一種新的IO,不如善加利用所有乙太網路工程師已經發展出來的成果,因此LXI聯盟的標準基本上就是要提供在量測儀器中應用LAN的最佳實作準則。
LXI標準的設計是為了確保所有符合LXI標準的儀器,不論是哪一個廠牌的產品,都能在同一個網路中和平共存。LXI的規範和建議要求所有的LXI儀器都必須支援IEEE 802.3和TCP/IP,提供一致的使用經驗,且需容易使用。舉例來說,由於大部分網路都有DHCP伺服器,因此LXI可以省去既繁瑣又容易出錯的手動指定IP位址過程。(當然,使用者想要或需要的話,也支援固定的IP位址。)同樣地,LXI也定義了端對端的訊息傳送、觸發及程式撰寫等機制,不需要使用傳統的控制器,也沒有儀器和控制器之間的資料傳送效率不彰的問題,因此可提供系統整合者和測試系統開發者新的架構選擇。相較於許多以控制器為主的傳統系統,LXI的程式處理儀器速度快很多,且程式設計工作也簡單許多。
使用者告訴訪談的聯盟成員:不滿意卡槽箱式的儀器過於昂貴且產品的選擇性有限 - 無法找到他們想要的功能及性能,特別是高性能的RF儀器。為了提高儀器選擇的多元性及性能,同時降低成本,LXI聯盟將不必要的機構限制減到最少,讓廠商可以將鉅額的研發投資充分應用到其它格式中。量測產業每年都投資數億美元在研發工作上,LXI聯盟採取了一些步驟,以確保這些投資可以轉用到模組式的系統組件中。傳統上,卡槽箱式的儀器在尺寸上限制較多,迫使廠商必須訂製所需的工程介面卡,而無法直接使用較大型的機架層疊式儀器中多樣而豐富的電路板、組件和技術,LXI則去除了這項限制。
每一部LXI儀器都必須內建HTTP伺服器,以提供該儀器的網頁,讓使用者可以在任何WC-3相容的瀏覽器上瀏覽。對系統相容(system-ready)的LXI儀器來說,擁有定義完善的網頁介面是非常重要的,因為模組式的儀器沒有面板或顯示幕。根據聯盟成員的報告,網頁介面在客戶和系統整合者之間相當普及,因為它除了是功能強大的使用者操作介面之外,也能提供相當多的診斷和應用資訊。透過網頁介面,可以經由網路抓取儀器和模組的韌體版本及校準日期等資訊,因此能簡化資產管理的工作。此外,網頁介面也能讓工程師與身處不同地點的同事一起合作。
LXI儀器使用一致的API,這對於必須整合多家廠商設備的系統開發人員來說相當有幫助,可以透過單一種“語法”撰寫整個測試程式將能大幅簡化大部分測試系統的程式設計工作。LXI程式設計介面支援IVI Foundation制訂的標準,可確保程式是依循健全的程式設計慣例開發出來的,並且可以將資源的限制減到最小。IVI介面對大部分系統開發人員來說應該相當熟悉,當然,各家公司也可以依據特定的市場需求,自由加入任何其它的驅動程式或API。
有人提出為何需要使用IVI的疑問,何不採用透過網路執行(over-the-wire)的通訊協定、簡單的C程式或WebServices等方式?雖然簡單的程式驅動程式有一些吸引力,但IVI可以確保相容性,保證驅動程式間不會競逐資源或彼此干擾。WebServices看起來相當吸引人,我們相信假以時日,我們終究會走到這條路上,但目前,大家認為這項技術不夠成熟或穩定,不能納入成為一項要求。
觸發與同步
LXI規格的一項重要特性是提供了共通的觸發定義。LXI儀器可以透過LAN送出一個觸發信號給一個或多個其它的LXI設備,類似於傳統儀器透過硬體連接的觸發線所提供的同步能力,只是沒有接線而已。LXI規格定義了統一的觸發機制,可以由幾種不同的觸發事件的其中一種加以啟動,以提高LAN觸發的可用性(usability)和簡化整合的工作。當然,這種統一的觸發機制若搭配前面描述的內嵌式程式撰寫能力和端對端傳送能力使用的話,功能會更加強大。LXI也針對需要傳統觸發接線之低抖動特性的應用,定義了共通的硬體連線觸發,可以簡化系統整合者的工作。觸發匯流排為25 pin 100 MHz的差動式LVDS介面,它有8個通道,能以星狀或串接的方式單獨地指定。TriggerBus定義的是基本的要求,各個模組可能會有特定應用或市場所要求的其它接頭。
