Стандарт LXI

LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) – гибкий высокоскоростной стандарт коммуникационных протоколов измерения и сбора данных для приборов с помощью универсального интерфейса LAN (Ethernet), разработанный отраслевым LXI консорциумом. Главной задачей LXI консорциума является обеспечение совместимости вновь разрабатываемых различными производителями контрольно-измерительных приборов, а так же гарантия поддержки существующих интерфейсов GPIB, VXI и PXI.

Основные требования, выдвигаемые перед LXI приборами: экономичность, компактность, простота работы, возможность апгрейда и реконфигурирования, а так же высокая производительность. Поэтому они, как правило, выполняются модульными, без органов управления и дисплея на передней панели, используют автономный источник питания и имеют драйвер заменяемого виртуального прибора (Interchangeable Virtual Instrument - IVI). Разъёмы для входных и выходных сигналов распологаются на лицевой панели модулей, в то время как интерфейс локальной сети (IEEE 802.3), разъёмы питания и шины синхронизации расположены на задней панели. Все модули имеют стандартные габариты для установки в 19” стойках или стеке. [4]

Главными областями применения систем на базе стандарта LXI являются автоматизированные измерительные комплексы, системы удаленного сбора данных и контроля производственным процессом, робототехника и многие другие.

Рисунок 1 - Внешний вид LXI устройств различных фирм производителей

LXI консорциум

Стандарт LXI был разработан открытым некоммерческим объединением более 40 ведущих производителей и потребителей контрольно-измерительного оборудования: Agilent Technologies, Tektronix, Rohde&Schwarz, Keithley Instruments, Racal Instruments, Yokogawa и др. [6] Первое заседание консорциума состоялось 17-18 ноября 2004. Членство в организации было разделено на четыре уровня: стратегическое, участвующее, консультационное и информационное.
Заседания рабочих групп проводятся несколько раз в год на PlugFests, проводимых по всему миру. Все желающие (как производители, так и потребители) могут посещать консультации и получать информацию о изменениях в спецификациях и пробных внедрениях, а так же сертифицировать новую LXI-продукцию в тестовых лабораториях.[3]

История создания

• 1972 г. - Инженеры Hewlett Packard изобрели открытую стандартную шину коммуникаций (IEEE 488) интерфейса Hewlett Packard (HP-IB). Позднее она была преобразована в GPIB (шину интерфейса общего назначения) и встраивалась практически в каждый прибор.
• 1985 г. - Компании Hewlett-Packard, Tektronix, Wavetek, Racal-Dana, и Colorado Data Systems ввели VXI (расширение VME для приборов) - модульный инструментальный стандарт для американских вооруженных сил. Модульные приборы ("приборы на плате") стали очень популярным в космической и военной промышленности, а так же в производственном испытательном оборудовании, где размер и пропускная способность были крайне важны.
• 2004 г. - Agilent Technologies (Hewlett-Packard) и VXI Technology Inc. представили стандарт LXI, объединивший лучшие качества предыдущих поколений устройств: компактные размеры VXI, высокую пропускную способность локальной сети и высокоэффективные измерения GPIB.
• 2005 г. - Консорциум выпустил версию 1.0 LXI-стандарта.
• 2006 г. - Вышла версия 1.1 с минимумом исправлений и видоизменений.
• 2007 г. - Консорциум представил версию 1.2, сфокусированную на механизмах обнаружения, позволяющих системе контроля опознавать и регистрировать новые устройства, подключенные к системе.
• 2008 г. - Версия 1.3 содержала протокол IEEE 1588-2008 PTP (протокол временной точности) для синхронизации LXI устройств класса А и B.

В дополнение к разработке XML набор фунцкиональных возможностей версии 2.0 претерпит значительные изменения: расширения web-интерфейса, интерактивный обмен тестирование (сообщения LAN peer-to-peer, временная синхронизация IEEE 1588, проводная шина запуска приборов LXI Class A), регистрация всех событий, распределение ресурсов между несколькими контроллерами, стандартизация загрузки скриптов и расширение пропускной способности.

Cоставные части стандарта LXI

Стандарт LXI содержит следующие основные разделы:

• 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
• Cовместимость

Классы устройств LXI

Класс С является базовым. Приборы класса В имеют дополнительные возможности запуска по локальной сети и поддержки синхронизации. Класс А удовлетворяет требованиям классов С и В с дополнением в виде аппаратной шины синхронизации с низкой задержкой передачи (эта шина обеспечивает максимально возможную скорость отклика на событие запуска) [17].

