LXI – инструментальный стандарт будущего

Вступление

Постараемся ответить на простой с виду вопрос: что послужило толчком к появлению нового стандарта LXI (LAN eXtensions for Instrumentation – коммуникационный стандарт для промышленной сети на базе стандартных сетей Ethernet)? Для ответа обратимся к опыту специалистов, которые отмечают, что основные трудности при разработке автоматизированных тестовых систем связаны с такими факторами, как

• усложнение технических требований;
• необходимость аппаратной привязки средств измерений к конкретной компьютерной платформе;
• совместимость оборудования, имеющего разные интерфейсы и разных производителей;
• сокращение бюджетов и сжатые сроки внедрения;
• дефицит ресурсов по разработке ПО и необходимость привлечения сторонних программистов.

Становится очевидно, что нужен более экономичный, широко доступный и универсальный инструмент.

История и краткий обзор LXI

Появление LXI было обусловлено лавинным развитием сетевых технологий и значительным увеличением пропускной способности Ethernet-каналов. Пер­вая версия стандарта LXI (LXI Device Specification, Revision 1.0) была представлена в сентябре 2005 года как более быстродействующая и эффективная альтернатива интерфейсу GPIB, служившего свыше 30 лет одним из основных коммуникационных каналов между прибором и компьютером.

Сегодня LXI-инструменты используют все преимущества технологии ЛВС (LAN), сочетают самые лучшие стороны GPIB, VXI и PXI, но в отличие от них не требуют специальных кабелей и дорогостоящих встроенных в прибор интерфейсных контроллеров. Тестовые системы на основе LXI могут масштабироваться от небольшой локальной сети до распределённой глобальной системы, подключённой к Интернету.

За прошедшие годы стандарт уже несколько раз обновлялся и дополнялся. Самой актуальной является LXI Device Specification 2011, Revision 1.4, May 18, 2011 (Спецификация LXI-устройства 2011, редакция 1.4 от 18 мая 2011 г.). Она детализирует технические требования, которым должны следовать производители, разработчики и другие специалисты, работающие над созданием совместимых с LXI устройств и использующие Ethernet в качестве основного средства связи между устройствами.

В стандарте LXI определены следующие позиции.

1. Функционал LXI-устройств.
2. Механические и электрические требования.
3. Синхронизация устройств и информационные сообщения, включая их формат.
4. Единый формат модели запуска (триггера), включающий в себя запуск на основе проводных линий сообщения о событии и событий, привязанных ко времени.
5. Программный интерфейс событий и формат моделей запуска.
6. Аппаратная триггерная шина как часть единой модели запуска.
7. Требования к LAN-коммуникациям и конфигурация.
8. Веб-интерфейс.
9. Требования к идентификации и механизмы обнаружения устройств.
10. Требования к документации.

Все права разработки, контроля и внесения изменений принадлежат LXI Consortium, Inc. На сайте http://www.lxi­standard.org в открытом доступе можно подробно ознакомиться с актуальными версиями спецификации и другими материалами по теме.

Структура стандарта

Стандарт LXI состоит из основной спецификации LXI Core 2011 specifica­tion of an LXI Device и функциональных расширений. В настоящее время стандарт LXI обеспечивает пять расширенных функций, которые заменили предыдущие классы LXI-устройств A, B и C. Согласно предыдущей версии спецификации класс A охватывал перечисленные далее расширенные функции от 1 до 5, класс B включал функции 2–5, а в класс C попадала бо́льшая часть LXI-устройств, которые соответствовали толь­ко основным свойствам “Core”.

Далее перечислим расширенные функции LXI-устройств.

