LXI - новое поколение измерительных систем

26-го сентября 2004 года консорциум ведущих мировых производителей и пользователей контрольно-измерительного оборудования объявили о создании LXI (LAN eXtensions for Instruments – расширения LAN для приборов) – новый стандарт измерительных систем. Консорциум LXI, образованный в 2004 году для повышения скорости работы систем, снижения их стоимости, уменьшения их размеров, сокращения времени, затрачиваемого на настройку и установку систем, а также для повышения роли программного обеспечения. С использованием Ethernet (IEEE 802.3) в качестве главного интерфейса, появилась возможность в полной воспользоваться плодами эволюции компьютерной отрасли. Использование преимуществ ряда существующих стандартов Ethernet, средств, характерных для сети Internet, протоколов LAN, стандарта физических размеров IEC и драйверов IVI дает возможность перейти на более быстрый ввод/вывод, избавиться от крейтов и дорогих кабелей ввода/вывода, а также усилить роль программного обеспечения. Консорциум обнаружил, что появилась возможность создать системную архитектуру, которая просуществует гораздо дольше чем те, что основаны на динамично изменяющихся компьютерных интерфейсах. Создание архитектуры, основанной на широко распространенных и проявивших себя стандартах, позволяло воспользоваться уже готовым средством и создать долгосрочное решение для разработчиков измерительных систем.
Стандарт LXI содержит следующие секции:
• 3 класса LXI (A, B и C)
• Физический уровень
• Спецификации LAN
• Настройки LAN
• Обнаружение по LAN
• Интерфейсы программирования
• Web-интерфейс
• Связь модуль-модуль
• Запуск по LAN
• Аппаратная синхронизация
• Безопасность
• Документация
• Лицензии
• Совместимость
Стандарт LXI концентрируется на четырех основных областях – физических требованиях, протоколах Ethernet, интерфейсах LXI и запуске по LAN. Стандарт – это комбинация требуемых, а иногда и рекомендуемых, элементов и, пока осуществляется переход на новый стандарт, те варианты, которые с его развитием будут запрещены, но пока допускаются к использованию. Данная статья посвящена описанию требований и рекомендаций, которые со временем станут нормой.
Что такое три класса LXI?
Класс C – это основной класс LXI. Его требованиям должны отвечать и все другие классы. Устройства класса С должны соответствовать физическим требованиям, поддерживать протоколы Ethernet и стандарты интерфейса LXI.
Класс B соответствует всем требованиям класса C плюс добавляет запуск по LAN и протокол синхронизации во времени IEEE 1588. Класс A удовлетворяет всем требованиям классов C и B и добавляет шину аппаратного запуска.

Рис. 1. Три класса приборов LXI.
Класс С: LAN интерфейс, LAN протоколы, обнаружение LAN, интерфейс IVI, «Домашняя страница» прибора, Индикаторы/кнопка Reset, Питание/Охлаждение/Размер
Класс B: Добавляет синхронизацию IEEE 1588 (в плане сообщений ошибка, видимо – это функция класса С)
Класс С: Добавляет шину аппаратного запуска

Что такое физическая форма LXI?
LXI был разработан для достижения абсолютной гибкости. Он позволяет соединять как настольные приборы, обладающие передней панелью, так и модули без лицевой панели, предназначенные для использования в составе стоек или маленькие приборы, которые можно прикреплять к каким-то конструкциям, вешать на стену или присоединять к какому-то устройству. В отличие от PXI и VXI, которые ограничены заданными размерами модулей, приборы LXI могут иметь тот размер, который требуется при данном конкретном применении.
Для тех приборов, которые предназначены для использования в составе стойки, спецификация LXI рекомендует соответствие спецификации IEC в виде приборов полной или половинной ширины стойки с высотой 2RU (Rack Units – Стоечных Единицы) или выше. Консорциум LXI определил новые размеры – высотой 1 RU и половинной шириной, которые представляются очень привлекательными для разработчиков измерительных систем. Эти модули обладают достаточным местом для размещения печатных плат, чтобы приборы этого размера были функциональными, и вместе с тем хорошо помещались в стандартную стойку – снимая надобность использования крейтов.

