要點(diǎn)
- 儀器與控制器通信以及彼此間通信的能力可追溯到上世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)HP公司發(fā)明了HP接口總線(HP-IB)，被制定為IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)，并起了一個(gè)名字——通用接口總線(GPIB)。
- PXI標(biāo)準(zhǔn)和LXI標(biāo)準(zhǔn)正在克服HP-IB和GPIB的種種局限性。
- 在PXI方面，模塊天生就同步，只須把它們放在同一機(jī)箱中即可。
- LXI產(chǎn)品涵蓋了高性能測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建工作所需的所有主要產(chǎn)品類別，并且在儀器能力方面沒有缺憾。
- 最終，多種儀器規(guī)格都會(huì)有發(fā)展空間。
當(dāng)人們?cè)跒橥ㄐ藕推渌冗M(jìn)應(yīng)用設(shè)計(jì)復(fù)雜的器件和系統(tǒng)時(shí)，他們經(jīng)常需要用一些能夠互相通信的儀器來做測(cè)量。例如，人們也許需要把信號(hào)源和分析儀同步，來評(píng)估某種原型，或者需要執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)量，來收集大量特征描述數(shù)據(jù)。
儀器早已能和控制器通信并且互相通信，來為這類應(yīng)用服務(wù)。這種能力可追溯到上世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)HP公司發(fā)明了HP接口總線(HP-IB)，被制定為IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)，并起了一個(gè)與廠商無關(guān)的名字——通用接口總線(GPIB)。很多儀器早已配備以電腦為中心的通用接口，比如RS-232、USB等等。但這些接口都有局限性。GPIB電纜又粗大又貴，并且數(shù)據(jù)速率有限。USB電纜無處不在，也很便宜，但接口不具備針對(duì)儀器的特性，而且把通信局限于單臺(tái)電腦附近的幾部?jī)x器。
LXI標(biāo)準(zhǔn)和PXI標(biāo)準(zhǔn)正在克服這些局限性。這些標(biāo)準(zhǔn)各自的支持者們分別以LXI聯(lián)盟和PXI系統(tǒng)聯(lián)盟為代表，在夏秋兩季的行業(yè)活動(dòng)期間，他們大力宣傳各自標(biāo)準(zhǔn)的特性和好處。人們可以使用符合其中某種標(biāo)準(zhǔn)的儀器或是混合系統(tǒng)，來為自己的實(shí)驗(yàn)室?guī)碜詣?dòng)化測(cè)試能力。幾家廠商表示：不存在某種單一的儀器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來用于所有應(yīng)用，他們?cè)谕瑫r(shí)支持兩種標(biāo)準(zhǔn)，或至少是在研究這些標(biāo)準(zhǔn)（表1中的突出顯示部分）。
如果人們正在從事微波領(lǐng)域的工作，他們將需要LXI系統(tǒng)或者配備LXI微波儀器的混合系統(tǒng)。在PXI規(guī)格方面，Phase Matrix公司提供26.5GHz PXI-1420下變頻器，而Pickering Interfaces公司則提供PXI微波開關(guān)。Aeroflex公司和National Instruments公司的通用PXI射頻信號(hào)源和接收器分別達(dá)到最高6GHz和6.6GHz。PXI射頻模塊制造商并不打算增加帶寬，而是以支持新興技術(shù)為目標(biāo)。例如，Aeroflex公司最近宣布了其PXI系統(tǒng)的新型LTE測(cè)量能力。相比之下，人們能買到的幾乎任何類型的臺(tái)式儀器大概都提供符合LXI的版本。例如， Rohde & Schwarz公司剛剛推出了它的R&S ZVA67，這是一種10MHz至67GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。該儀器符合LXI C類。
另外，如果人們需要某種遠(yuǎn)程訪問形式，或者必須覆蓋長(zhǎng)距離，那么事實(shí)能夠證明LXI是首選技術(shù)。例如，如果人們需要對(duì)雷達(dá)工作距離開展測(cè)試，其中的信號(hào)源和接收器相隔數(shù)百米，那么LXI系統(tǒng)就能輕松完成在別的方式下不切實(shí)際的測(cè)量（參考文獻(xiàn)1）。
另一方面，PXI提供了一種方式來輕松配置某個(gè)儀器系統(tǒng)，無須處理LAN問題，也無須IT部門參與。PXI天生就在背板上的儀器之間提供時(shí)鐘同步，LXI B和C類儀器具有這種能力，但較常見的C類版本不具備這種能力，特別是在射頻與微波范圍內(nèi)。而且，PXI系統(tǒng)可以用很高的速率來輸送數(shù)據(jù)，執(zhí)行儀器外的存儲(chǔ)與分析。
推動(dòng)LXI