Рисунок 2 – Три класса приборов LXI

Класс С: Класс C – базовый класс LXI, его требованиям должны отвечать все остальные классы. Оборудование этого класса обладают функциями обнаружения и конфигурации сети, имеет Web-интерфейс, поддерживает протоколы Ethernet и соответствует физическим требованиям стандарта. Устройства не предъявляют требований к запуску событий/процессов. Допускает используемые отдельными производителями средства аппаратного запуска и запуск по LAN.

Класс В: Оборудование класса В соответствует всем требованиям класса C, имеет возможность запуска по LAN и поддержку протокола синхронизации IEEE 1588.
Режимы передачи "точка-точка" и "запуск группы" (бродкастинг) в запуске событий/процессов LAN применяются в стандарте LXI специально для запуска устройств и приборов, что дает системам LXI гибкость, недоступную прежним архитектурам. В стандарте IEEE 1588 устройства LXI класса B синхронизируют свои тактовые генераторы для достижения единой установки времени измерений или выходных сигналов без использования специальных кабелей синхронизации и возможности проставлять отметку времени на все события и данные. Стандарт IEEE 1588 в сочетании с запуском по LAN позволяет передавать информацию и данные о времени без использования компьютера, работающего в режиме реального времени. Потенциал этих возможностей еще только исследуется.

Класс А: Оборудование класса А удовлетворяет всем требованиям классов C и B, к которым добавлена шина аппаратного запуска. Восьмиканальная аппаратная шина M-LVDS (Multipoint-Low Voltage Differential Signaling – многоточечная дифференциальная шина сигналов низкого напряжения) может соединять находящиеся на близком расстоянии друг от друга устройства по схеме последовательной цепи или звезды, а также комбинируя эти две топологии. Шина запуска обеспечивает прохождение сигнала между приборами с крайне незначительной задержкой – порядка 3 нс/м. [18]

Интерфейсы устройств LXI

Основой шины LXI является LAN. Но вместо модификации существующих стандартов стандарт LXI четко определяет их взаимодействие в пяти областях: физический интерфейс, интерфейс Ethernet, программный интерфейс, WEB интерфейс и синхронизация. [1]

1) Физический интерфейс

Рисунок 3 - Физические требования LXI

Для обеспечения физической совместимости стандарт LXI предусматривает соответствие стандартным физическим размерам стойки (IEC). Для упрощения интеграции рекомендуется размещение конкретных соединений на передней и задней панелях. Каждый модуль должен соответствовать стандартным требованиям по экранированию от электромагнитных помех и охлаждению, применяемым во всем мире.

2) LAN-интерфейс

Используя специализированное LAN-оборудование, устройства IEEE-1588 способны достигать синхронизации во времени в пределах ±100 нс, что особенно важно, когда приборы расположены на большом расстоянии друг от друга. [19],[3]

Для определения соответствующих соединений, протоколов, скоростей, адресов, конфигураций и других условий, которые следует реализовать для обеспечения совместимости в системе используется стандарт IEEE 802.3.

Таблица 1 – Сравнение функций LAN и LXI инструментов

LXI устройства должно правильно работать в сети Ethernet обладающей равной или меньшей скоростью, чем сами устройства.

Таблица 2 – Требования скорости Ethernet для обеспечения нормальной работы

Конфигурация LAN:

• Мониторинг Ethernet-соединения.
• Поддержка Auto-MDIX.
• Поддержка протокола TCP/IP или более высокого уровня.
• Поддержка IPv6 для совместимости сети.
• Поддержка ICMP для диагностики.
• Поддержка трёх конфигураций LAN: DHCP, Auto-IP, ручная.
• 30 секунд DHCP-Out для проверки времени ожидания.
• Явный запрос всех желаемыех параметров DHCP от сервера DHCP.
• Проверка дубликата IP-адреса для запрета использования занятого IP.
• Уникальные имена хостов в подсети, системе или DNS домене.
• Индикация ошибки в конфигурации LAN.
• Поддержка всеми LXI устройствами протокола VXI-11 LAN Discovery Protocol.
• Поддержка Multicast DNS (mDNS).
• Поддержка DNS Service Discovery (DNS-SD).
• По умолчанию mDNS и DNS-SD должны быть включены.
• Запись имени хосты и службы в энергонезависимой памяти.

3) Программный интерфейс

Поскольку стандарт LXI требует, чтобы все устройства имели драйвер IVI, это позволяет пользователю использовать тот язык программирования или среду разработки, которую он предпочитает. IVI-COM и IVI-C являются признанными стандартными драйверами, которые производители измерительных приборов поставляют со своими продуктами.

