LXI總線B類(lèi)電壓表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前言

早期的GPIB、VXI等技術(shù)，由于采用了專(zhuān)用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使得從底層的接插件、接口卡、機(jī)箱，到完成儀器控制功能的協(xié)議軟件都是測(cè)試領(lǐng)域?qū)Ｓ械?、定制的，這極大的提高了測(cè)試系統(tǒng)的成本，并嚴(yán)重阻礙的測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。隨后出現(xiàn)的PXI技術(shù)，充分利用了現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)總線技術(shù)，降低了測(cè)試系統(tǒng)的成本，但是，隨著PC產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)接口的測(cè)試設(shè)備生命周期往往較短。這對(duì)于大多需要持續(xù)服務(wù)數(shù)十年的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯然是無(wú)法接受的。

測(cè)試工程師和系統(tǒng)集成者需要長(zhǎng)期、穩(wěn)定、一致的接口標(biāo)準(zhǔn)以便維持測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)期的使用壽命。LXI聯(lián)盟基于以上的考慮，確定采用以太網(wǎng)作為新的測(cè)試接口標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)接口以其高性能，低成本在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并已持續(xù)使用幾十年，目前它的性能仍在不斷提升。

LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)，即基于局域網(wǎng)的儀器擴(kuò)展，它是以太網(wǎng)技術(shù)在測(cè)試自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，其總線規(guī)范融合了儀器的高性能、插卡式儀器的緊湊靈活和以太網(wǎng)的高速吞吐率，而且其性能比以往測(cè)試系統(tǒng)的解決方案更緊湊、更快速、更廉價(jià)、更持久。

LXI標(biāo)準(zhǔn)圍繞4個(gè)主要方面——物理要求、Ethernet協(xié)議、LXI接口和LXI觸發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)是這些要求項(xiàng)目的組合。符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的儀器被稱(chēng)為L(zhǎng)XI設(shè)備，LXI設(shè)備分為3種類(lèi)型：C類(lèi)、B類(lèi)和A類(lèi)。C類(lèi)LXI設(shè)備是基本類(lèi)型，它必須符合物理要求、Ethernet協(xié)議和LXI接口標(biāo)準(zhǔn);B類(lèi)LXI設(shè)備除要滿(mǎn)足C類(lèi)設(shè)備的要求之外，還要加上基于LAN的觸發(fā)和IEEE1588定時(shí)同步協(xié)議;A類(lèi)LXI設(shè)備除C類(lèi)和B類(lèi)的要求外，再加上硬件觸發(fā)總線。

本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)PIC32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LXI總線B類(lèi)電壓表,為提高LXI總線儀表的研究及應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析

2004年9月安捷倫科技公司和VXI科技公司聯(lián)合成立國(guó)際LXI聯(lián)盟，推出了基于LAN的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)——LXI。2005年9月底，LXI聯(lián)盟正式發(fā)布LXI規(guī)范1.0版本。2006年8月，LXI聯(lián)盟又推出LXI規(guī)范1.1版本。主要是對(duì)1.0版本中混合系統(tǒng)的構(gòu)建方法進(jìn)行了補(bǔ)充。2007年10月新推出的LXI 1.2版本改進(jìn)了原規(guī)范中的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證機(jī)制。

LXI總線剛一推出便引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，LXI聯(lián)盟已有包括絕大多數(shù)國(guó)際著名測(cè)試測(cè)量公司在內(nèi)的51家公司成為其成員。在LXI聯(lián)盟的主持下已舉辦了多次PlugFest活動(dòng)。安捷倫科技的第一臺(tái)基于LXI的儀器出現(xiàn)在2003年，是20MHZ的函數(shù)發(fā)生器33220A，也是世界上第一臺(tái)同時(shí)具備GPIB、USB和LAN接口的儀器。目前安捷倫科技已推出以34410A數(shù)字多用表為代表的30多種符合LXI的T&M產(chǎn)品。其中大部分是A級(jí)儀器，C級(jí)儀器模塊不到10種。

VXI科技有兩種A級(jí)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，并且應(yīng)用在波音公司新開(kāi)發(fā)的787寬體遠(yuǎn)程客機(jī)的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)中。目前所有主要測(cè)試公司都支持LXI，已有300多種產(chǎn)品。對(duì)于LXI總線的推出國(guó)內(nèi)測(cè)試界也積極響應(yīng)。目前，陜西海泰電子有限責(zé)任公司、北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所、北京航天測(cè)控技術(shù)開(kāi)發(fā)公司等單位已加入了LXI聯(lián)盟。2006年9月國(guó)內(nèi)成功的召開(kāi)了中國(guó)LXI聯(lián)合體成立大會(huì)暨2006年總線技術(shù)與LXI學(xué)術(shù)會(huì)議。2007年6月又成功舉辦了LXI聯(lián)盟會(huì)員大會(huì)暨高級(jí)技術(shù)論壇。但國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有符合LXI總線規(guī)范的儀器產(chǎn)品面世，關(guān)鍵技術(shù)尚在攻克。