Agilent Technologies公司的Von Campbell是LXI聯(lián)盟的主席，他于去年9月16日在Autotestcon大會(huì)上說：“目前，1211種產(chǎn)品獲得了LXI認(rèn)證，比12個(gè)月以前增加了大約50%。”他說，在同一時(shí)期，配備LXI連接的儀器家族從64種增加到了140種，有24家會(huì)員公司擁有符合LXI的產(chǎn)品。他指出：LXI涵蓋了高性能測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建工作所需的所有主要產(chǎn)品類別，并且在儀器能力方面沒有缺憾。
與Campbell一起在Autotestcon大會(huì)上發(fā)表關(guān)于LXI講話的還有The Mathworks公司Matlab與Simulink測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品經(jīng)理Rob Purser，Pickering Interfaces公司銷售與營銷經(jīng)理Bob Stasonis，Agilent Technologies公司資深營銷工程師Chris Van Woerkom，VTI Instruments公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Tom Sarfi。
Purser指出，LXI“充分利用電信浪潮”來為測(cè)試系統(tǒng)降低互連成本并確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。他說以太網(wǎng)具有30年的演變歷史，并一直保持著兼容性。多數(shù)LXI實(shí)施工作都不需要特殊硬件，但Purser告誡人們不要購買 最便宜的以太網(wǎng)電纜來用于各自的儀器系統(tǒng)。他說LXI補(bǔ)充了當(dāng)前的技術(shù)，使人們可以用LXI來配合GPIB、PXI或VXI系統(tǒng)。
Purser說，盡管以太網(wǎng)有這些能力，但僅有它是不夠的。如果僅使用以太網(wǎng)（許多儀器的確具有以太網(wǎng)接口），那么人們將需要一種方式來配置數(shù)百個(gè)LAN選項(xiàng)，來發(fā)現(xiàn)儀器，來把測(cè)試與測(cè)量軟件連接到儀器，來協(xié)調(diào)各項(xiàng)測(cè)量活動(dòng)。他說LXI提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)LAN配置，來處理人們?cè)诎褍x器連接到LAN時(shí)必須處理的所有細(xì)節(jié)。為了表明設(shè)置LXI系統(tǒng)可以有多容易，Purser在The MathWorks公司的Autotestcon展位演示了一種信道測(cè)試設(shè)置，它包含Agilent公司和Tektronix公司的儀器，它們與運(yùn)行The MathWorks公司Matlab軟件的PC共同工作。
Agilent公司的Van Woerkom 詳細(xì)介紹了LXI的能力，說它為測(cè)試系統(tǒng)提供了一套協(xié)調(diào)的LAN通信服務(wù)，為儀器支持LAN發(fā)現(xiàn)功能，為儀器定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁，規(guī)定了可互換虛擬儀器(IVI)驅(qū)動(dòng)程序，要求為達(dá)標(biāo)產(chǎn)品開展互操作性測(cè)試，并為觸發(fā)與同步提供了擴(kuò)展特性。
與IT部門打交道
如果人們與各自的IT部門打過交道，他們也許會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)AN連接是問題，而不是特性。在Autotestcon上發(fā)表講話時(shí)，Pickering Interfaces公司的Stasonis介紹了在把儀器連接到公司的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何避免意想不到的困難。他還在如何與防火墻和IT部門打交道方面提供了一些建議， 他說IT部門關(guān)心正常運(yùn)行時(shí)間和安全問題，這可以理解。
Van Woerkom說，如果自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)要求不高，那么某種不會(huì)令I(lǐng)T部門不安的配置也許會(huì)獲得通過。他介紹了一種系統(tǒng)，其中的PC、路由器以及符合LXI的儀器位于一個(gè)孤立的子網(wǎng)中（圖1）。人們可以讓路由器利用DHCP協(xié)議來配置儀器，但如果人工分配IP地址和別名，則可避免與地址再分配相關(guān)的問題，并簡(jiǎn)化編程。他說：“程序喜歡固定的地址。”
圖1，Agilent Technologies公司的Chris Van Woerkom說，人們可以買一部路由器來把PC和LXI儀器連接到公司網(wǎng)絡(luò)中，并且不會(huì)使IT部門感到不安。