1. LXI Wired Trigger Bus – проводная шина запуска.
2. LXI Event Messaging – сообщения о событиях.
3. LXI Clock Synchronization – синхронизация с помощью IEEE 1588.
4. LXI Timestamped Data – временная привязка данных (делает возможной маркировку сетевого события в определённый момент времени, такими событиями могут быть запуск, измерение или подключение каналов).
5. LXI Event Logs – журнал событий (содержит записи произошедших в сети событий, что позволяет контролировать прибор или систему в процессе работы).
   Стандарт продолжал развиваться и идти в ногу с последними достижениями. В подтверждение тому два не так давно одобренных дополнения, которые расширяют функционал LXI, описанный в базовой спецификации.
6. LXI HiSLIP – расширения, связанные с высокоскоростным интерфейсом управления HiSLIP (High-Speed LAN Instrument Protocol). Интерфейс HiSLIP, разработанный IVI Foundation, основан на протоколе IVI HiSLIP (IVI 6.1). Он обеспечивает расширенные функции спецификации VXI-11, как и обновлённые свойства, подобные тем, что были у GPIB.
7. LXI IPv6 – расширения в соответствии с Интернет-протоколом IPv6. Более высокие параметры IPv6 по сравнению с IPv4 гарантируют, что производители LXI-приборов будут стремиться к соответствию производимого ими оборудования характеристикам IPv6 и государственным стандартам до начала широкого применения IPv6 в тестовых системах.

Детальная информация об LXI содержится в следующих документах:

• LXI Device Specification 2011, Rev. 1.4 (Released May 18, 2011);
• LXI Wired Trigger Bus Cable and Terminator Specifications, Rev. 2.0 (Released May 18, 2011);
• LXI HiSLIP Extended Function, Rev. 1.01 (Released October 20, 2011);
• LXI IPv6 Extended Function, Rev. 1.0 (Released March 14, 2012),

а в рамках данной статьи мы сможем лишь кратко познакомиться с основными положениями стандарта и получить первоначальные сведения о нём.

Аппаратная реализация

LXI-приборы могут быть выполнены в различных конструктивных исполнениях. Базовым правилом при разработке механики нового LXI-оборудования является соответствие размеров устройств существующим стандартам IEC для стоечного оборудования. Сейчас наиболее распространённой является настольная конструкция с размещёнными на передней панели соединителями входных/выходных сигналов, индикации и находящимися на задней панели входами синхронизации, питания и Ethernet. В стандарте LXI для создания полностью виртуальных приборов предусмотрены также бескорпусные и модульные исполнения, устанавливаемые непосредственно в компьютерные шасси.

Требования по электрике базируются на соблюдении основных международных стандартов, находящихся под эгидой таких организаций, как CSA, EN, UL и IEC. Так, для обеспечения безопасности предписывается выполнение требова­ний IEC 61010-1 Safety Requirements, для электромагнитной совместимости и защиты от электромагнитных помех необходимо следовать положениям IEC 61326-1-1998 EMC Requirements T&M Equipment.

При проектировании электропитания стандарт рекомендует, чтобы LXI-устройства могли функционировать автономно от однофазного питания переменным током c напряжением от 100 до 240 В ±10%, в диапазоне частот от 47 до 66 Гц. Однако не исключаются и другие способы организации питания, такие как электропитание от изолированного источника постоянного тока напряжением 48 В, питание напрямую от сети Ethernet в качестве PoE-устройства, соответствующего IEEE 802.3af, а также от двух- и трёхфазных сетей.

Стандарт устанавливает требования в части использования ЛВС-разъёмов на их соответствие нормам IEEE 802.3. Для организации сетей следует использовать кабель категории 5 и коннекторы RJ-45. Однако если соединители типа RJ-45 не являются приемлемыми, могут использоваться и другие, например 4- и 8-контактные М12, широко распространённые в промышленном Ethernet.

В стандарте прописаны правила по размещению элементов управления и контроля, разъёмов на лицевых панелях, их ориентации, маркировке, подробно освещены требования к необходимой индикации состояния устройства и питания.

Синхронизация LXI-устройств и передача сообщений

Большое внимание в стандарте LXI уделено обеспечению высокой точности и стабильности измерений, здесь можно отметить такие разделы, как:

• контроль последовательности состояний в пределах LXI-устройства или всей системы;
• контроль времени возникновения событий и обработка собственных и системных сообщений;
• сортировка данных измерений или установка соотношения со значимыми событиями, основанными на временны́х метках.

Отдельное место в стандарте занимает IEEE 1588 Precision Time Protocol (про­токол точного времени): каждое соответствующее ему LXI-устройство должно обеспечивать полную функциональность стандарта IEEE 1588 и выполнение требований профиля LXI 1588. Кроме этого рекомендовано, чтобы в LXI-устройстве были реализованы временны́е характеристики с точностью до 40 наносекунд или лучше.