總的來(lái)說(shuō)，LXI總線規(guī)范融合了GPIB儀器的高性能、VXI/PXI插卡式儀器的緊湊靈活和以太網(wǎng)的高速吞吐率，并考慮定時(shí)、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求。相對(duì)于以往的總線標(biāo)準(zhǔn)，LXI不受帶寬、軟件和計(jì)算機(jī)背板總線的限制，其覆蓋范圍更廣、繼承性能更好、生命周期更長(zhǎng)，成本也更低，并依托以太網(wǎng)日益提高的吞吐能力和性能優(yōu)勢(shì)，必將成為下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的理想解決方案。

設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要是PIC32 Ethernet Starter Kit實(shí)驗(yàn)板完成LXI總線C類(lèi)電壓表的設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)上探究LXI總線B類(lèi)電壓表的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)板如圖1所示：

PIC32 Ethernet Starter Kit實(shí)驗(yàn)板的頂部組件包括：

PIC32MX795F512L 32位微控制器。

PIC32MX440F512H的USB微控制器板上調(diào)試。

綠色電源指示燈。

板晶體的精密微控制器時(shí)鐘(8兆赫)。

USB連接的板上調(diào)試器通信。

橙色調(diào)試指示燈。

三個(gè)為用戶(hù)定義的輸入按鈕開(kāi)關(guān)。

三個(gè)用戶(hù)定義的LED指示燈。

PIC32 USB A型主機(jī)為基礎(chǔ)的應(yīng)用插座連接。

主機(jī)模式電源線。

RJ - 45以太網(wǎng)端口。

10/100以太網(wǎng)總線速度指示燈。

50兆赫以太網(wǎng)PHY振蕩器。

32 kHz振蕩器(可選)。

USB主機(jī)和OTG PIC32的USB應(yīng)用的供電電源。

PIC32 Ethernet Starter Kit實(shí)驗(yàn)板的底部組件包括：

+3.3 V的穩(wěn)壓電源，通過(guò)USB或擴(kuò)展板入門(mén)工具包電源。

連接各種擴(kuò)展板。

USB OTG和PIC32系列的USB OTG公司/設(shè)備為基礎(chǔ)的應(yīng)用設(shè)備連接微型AB插座。

外部以太網(wǎng)PHY。

PIC32單片機(jī)本身具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB等設(shè)計(jì)LXI的C類(lèi)儀器的基本要求，LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，C類(lèi)接口功能需要提供LAN和Web瀏覽器接口，其LAN接口應(yīng)支持千兆位以太網(wǎng)，向下兼容100Base-T，推薦使用Auto-MDIX功能，必須顯示LXI儀器的MAC地址。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上至少支持Ipv4的IP、TCP、UDP、ICMP、SNMP。必須支持三種LAN配置技術(shù)，即動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)、動(dòng)態(tài)配置本地鏈路選址(Auto-IP)和手動(dòng)設(shè)置。必須提供HTML Web網(wǎng)頁(yè)，這些Web網(wǎng)頁(yè)可以在和W3C兼容的瀏覽器上正確工作。Web服務(wù)器必須符合HTTP1.1規(guī)范，且所提供的HTML網(wǎng)頁(yè)必須符合版本4.01。

LXI測(cè)試模塊使用IVI-COM驅(qū)動(dòng)程序(使用COM API的IVI驅(qū)動(dòng)程序)對(duì)儀器進(jìn)行控制。IVI驅(qū)動(dòng)程序是基于VISA并被集成在NI提供的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境中。主控程序通過(guò)調(diào)用VISA I/O庫(kù)函數(shù)，控制LXI模塊完成電壓、電流、頻率等信號(hào)的測(cè)試采樣。

因此本設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容如下所示：

熟悉計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信原理;

熟悉TCP/IP協(xié)議;

熟悉嵌入式的Internet技術(shù);

完成模塊內(nèi)部常用接口的調(diào)試工作;

完成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn);

實(shí)現(xiàn)Web Sever服務(wù)功能;

完成電壓數(shù)據(jù)的讀取;

探究B類(lèi)電壓表的實(shí)現(xiàn)方案。

基于PIC32單片機(jī)，關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

注：模塊上的網(wǎng)絡(luò)PHY為DP83848C，不具備IEEE1588幀檢測(cè)能力，需要更換成DP83640。DP83640芯片內(nèi)置高精度IEEE1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送信息包打上時(shí)鐘標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)IEEE1588功能。

以太網(wǎng)本質(zhì)上是一個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，作為一套完整的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，必須具有高層控制協(xié)議，以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議。以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是Ehtemet+TCP/IP，即靈活的Ethemet底層加上幾乎已成通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP協(xié)議，使得以太網(wǎng)能夠非常容易地集成到以Internet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)中。

嵌入式以太網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，接入以太網(wǎng)。將嵌入式系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議融合到一起主要有兩種方法：

1.硬件方式：使用有的TCP/IP芯片直接作為以太網(wǎng)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，執(zhí)行速度快，但往往硬件電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，硬件成本高。