如果人們必須與校園各處或全球各地的儀器通信，或者如果他們希望提供實(shí)驗(yàn)室儀器的遠(yuǎn)程訪問，那么IT的參與就很關(guān)鍵。據(jù)Stasonis說，人們將需要確定所需IP地址的數(shù)量， 定義一個(gè)等待時(shí)間最短且發(fā)現(xiàn)功能簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且描述與帶寬相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信量以及將使用的服務(wù)和協(xié)議。另外他還說，你將需要決定在何處把測(cè)試結(jié)果存檔，以及如何處理系統(tǒng)更新，例如病毒防護(hù)的系統(tǒng)更新。
在結(jié)束Autotestcon的講話時(shí)，VTI Instruments公司的Sarfi概括了A、B、C類的儀器特征。C類是基本配置，確保與其它LXI C類儀器的互操作性。多數(shù)符合LXI的射頻和微波儀器屬于C類，但是VTI公司制造的是符合A類的微波開關(guān)。B類儀器實(shí)施IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，以便在儀器之間提供同步，各儀器都包含自己的時(shí)鐘，其速率與鄰近儀器略有不同。Sarfi說，B類系統(tǒng)包含一個(gè)計(jì)時(shí)主設(shè)備和幾個(gè)從設(shè)備，利用時(shí)間戳來使時(shí)間差保持在數(shù)十納秒范圍內(nèi)。他最后描述了A類儀器，它們包含一條8道M-LVDS總線來支持硬件速度下的精確異步握手，誤差限于傳播延時(shí)。
LXI儀器在微波領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。其中一個(gè)例子就是Rohde & Schwarz公司最近推出的R&S ZVA67，這是一種符合LXI C類的10 MHz至67 GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。該儀器在67 GHz的動(dòng)態(tài)范圍是110 dB，可用于研發(fā)以及生產(chǎn)應(yīng)用。
在Autotestcon，The Mathworks公司演示了如何利用Matlab軟件以及Agilent公司和Tektronix公司符合LXI的儀器來測(cè)試電纜阻抗特征。
NI公司提供PXI硬件和軟件定義儀器測(cè)試能力來促成多標(biāo)準(zhǔn)通信設(shè)備的測(cè)試，其中包括對(duì)GPS、藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMax的支持。
從臺(tái)面到PXI
如果把所有儀器都插到一塊背板中，就無需IEEE 1588同步或單獨(dú)的硬件總線。National Instruments公司(NI)射頻與通信產(chǎn)品營銷工程師David Hall說：“假設(shè)你想同步兩臺(tái)數(shù)字化儀。舊的示波器方法是連接背部的一些電纜。利用PXI方法，你只須說‘使用PXI一號(hào)觸發(fā)線’，一切都搞定。從時(shí)序和同步角度看，所有使用一條共同數(shù)字總線的模塊有一些天生的優(yōu)勢(shì)。” Hall詳細(xì)說明了PXI對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好處，特別是對(duì)于涉及MIMO無線電的測(cè)量。如果利用傳統(tǒng)儀器，他說：“執(zhí)行這些測(cè)量的方式就是買兩臺(tái)矢量信號(hào)分析儀，連接后部的電纜， 并希望 本地振蕩器(LO)是同步的。在PXI方法中，模塊天生就同步，你只須把它們放在同一個(gè)機(jī)箱里。”
Hall引用了另一個(gè)通信例子。美國導(dǎo)航學(xué)會(huì)(ION)于去年9月22日至25日在佐治亞州薩瓦納召開了2009年ION全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)會(huì)議，與會(huì)者試圖構(gòu)建更好的GPS接收器。Hall說，他們把PXI系統(tǒng)拿到野外，從空中獲得了原始的衛(wèi)星信號(hào)。他解釋說，PXI背板既是命令總線也是數(shù)據(jù)總線，并且PXI Express能實(shí)時(shí)輸送獲得的I/Q樣本，直到占滿硬盤。人們?nèi)缓罂衫么鎯?chǔ)的樣本來運(yùn)用和優(yōu)化接收器原型。
為了強(qiáng)調(diào)NI公司的承諾——確保PXI硬件能與該公司的LabView共同服務(wù)于通信應(yīng)用，該公司院士Mike Santori于去年8月5日在NIWeek大會(huì)發(fā)表講話時(shí)說，NI公司成立了一個(gè)由通信專家組成的內(nèi)部研發(fā)團(tuán)隊(duì)。為了使公司的硬件和軟件的研制符合其預(yù)定計(jì)劃，團(tuán)隊(duì)成員們開發(fā)了一種LTE基站仿真器。