Рис. 2. Физические требования LXI

(Сверху-вниз-слева-направо) Питание (100-240 Vac), шина запуска (для класса А), Ethernet 802.3 (RJ-45), Высота (в Стоечных Единицах (RU) IEC), Охлаждение, Требования к электромагнитным помехам, Индикаторы (Состояние LAN, состояние питания, состояние IEEE1588), Сигналы, Ширина (полная ширина стойки IEC или ½).
Модули LXI отличаются от PXI и VXI еще и тем, что они самодостаточны. Каждый обладает собственным питанием, охлаждением, системой запуска, защитой от электромагнитных помех, интерфейсом Ethernet. Если используется переменный ток, они используют общепринятые стандарты питания (100V-240V и 47-66 Гц), а при постоянном токе они работают при 48 вольтах и наличии изоляции. Также допускается питание через Ethernet. Охлаждение должно осуществляться с боков или с передней/задней частей, чтобы было возможно устанавливать один модуль над другим без снижения производительности. Каждый модуль должен соответствовать требованиям по электромагнитным помехам, существующим в стране, где он применяется. Устройство LXI должно иметь порт LAN и соответствовать правилам IEEE 802.3 стандарта Ethernet. Стандарт рекомендует определенное положение кабеля питания (на задней панели справа) и выключателя питания (на задней панели снизу справа), коннектора Ethernet (на задней панели в дальнем конце справа), разъемов подключения к сигналам (на передней панели) и индикаторов LAN/питание/IEEE 1588 слева на передней панели. Для приборов, обладающих приборной панелью, индикацию LAN/питание/IEEE 1588 можно отображать на дисплее, а приборы, имеющие клавиатуру, могут осуществлять функцию перезагрузки LAN напрямую с нее.
Что такое требования Ethernet стандарта LXI?
Все приборы LXI должны использовать стандартный интерфейс IEEE 802.3 Ethernet (рекомендуется использование разъема RJ-45). Они должны использовать протокол TCP/IP версии IPv4 как минимум и поддерживать сообщения IP (internet protocol) TCP (transmission control protocol) и UDP. Стандартом LXI рекомендуется Gigabit Ethernet (хотя допускается 10 и 100 megabit LAN). Используется автообщение, поэтому устройства в сети работают по умолчанию на общей скорости. Устройства должны обладать функцией auto-MDIX (автоматическое распознавание полярности кабеля LAN) или, на период перехода к новому стандарту, допускается размещать этикетку на прибор с указанием, какая полярность кабеля им поддерживается.
В плане адресов у каждого устройства LXI должен быть MAC адрес, который неизменен и IP адрес, который можно изменить через DHCP (dynamic host configuration protocol), автоприсвоение IP или вручную ввести IP адрес. Приборы LXI поддерживают динамическую регистрацию имен хостов, где IP адрес сопоставлен сетевым хостом с более понятным пользователю именем. Правила адресации обеспечивают сосуществование приборов LXI в одной сети без дополнительных усилий со стороны пользователя.
Приборы LXI должны также применять обнаружение по LAN VXI-11, чтобы их можно было легко идентифицировать в сети. Консорциум LXI находится в поиске других механизмов обнаружения (таких как универсальный принцип plug&play) для использования в дальнейших версиях стандарта. Приборы LXI должны, как минимум, отвечать на команду “IDN?” отправкой своей идентификационной информации.
Как работает интерфейс связи с LXI приборами?
Стандарт LXI предполагает два пути связи с приборами LXI – программно с применением драйверов IVI или интерактивно с использованием стандартного W3C веб-браузера.
В программном режиме приборы LXI должны поддерживать драйверы IVI (IVI-COM или IVI-C). Драйверы IVI-COM легко взаимодействуют со всеми современными языками программирования (такими как Microsoft Suite), а драйверы IVI-C работают с более старыми языками на базе ANSI-C, поддерживаемыми в LabWindows CVI. Консорциум LXI рассматривает поддержку стандартных драйверов как возможность избежать лишних затрат времени на программирование, требуемых для работы с прибором LXI.
В интерактивном режиме приборы LXI должны иметь веб-страницу в формате HTML, которую можно просматривать в любом стандартном веб-браузере. Эта страница должна содержать, как минимум, следующую информацию:
• Номер модели прибора #
• Информацию о производителе
• Серийный номер прибора
• Описание прибора
• LXI-класс прибора (A, B или C)
• Версию стандарта LXI
• Имя хоста
• MAC адрес
• TCP/IP адрес
• Номер версии программной прошивки или ПО
• Время IEEE 1588 (Только для приборов классов A и B)
На рис. 3 приведен пример «домашней страницы» модульного источника питания Agilent N6700B с ключевой информацией.