Стандарт LXI допускает три режима межмодульной связи для передачи информационных сообщений:

• через драйвер команд от контроллера (или любого другого устройства, работающего в качестве контроллера) к LXI-устройству через локальную сеть;
• прямые сообщения модуль–модуль через LXI-сообщения о событиях;
• аппаратные линии запуска от модуля к модулю.

Разработчикам предоставляются широкие возможности по запуску, и LXI обеспечивает пять режимов запуска:

• на основе драйвера команд (интерфейс драйвера на управляющем компьютере используется для прямой передачи команды на LXI-устройство);
• на основе прямой передачи LXI-сообщений о событии (LXI-сообщение, содержащее информацию о запуске, включая временнýю метку, направляется непосредственно от одного модуля к другому через локальную сеть);
• на основе временны́х событий (с помощью триггера IEEE 1588 устанавливаются параметры внутри LXI-устройства и выполняется запуск);
• на основе проводной шины запуска – LXI Wired Trigger Bus;
• на основе специальных аппаратных схем запуска конкретного производителя.

НОВЫЕ LXI-ПРИБОРЫ СЕРИИ digitizerNETBOX КОМПАНИИ SPECTRUM

В 2013 году немецкая компания Spectrum GmbH присоединилась к производителям LXI-приборов и выпустила на рынок сразу несколько моделей LXI-устройств сбора данных под общим названием digitizerNETBOX. Новая платформа полностью соответствует спецификации LXI Device Specification 2011, Revision 1.4, поэтому доступ и управление данными делается просто с помощью подключения через Gigabit Ethernet к любому компьютеру или к корпоративной сети, по принципу “connect and collect” (подключайся и собирай).

Сегодня семейство digitizerNETBOX представляет собой внушительный модельный ряд, включающий устройства с числом входных каналов от 2 до 48, частотой опроса от 200 кГц до 500 МГц и разрешением 14 или 16 бит (табл. 1). ■

Программный интерфейс (драйверы)

Проводная шина запуска – LXI Wired Trigger Bus (WTB)

WTB является важным элементом системы LXI, использующим аппаратные возможности стандарта и реализующим проводное соединение нескольких LXI-устройств. Физически интерфейс шины выполнен на базе стандарта TIA/EIA-889 Multipoint Low Voltage Differential Signa­ling (M-LVDS) – многоточечная низковольтная дифференциальная передача сигналов. Для обмена данными используются дифференциальные токовые сигналы, передаваемые посредством специального 8-проводного кабеля с независимым экранированием каждого канала.

ОСОБЕННОСТИ И СХЕМА УСТРОЙСТВ digitizerNETBOX

Приборы выполнены в двух вариантах 19″ корпусов высотой 2U и 3U с размерами соответственно (Ш×В×Г) 267×87×366 мм и 432×131×420 мм (рис. 8, 9). На передней панели расположены все необходимые входные разъёмы, индикация и кнопки управления, на задней – коннекторы для подключения сетевого питания и Ethernet. Для интеграции в большую измерительную систему или установки в шкаф digitizerNETBOX могут быть укомплектованы 19″ монтажным комплектом.

Важной особенностью устройств Spectrum является то, что каждый аналоговый канал имеет собственный аналого-цифровой преобразователь и независимый усилитель (рис. 3). Переменное усиление позволяет масштабировать входные сигналы таким образом, чтобы охватить весь динамический диапазон АЦП и поддерживать наилучшую точность измерений. Все каналы синхронизированы с тактовой частотой для сведения к минимуму фазовых ошибок и разброса измерений между каналами. Большой объём встроенной памяти от 64 до 512 Мсэмпл на каждый канал позволяет принимать и хранить самые сложные и продолжительные сигналы.