4) Web-интерфейс

Каждое устройство, соответствующее стандарту LXI, имеет собственную web-страницу. Эта страница содержит ключевую информацию об устройстве, включая производителя, номер модели, серийный номер, описание, имя хост-системы, MAC-адрес и IP-адрес. Стандарт требует обеспечения доступа к странице конфигурации с помощью web-браузера. Это позволяет пользователю изменять различные параметры. Доступ к web-страницам осуществляется вводом IP-адреса в строке адреса любого браузера, соответствующего стандартам W3C. HTTP соединения происходят через порт 80. В ответ на такие запросы на соединение выдаётся главная страница.

Рисунок 4 - Web-страницы приборов Agilent N6700A и 34980A

Web-интерфейс должен так же предоставлять дополнительную страницу IP конфигурации и страницу синхронизации (если устройство использует IEEE 1588, LXI Event Messaging или LXI Trigger Bus). Если прибор LXI позволяет пользователю изменять какие-то настройки, то должна быть реализована парольная защита. LXI устройствам могут быть присвоены псевдонимы, чтобы сделать работу с ними более удобной для пользователей, когда, например, в одну систему включены приборы одного типа. [6],[3],[22]

LXI устройства должны выдавать HTML Web-страницу, которая работает корректно со всеми W3C совместимыми браузерами. Web-серверы LXI-приборов должны соответствовать стандарту HTTP (версии 1.0 или выше). HTML страницы должны соответствовать HTML (версии 4.01 или выше) или XHTML (версии 1.0 или выше).

Главная страница содержит в режиме только для чтения следующую информацию:

• Модель устройства LXI;
• Производитель;
• Серийный номер;
• Описание;
• LXI Класс <A, B, или C>;
• Версия LXI;
• Имя хоста;
• MAC-адрес <XX-XX-XX-XX-XX-XX>;
• TCP/IP-адрес <DDD.DDD.DDD.DDD>;
• Версия прошивки и/или программного обеспечения;
• IEEE 1588 PTP Текущее время [В случае реализации IEEE 1588];
• Адресная строка LXI-прибора.

Главная страница должна содержать IVI I/O Resource Descriptor - строку, которая определяет адрес, по которому осуществляется доступ к устройству со стороны ПО. Эта строка называется «Адресной строкой прибора». Заголовок Web-страницы LXI-устройства форматируется для удобства добавления в закладки следующим образом: LXI – Производитель – Модель - <Опционально: серийный номер - описание>. На Web-странице устройства отображается индикатор работы/состояния устройства.

LXI устройства должны обеспечивать возможность взаимодействия, контроля, установки и выполнения отладки через Web-интерфейс без написания программы. В случае необходимости, LXI устройства должны иметь возможность обновления программного обеспечения/прошивки, используя Web-интерфейс. [20], [3]

5) Синхронизация

Совместно используя возможности LAN и протокола временной синхронизации IEEE 1588, стандарт LXI определяет режимы запуска:

Рисунок 5 – Синхронизация LXI

Особенности работы с LXI

С точки зрения измерительных возможностей приборы LXI и приборы стойки-и-стека идентичны. Они используют ту же самую методику измерений, имеют те же самые спецификации, предлагают те же самые характеристики, и используют то же самое программное обеспечение.

Различие в корпусе: стандартные приборные стойки спроектированы для автономной работы (без ПК) и имеют пользовательскую панель управления. Эти же приборы без корпуса и дисплея могут быть установлены в стойку и работать с ПК.

LXI модули управляются с ПК и соединены в измерительную систему. У них нет лицевой панели, все сигнальные выводы расположены спереди, а выводы питания и коммутации - на обратной стороне.

LXI приборы имеют некоторые преимущества перед стоечными. При использовании локальной сети, LXI поддерживает одноранговые операции, которые открывают дверь для комбинированных приборов и одновременных операций, ускорения измерений и уменьшения издержек.