Рис. 3.

С помощью доступа к «домашней странице» прибора, устройство LXI должно также позволять пользователю настроить:
• Имя хоста
• Описание
• Конфигурацию TCP/IP, включая IP адрес, подсеть, шлюз, используемый по умолчанию, а также параметры DNS-серверов
• Статус и индикацию наличия ошибок (рекомендуется)
• Защиту страницы паролем (рекомендуется)
Рис. 4 это пример, показывающий, как с помощью «домашней»страницы многофункциональной системы измерения/коммутации Agilent E34980A можно одним нажатием на кнопку мыши открывать/закрывать соединения с модулями. Замечание: мониторинг и контроль за прибором – это дополнительные функции, которые не требуются стандартом LXI.

Рис. 4. Веб-страница прибора 34980A с матричной картой

Что есть нового в LXI, чего нет в других архитектурах?
Запуск и синхронизация LXI – это главное преимущество LXI, которое совмещает достоинства телекоммуникаций на базе Ethernet, новый стандарт синхронизации во времени IEEЕ 1588 и возможность использования аппаратной шины запуска VXI.

Класс С стандарта LXI (включающий требования к протоколу LAN, обнаружению, адресации и драйверам) не предъявляет требований к запуску. Он допускает используемые отдельными производителями средства аппаратного запуска и запуск по LAN (подобно тем, которые требуются в классах А и B).
Класс B стандарта LXI требует запуска по LAN и применения протокола синхронизации во времени IEEE 1588. Запуск по LAN – это особое сообщение, отправленное по LAN одним прибором другому (точка-точка) или транслируемое всем приборам в сети (мультивещание). Запуск в режиме точка-точка дает гибкость, недоступную при прежних архитектурах, т.к. с применением протокола LAN сигнал запуска может поступить от любого LXI прибора любому LXI прибору. Запуск методом мультивещания аналогичен Запуску Группы в интерфейсе GPIB, при котором одно устройство LXI может отправить сообщение всем устройствам в сети LAN. Те из них, которые запрограммированы на реакцию – начнут действовать. Режимы передачи точка-точка и мультивещание всегда были частью стандарта Ethernet, но LXI применил этот протокол специально для запуска устройств и приборов в системе на базе LXI.
Устройства класса B стандарта LXI добавляют новый тип синхронизации – использование протокола синхронизации во времени IEE 1588. Каждый прибор класса B имеет встроенный тактовый генератор и программное обеспечение протокола IEEE 1588. (для наиболее точной синхронизации в прибор также встроена ПЛИС, которая помогает сообщениям IEEE 1588 миновать обычный стек протоколов TCP/IP.) В системе IEEE 1588 приборы LXI класса B синхронизируют свои тактовые генераторы для достижения единой установки времени (по самому точному генератору в сети) Синхронизировав свои тактовые генераторы, приборы LXI могут начать измерения/действия в заданное время, синхронизировать измерения или выходные сигналы без использования специальных кабелей для синхронизации и проставлять отметку времени на все события и данные. Этот протокол используется, в основном, в измерительных стойках или для приборов, разделенных большими расстояниями.
Приборы LXI класса B обладают джиттером менее 100 нс, в зависимости от точности встроенного тактового генератора. В лабораториях Agilent (где был изобретен этот стандарт), джиттер достигал примерно 2 нс, и в будущем будут достигнуты даже лучшие результаты. IEEE 1588 открывает целое поле новых возможностей в области измерений, привязанных ко времени и измерений, синхронизированных во времени, без использования внешних кабелей. IEEE 1588 в сочетании с запуском по LAN открывает новую эру в измерениях, т.к. приборы способны передавать информацию и данные о времени без использования компьютера, работающего в режиме реального времени. Потенциал этих возможностей сейчас еще только исследуется. Приборы LXI класса B должны также соответствовать требованиям стандарта LXI класса С.
Приборы LXI класса A добавляют еще один способ запуска – аппаратную шину запуска. Это восьмиканальная M-LVDS (multi-point low voltage differential signal – многоточечный дифференциальный сигнал низкого напряжения) аппаратная шина, которая может соединять находящиеся на близком расстоянии друг от друга приборы в топологии гирлянды, звезды или комбинации этих двух топологий. Шина запуска обеспечивает прохождение сигнала между приборами с крайне незначительной задержкой – порядка 3 нс на метр. Устройства класса А должны также удовлетворять требованиям и LXI класса B (IEEE 1588), и LXI класса С (протоколы LAN).