Все устройства поставляются в комплекте с программным обеспечением. Пользователь может написать собственную программу управления с помощью любого популярного языка, включая Visual C++, Borland C++, GNU C++, Visual Basic, VB.NET, C#, J#, Delphi и Python. Кроме этого, можно использовать собственное программное обеспечение SBench 6 компании Spectrum. ■

ЛВС-коммуникации и конфигурация

• Скорость: при подборе оборудования следует иметь в виду, что LXI-приборы обеспечивают скорость передачи данных 100 Мбит/с (IEEE 802.3 Type 100Base-TX), а также должны поддерживать скорость 1 Гбит/с, Gigabit Ethernet (Type 1000Base-T). Определённый оптимизм вселяет и тот факт, что уже сейчас Ethernet-инфраструктура способна обеспечить скорость до 10 Гбит/с, а в будущем и ещё быстрее.
• Адрес: MAC-адрес устройства является неизменным значением, он должен отображаться при помощи доступного для пользователя меню или в виде таблички на корпусе.
• Протоколы: LXI-устройства должны поддерживать TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), как минимум IPv4, а для обеспечения долгосрочной сетевой совместимости и IPv6. Помимо этого LXI-устройством можно управлять и общаться с использованием любого протокола более высокого уровня (например RPC), если он надстраивается над стандартным межсетевым протоколом TCP или протоколом сообщений пользователя UDP (User Datagram Protocol). Для передачи диагностических сообщений LXI-уст­ройства обязаны обеспечить также IC­MP (Internet Control Message Protocol).
• Конфигурация ЛВС относится к механизму, который устройство использует, чтобы получить IP-адрес, маску подсети, IP-адрес шлюза по умолчанию и адрес (адреса) DNS-сервера. LXI-устройства должны поддерживать три способа конфигурирования ЛВС: Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), Dynamically Configured Link Local Addressing (Auto IP) и ручной способ.

КОНФИГУРАЦИЯ digitizerNETBOX

С помощью digitizerNETBOX можно создавать различные конфигурации приборов.

Прибор digitizerNETBOX для персонального или коллективного использования может быть подключён непосредственно к вашему компьютеру. Имея независимый прибор или подключая его к локальной сети, вы будете располагать мобильным инструментом, доступным везде, где есть возможность подключения к корпоративной сети. В качестве опции предлагается источник питания постоянного тока, с помощью которого можно использовать устройство там, где нет электросети, например на транспортных средствах. DigitizerNETBOX представляет собой комплексное решение для измерений. Как только он подключён к компьютеру, никакое дополнительное оборудование больше не требуется.

Локальная или беспроводная сеть. При подключении к корпоративной локальной или беспроводной сети digitizerNETBOX получает свой IP-адрес от стандартного DHCP-сервера и доступен через Ethernet-соединение, как и любое другое TCP/IP-устройство. Это означает, что можно со своего рабочего места дистанционно управлять процессом измерений, даже когда источник сигнала и di­gi­tizerNETBOX расположены в лаборатории или в испытательном корпусе. Дистанционное управление даёт возможность проводить измерения в небезопасных условиях, связанных с химическими производствами, взрывчатыми веществами, радиацией или близостью высокого напряжения. Можно также контролировать сразу несколько устройств, несмотря на то что объекты разбросаны на значительной территории.

Обнаружение прибора в сети. Сразу после подключения к Ethernet и включения питания digitizerNETBOX появится в списке устройств сетевого окружения компьютера. Интегрированный веб-сервер в соответствии со стандартом LXI и имеющейся информацией об устройстве настроит конфигурацию и сообщит о текущем состоянии. Он также содержит последние версии программного обеспечения и документацию для загрузки, при этом нет необходимости прибегать к помощи дополнительных устройств для запуска digitizerNETBOX. Функция обнаружения Control Center Spectrum поможет вам найти и идентифицировать любой digitizerNETBOX, подключённый к сети. После запуска функции обнаружения информация об устройстве кэшируется и может быть доступна непосредственно для ПО SBench 6. Кроме этого, актуальный адрес VISA-библиотеки возвращается и может быть использован любым программным обеспечением для удалённого доступа. ■

Веб-интерфейс

Требования к идентификации и механизмы обнаружения устройств

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ digitizerNET­BOX

Рассмотрим основные технические характеристики выпускаемых устройств.
DNx.46x и DNx.49x – это digitizerNET­BOX с малой и средней частотой опроса от 200 ксэмпл/с до 60 Мсэмпл/с, с однополярными или дифференциальными входами.