團(tuán)隊(duì)成員Ian Wong是NI公司資深射頻通信軟件工程師，在化解通信設(shè)計(jì)難題方面為團(tuán)隊(duì)帶來了學(xué)術(shù)與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。Wong為NIWeek與會(huì)者們介紹了LTE帶來的挑戰(zhàn)（參考文獻(xiàn)2）。他說，當(dāng)LTE在今年推廣時(shí)，將支持300 Mbps數(shù)據(jù)速率，而如今常用的EDGE技術(shù)僅為500 kbps。LTE基站將每秒執(zhí)行20萬次2048點(diǎn)快速傅里葉變換(FFT)，并將包含300 Mbps Turbo碼解碼器，它們共同帶來了每秒數(shù)萬億次運(yùn)算性能。Wong所在的團(tuán)隊(duì)利用一種PXI Express系統(tǒng)構(gòu)建了這種基站仿真器，該系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)雙核控制器，后者與一塊PXI中頻收發(fā)FPGA板通信，而這塊板又為L(zhǎng)TE基站發(fā)射器執(zhí)行物理層處理。一個(gè)PXI射頻上變頻器把輸出提供給被測(cè)器件。來自該器件的信號(hào)被輸送到射頻下變頻器，然后到達(dá)中頻收發(fā)FPGA板。
使用習(xí)慣
如果你是一名臺(tái)式儀器用戶，從事某個(gè)LXI和PXI都適合的應(yīng)用，那么在轉(zhuǎn)向自動(dòng)化時(shí)，你對(duì)平臺(tái)的選擇可以圍繞你的經(jīng)驗(yàn)、舒適水平和年齡來展開。NI公司的Hall說，他在大學(xué)時(shí)學(xué)會(huì)了使用示波器，要點(diǎn)就是由儀器為他提供診斷信息，使他能做出決定。隨著PC在測(cè)試應(yīng)用中的廣泛使用，把測(cè)量信息存入PC，并用PC來控制儀器和輔助決策，就成了一件重要任務(wù)。他說，雖然LXI和GPIB使臺(tái)式儀器自動(dòng)化成為可能，但這并不是最初開發(fā)這些儀器時(shí)為它們安排的基本用途。
Hall承認(rèn)，用戶喜歡旋鈕和按鈕的感覺，并且首次接觸儀器自動(dòng)化的用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)編程想法很嚇人。他在大學(xué)讀的是電腦工程，但仍然發(fā)現(xiàn)C語言編程任務(wù)有些難。他說，圖形方式的LabView語言簡(jiǎn)化了這項(xiàng)任務(wù)，并且該公司提供許多樣本程序來幫助新用戶入門。
ZTec Instruments公司制造包括PXI和LXI規(guī)格在內(nèi)的數(shù)字化儀，公司總裁Christopher Ziomek說，作為一名工程師，如果他想在實(shí)驗(yàn)室中做測(cè)量，那么他會(huì)自然傾向于拿一臺(tái)Tektronix示波器來用。他指出了一些實(shí)際的考慮事項(xiàng)。例如，如果你想在給被測(cè)的PXI示波器做上電循環(huán)的同時(shí)做測(cè)量，那么你將需要兩個(gè)PXI機(jī)箱，一個(gè)用于被測(cè)的示波器，一個(gè)用于測(cè)試設(shè)備。盡管Ztec公司開發(fā)了Zscope軟件，可在電腦屏幕上模仿傳統(tǒng)示波器的前部面板，但Ziomek說：“我用有旋鈕的裝置時(shí)覺得更舒服。”
Ziomek還說，Ztec公司那些更年輕的工程師們覺得模塊式規(guī)格用起來更舒服，并且很喜歡在平板PC上運(yùn)行Zscope。模塊式儀器還能提高工作效率。憑借PXI或LXI儀器和電腦接口，工程師們更有可能實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化，而如果受限于傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器，他們就必須人工多次重復(fù)測(cè)量。
最終，多種儀器規(guī)格都會(huì)有發(fā)展空間，廠商們對(duì)此將會(huì)加以利用。例如，Tektronix公司（Ziomek喜歡用該公司制造的傳統(tǒng)工程示波器來做實(shí)驗(yàn)室工作）在NIWeek大會(huì)上說，它正在與NI公司合作開發(fā)一種10Gsps的3GHz PXI數(shù)字化儀。Tektronix公司首席技術(shù)官Craig Overhage表示，公司已在研究如何把它的高帶寬高采樣率示波器技術(shù)帶給那些偏愛模塊式儀器體系結(jié)構(gòu)的客戶。Overhage說，他認(rèn)為PXI示波器和傳統(tǒng)示波器有不同的用途，并且預(yù)計(jì)新型PXI示波器（NI公司將負(fù)責(zé)營銷）的推出不會(huì)影響該公司那些受歡迎的傳統(tǒng)儀器的銷售。
參考文獻(xiàn)
1. Nelson, Rick, “LXI speeds gigahertz measurements,” Test & Measurement World, November 2007, pg 49.
2. “Prototyping Complex Communications Systems,” National Instr uments, NIWeek video, Aug 12, 2009.