Рис. 5. Синхронизация LXI

Какова роль LXI в отрасли контрольно-измерительного оборудования?

LXI – это логичная замена приборов с интерфейсом GPIB. Хотя GPIB находится на службе отрасли свыше 35 лет, его обошли по скорости уже несколько интерфейсов. За Ethernet стоит вся мощь компьютерной индустрии, этот стандарт не только прошел проверку временем (он был изобретен еще раньше GPIB) – он уже превзошел возможности GPIB. Возможность обмена сообщениями в режиме точка-точка или мультивещания в сочетании с развитием скорости передачи данных (10 Гб LAN при использовании медных проводов) и гибкостью (возможностью применения оптоволокна и беспроводных решений) предопределили ситуацию – LAN – это логичный выбор для приборов будущего. В результате приборы LXI будут использоваться везде, где сейчас используются приборы GPIB – в телекоммуникациях, аэрокосмической/оборонной отраслях, автомобильной отрасли, промышленности, медицине, отрасли бытовой электроники и в сфере полупроводников.
Приборы VXI будут и далее использоваться в военной отрасли, а также там, где есть приложения, предполагающие сбор данных с большого количества точек, где важна плотность канала. PXI, без сомнения, будет использоваться в приложениях с малым количеством точек как более экономичная замена VXI для приложений, где требуется небольшое, портативное решение. Однако, ограничения, налагаемые использованием крейтов, заставили большинство производителей перенести фокус своего внимания на LXI. (см. список участников Консорциума LXI) Интерфейс USB будет использоваться, в основном, в недорогих приборах настольного исполнения, где требуется только периодическое подключение к ПК.
Какие еще приложения будут использовать LXI?
Кроме очевидно подходящей для LXI отрасли тестирования электроники можно назвать контроль на производстве и удаленный сбор данных. Это может быть контроль установок для обработки воды, насосных станций, гидроэлектростанций, ветряных электростанций, погодных станций, систем нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также контроль процессов. Все эти применения предполагают удаленный сбор данных и будут задействовать отметки времени и синхронизацию во времени, предоставляемые приборами LXI класса B. Использование стандарта IEEE 1588 уже становится важной частью процесса автоматизации производства и роботехники; LXI может стать следующим шагом вперед в системах контроля в этих отраслях.
Какова ситуация с доступностью приборов LXI?
Некоторые производители измерительного оборудования (включая Agilent Technologies, VXI Technologies, Rohde & Schwartz, Pickering Interfaces и Elgar Electronics) уже вывели на рынок приборы LXI. Многие другие в настоящее время также разрабатывают приборы нового стандарта. Их количество со временем будет только увеличиваться – в этом нет никакого сомнения.

Грант Дренкоу (Agilent Technologies)