最後,LXI規格最強大的功能之一莫過於IEEE 1588同步標準。IEEE 1588可以讓LAN上的不同裝置自動且無感地將其系統時鐘同步到一個高精確度的時間標準上,100ns的準確度是很尋常的,實驗室所做的實驗甚至達到了低於10ns的準確度。透過IEEE 1588,這樣的同步不需任何使用者的介入即可做到。儘管IEEE 1588定義了同步時鐘的標準,但卻沒有提到時鐘同步以後要如何使用。LXI標準填補了這個缺口,它以LAN和時間為基礎的觸發功能定義了如何在實際的量測應用中,運用同步時序的方法。在LXI的架構中,IEEE 1588可以提供確定性的時序,這是LAN中一直以來所缺少的機制。它也可以讓測試系統中的不同設備獨立自主地執行複雜的事件序列,不需系統控制器的介入。從更實際的層面來看,它可以將資料加上時間戳記,簡化了同步的問題,特別是在通道數多的分散式系統中。它也可以透過LAN埠,使用軟體進行確定性觸發,簡化接線以及將儀器升級的麻煩。
三種儀器類別
LXI定義了三種基本的儀器類別,主要的差別在於觸發能力。LXI原本的構想是要做為模組式的規格,使用半個機架寬乘以1U或2U的高度。但與系統整合者討論過後,很快就發現業界對統一的LAN-based儀器規格的需求不僅止於這些模組而已。舉例來說,LXI規格對LAN、網頁和觸發功能的一致定義對全尺寸之機架層疊式儀器的設計也會有幫助,同樣地,許多資料蒐集和感測器的應用所需要的設備則遠比上架型儀器小,可以透過網路線直接供電(Power Over Ethernet或POE),將接線簡化為單一條乙太網路線。為了因應真實世界中,系統整合者所描述的不同使用模式需求,LXI規格特別定義了三種基本的類別。
最基礎的類別(類別C)簡單講就是一種一致的LAN實作準則,可以讓廠商將LAN功能加入儀器和模組中,且保證可以與其它廠商的LXI產品相容互運。類別C也定義了一致的網頁介面UI和IVI API,是所有LXI設備都通用的。必須符合這些基本條件後,才能貼上LXI的標誌。雖然適當時候也定義了標準的尺寸,但這些設備可以採用任何的尺寸或配置方式。類別B涵蓋了類別C的全部定義,再加上IEEE 1588時間標準,類別A則是類別B(和類別C)的全部定義再加上硬體觸發匯流排。當然,所有設備都可以在基礎類別中加入其它的功能。
結語
隨著未來測試系統的不斷演變,乙太網路將扮演一個重要的角色,因此LXI在未來也將具有舉足輕重的地位。產業的實況是系統的使用年限都很久,因此系統整合者和系統開發者將會在往後的很多年當中,看到所謂的”混合式系統”,機架堆疊式、VXI、LXI、PXI等將會同時存在系統中,通常就像是LAN上的另一個節點一樣。LXI已將這一點列入考量,成立混合式系統的工作小組。LXI規格訂定的是可擴充的功能及性能,可讓用戶在開發和設計驗證階段使用全功能的單機式儀器,以及/或是在生產環境或空間有限的應用中使用模組式儀器。無論是什麼情況,在設計階段所開發的軟體都可以全程移轉使用。當開發人員需要較小的系統時,不需要從一種儀器跳到另外一種,而是可以使用完全相同的軟體,得出完全一致的規格,因為電路板和組件都是一樣的。
系統整合者會發現LAN-based系統的接線較簡單,且具有與印表機和其它週邊裝置相同的自動發現及定址功能,因此更容易配置設定和除錯。LXI也充分利用乙太網路完善的網路管理診斷工具,提供量測用戶前所未有的能力。由量測產業的領導廠商、系統整合者和使用者共同合作所發展出的LXI規格標記了測試產業往前跨出的一大步,如需更詳細的資訊,請造訪LXI的網站:
www.lxistandard.org。
作者簡介
Bob Rennard是LXI聯盟的主席,在量測業務上的經歷相當豐富,橫跨產品工程及行銷兩大領域。除了共同成立LXI聯盟之外,Bob也曾負責籌組一家RF和光纖領域的新公司,並發行股本投資(equity investment)計畫。Bob擁有工程學位及西北大學的MBA學位。