Модели этих серий (рис. 8) имеют от 2 до 48 синхронных аналоговых входов с возможностью выбора одного из нескольких диапазонов входного сигнала, с программируемым смещением и с входным сопротивлением 50 Ом. Каждый канал может выступать в качестве источника запуска, обладая при этом многочисленными триггерными функциями, а кроме этого имеется два внешних запускающих входа. Все источники (внутренние и внешние) могут быть скомбинированы с логикой «И», «ИЛИ». Один из запускающих разъёмов также может быть задействован как триггерный выход.

DNx.44x – это АЦП digitizerNETBOX с высокими частотами опроса от 130 до 500 Мсэмпл/с и разрешением 16/14 бит.

Уникальные для этого класса устройств частоты дискретизации и разрешение делают digitizer­NETBOX серии DNx.44x (рис. 9) самыми быст­рыми Ethernet/LXI-приборами на рынке. 

Кроме того, эти модели допускают уста­новку самой большой встроенной памяти с объёмом хранения информации для каждого канала до 512 Mсэмпл. В дополнение, если какие-либо каналы не используются, их память можно объединять. Все модели серии DNx.44x выпускаются с однополярными синхронными каналами, число которых может быть от 2 до 24, и устанавливаемыми по выбору входами с высоким сопротивлением или с сопротивлением 50 Ом для лучшего качества приёма. Для всех каналов возможно прямое согласование или по переменному току, шумопонижающий фильтр с ограниченной полосой пропускания. Аппаратные возможности могут быть расширены различными встроенными функциями цифровой обработки сигнала, активируемыми с помощью программных команд.

Приборы digitizerNETBOX предназначены для потребителей, работающих в различных отраслях промышленности, а также для инженеров-исследователей и разработчиков, которым необходимо полностью законченное и готовое к работе инструментальное решение. ■

Примеры применений

Сделаем краткий обзор применений LXI-устройств, подготовленный по материалам сайта http://www.lxistandard.org.

LXI-система тестирования спутниковой связи

LXI для оценки воздействия вибрации на человека

LXI-система сбора данных аэродинамических испытаний

LXI-система испытаний ракетной пусковой установки

Изначально система строилась на оборудовании VXI, однако в процессе работы производитель довольно легко перешёл на LXI, что позволило ему при сохранении всех основных параметров существенно уменьшить размер и стоимость аппаратной платформы.

Тестовая LXI-система, состоящая из трёх модулей, использует в общей сложности 96 аналоговых каналов, из которых 64 контролируют напряжение и ток в цепях системы управления, а 32 дополнительных канала отвечают за механизм прекращения полёта, который отключит систему в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Заключение

С того момента, когда была представлена первая спецификация LXI, прошло без малого 10 лет. Сегодня уже свыше 50 компаний-производителей, спонсирующих эту технологию, разработали более 2000 LXI-устройств для тестирования и измерений.

Резюмируя всё сказанное, отметим ключевые преимущества, которые позволят в будущем обеспечить LXI лидирующие позиции:

• открытый промышленный стандарт, стандартный интерфейс, простое локальное и глобальное подключение;
• уменьшение трудозатрат и времени на интеграцию оборудования;
• экономия ресурсов: нет дорогостоящих интерфейсных карт и кабелей,  нет необходимости в адаптерах, так как все компьютеры имеют Ethernet-порты;
• независимость от конкретного производителя, совместимость устройств различных компаний;
• возможность комбинирования уст­ройств и создания гибридных контрольно-измерительных систем. Лучше всего LXI-устройства интегрируются в существующие тестовые системы, основанные на GPIB или модульной архитектуре VXI, PXI, PXI Express или AXIe, что позволяет перейти на новую технологию по мере готовности системы;
• нечувствительность к устареванию оборудования: благодаря соответствию требованиям обратной совместимости имеющиеся у потребителей LXI-приборы могут продолжать использоваться довольно долго и в будущем;
• встроенный протокол точного времени IEEE 1588 обеспечивает мощную, независимую от проводных соединений синхронизацию;
• мгновенный поиск устройств в сети с помощью автоматического обнаружения и быстрое устранение ошибок благодаря встроенному веб-браузеру. ●

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!