Испытательная индустрия воплотила некоторые черты VXI, PXI, и MMS в архитектуру LXI. Так как модульные приборы представляют только часть рынка испытательного оборудования, выпускаемые специализированные модульные приборы могут быть дорогими и неэффективными. Особые области применения часто требуют приборы, спроектированные на заказ, у которых мало общего с аналогичными общепромышленными моделями. Цены разработки меняются в узком диапазоне и узкая область распространения не позволяет увеличить доходы. Давая клиентам требуемую производительность, программное обеспечение, улучшенную совместимость с полнофункциональными приборами и более низкую стоимость LXI приборы приобретают всё большую популярность. [5]

Перечень приборов, использующих технологию LXI

• LXI Анализаторы спектра
• LXI Функциональные генераторы
• LXI Источники питания
• LXI Цифровые мультиметры
• LXI Генераторы сигналов
• LXI Генераторы сигналов произвольной формы
• LXI Преобразователи частоты
• LXI Дискретизаторы
• LXI Термопарные приборы
• LXI Дискретизаторы
• LXI Мосты
• LXI Анализаторы сигналов
• LXI Анализаторы мощности
• и т.д.

Преимущества приборов LXI:

• Упрощение создания систем при использовании шины LXI.
• Автоматическая идентификация измерительных приборов, подключенных к ПК, и конфигурирование интерфейсов.
• Сокращение накладных расходов, повторное использование существующих приборов и программного обеспечения.
• Сокращение времени настройки и увеличение производительности системы.
• Совместимость с измерительными приборами, имеющими интерфейсы GPIB, USB, Eithernet/LAN, RS-232 и VXI, от различных производителей.
• Возможность работы в предпочтительной для пользователя среде разработки (Agilent VEE Pro, NI LabVIEW, Microsoft Visual Studio и другие).
• Надежное управление измерительными приборами, сочетающееся с высокой производительностью.
• Реализация библиотек ввода-вывода позволяет платам и конверторам GPIB работать с прикладными программами и оборудованием, которые выбрал пользователь.[1]
• Сокращение размеров системы.
• Решение проблем модернизации системы.

Источники информации

1. http://www.lxi.ru/text/lxi-pomogaet-razrabotchikam-sistem/
2. http://www.lxi.ru/text/novoe-pokolenie/
3. http://en.wikipedia.org/wiki/LAN_eXtensions_for_Instrumentation
4. http://lxi.ru/
5. http://www.ni.com/lxi/
6. http://www.meilhaus.de
7. http://dataweek.co.za/news.aspx?pklNewsId=21618&pklCategoryID=43
8. http://www.tdk-lambda.com/products/sps/ps_system/gen/indexe.html
9. http://www.tdk-lambda.com/products/sps/ps_system/gen/tec_mnue.html
10. http://www.ccontrols.ch/Datasheets/E5818A-5989-7290EN.pdf
11. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-8658EN.pdf
12. http://picad.com.ua/0307/pdf/tech_lxi.pdf
13. www.cta.ru/cms/f/374295.pdf
14. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/2922
15. http://www.lxistandard.org/
16. http://www.lxiconnexion.com/articles.shtml
17. http://www.inftest.ru/?lang=r&page=2&item=3&prod=povdoklad

Приложение А

Полный состав членов консорциума LXI

Стратегические партнёры

• Agilent Technologies
• Keithley Instruments, Inc.
• Pickering Interfaces Ltd
• Rohde & Schwarz GmbH & Co KG
• VTI Instruments Corporation

Участники

• Aeroflex, Inc.
• Bruel & Kjaer S & V
• C & H Technologies, Inc.
• EADS North America Defense
• IPTE
• Kepco, Inc.
• National Instruments Corporation
• Tektronix
• The MathWorks, Inc.
• AMETEK Programmable Power

Консультирующие

• GOEPEL Electronic GmbH
• TDK-Lambda Americas Inc.
• Pacific MindWorks
• ZTEC Instruments

Информационные партнёры

• Acery Technologies Co. Ltd.
• ARC Technology Solutions
• Beijing Aerospace Measurement & Control Corp.
• Beijing Control Industrial Computer Corporation
• Bustec
• Circuit Assembly Corp.
• COM DEV Ltd.
• Data Patterns (India) PVT., LTD.
• Data Physics Corporation
• Data Translation
• DowKey Microwave
• Good Will Instrument Co., Ltd.
• Hitech Group International, Ltd
• Holding Informtest
• JDS Uniphase Corporation
• Kikusui Electronics Corporation
• LeCroy
• LXinstruments GmbH
• Magna-Power Electronics Inc.
• NH Research
• NPP MERA
• Pacific Power Source, Inc.
• Picotest Corp.
• Rigol Technologies, Inc.
• Symtx
• TEGAM
• Teradyne
• TTi Ltd.
• Universal Switching Corporation
• Wheelwright Enterprises
• Yokogawa Electric Corporation

Университеты

• Harbin Institute of Technology