2.軟件方式：將TCP/IP協(xié)議以軟件方式嵌入到嵌入式系統(tǒng)的ROM中。一般來(lái)說(shuō)，TCP/IP協(xié)議棧都比較龐大，在嵌入式系統(tǒng)中很難支持完整的TCP/IP協(xié)議棧，因此要根據(jù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的特點(diǎn)，精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與需要相關(guān)的部分，大幅度減少對(duì)于系統(tǒng)資源的需求。

本設(shè)計(jì)采用第二種方法。以太網(wǎng)技術(shù)是LXI的技術(shù)基礎(chǔ)，LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)以太網(wǎng)的硬件要求和相關(guān)配置要求。LXI規(guī)范中規(guī)定設(shè)備必須使用合適的IEEE 802.X PHY/MAC規(guī)范實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)的物理連接必須使用IEEE 802.3規(guī)范。推薦使用RJ45作為L(zhǎng)AN連接器。LXI設(shè)備應(yīng)支持千兆位以太網(wǎng)，并能保證在10/100Base-T低速以太網(wǎng)中正確運(yùn)行。用戶(hù)通過(guò)訪問(wèn)顯示器或粘貼在模塊上的標(biāo)簽可以獲得模塊的MAC地址。模塊必須包括以太網(wǎng)連接的監(jiān)視功能。另外，LXI設(shè)備應(yīng)包括Auto-MDIX(自動(dòng)線序識(shí)別)功能，并支持缺省的網(wǎng)絡(luò)速度自動(dòng)協(xié)商功能。

在LAN配置方面，LXI設(shè)備必須支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，至少支持IPv4，其中包括IP、TCP、UDP等協(xié)議。同時(shí)還要求設(shè)備支持ICMP協(xié)議。規(guī)范要求設(shè)備必須支持三種IP地址配置技術(shù)：動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)、動(dòng)態(tài)配置本地鏈路地址(Auto-IP)和手動(dòng)設(shè)置。其中，DHCP是在使用以太網(wǎng)路由器的大型網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)分配IP地址的方法，此時(shí)通過(guò)DHCP服務(wù)器獲得設(shè)備的IP地址;Auto-IP方式適用于由以太網(wǎng)交換機(jī)(或集線器)組建的小型網(wǎng)絡(luò)或特設(shè)網(wǎng)絡(luò)，以及由交叉網(wǎng)絡(luò)組建的兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò);手動(dòng)方式可用于所有類(lèi)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)用戶(hù)手動(dòng)設(shè)置LXI設(shè)備的IP地址。LXI設(shè)備需提供LAN配置初始化機(jī)構(gòu)(LCI)，實(shí)現(xiàn)VXI-11發(fā)現(xiàn)機(jī)制，從而能容易地在網(wǎng)絡(luò)上被識(shí)別。

儀器發(fā)現(xiàn)技術(shù)可以依靠VXI-11標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，VXI-11標(biāo)準(zhǔn)基于TCP/IP協(xié)議模型和客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，利用ONC/RPC技術(shù)提供IO通道給LXI儀器的遠(yuǎn)程控制端，建立Core、Abort、Interrupt三類(lèi)信道，實(shí)現(xiàn)儀器間的信息傳輸。儀器發(fā)現(xiàn)的過(guò)程實(shí)際上是儀器與服務(wù)器之間進(jìn)行信息交互的過(guò)程：儀器向服務(wù)器發(fā)送通信請(qǐng)求;服務(wù)器收到信息則知道有儀器接入網(wǎng)絡(luò)，建立連接并發(fā)送查詢(xún)消息;儀器根據(jù)查詢(xún)做出相關(guān)應(yīng)答;服務(wù)器收到應(yīng)答信息，完成儀器發(fā)現(xiàn)。發(fā)送的查詢(xún)消息應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)SCPI命令“IDN”等。

每個(gè)LXI儀器都是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,所有LXI儀器都必須提供包括產(chǎn)品主要信息在內(nèi)的歡迎網(wǎng)頁(yè)及LAN配置網(wǎng)頁(yè), B類(lèi)設(shè)備還要具有同步配置網(wǎng)頁(yè)。此外,儀器還可以提供狀態(tài)/其他頁(yè)面,來(lái)顯示儀器的當(dāng)前狀態(tài)和其他信息。這些網(wǎng)頁(yè)通過(guò)HTTP80端口連接到網(wǎng)絡(luò),并可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)W3C網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看。從Web接口的角度看,LXI儀器類(lèi)似于一個(gè)Web服務(wù)器【10】, 通過(guò)這些Web頁(yè)，用戶(hù)可以配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，檢測(cè)設(shè)備的連通性，以及對(duì)LXI設(shè)備進(jìn)行便捷的操作。

本設(shè)計(jì)可選用適合于嵌入式應(yīng)用的Boa Web服務(wù)器作為L(zhǎng)XI設(shè)備的Web服務(wù)器，Boa服務(wù)器支持HTTP 1.0規(guī)范，具有配置簡(jiǎn)便，內(nèi)存占用小等特點(diǎn)。Boa服務(wù)器可以通過(guò)CGI程序處理用戶(hù)提交的表單數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)更新網(wǎng)頁(yè)中的數(shù)據(jù)，能夠滿(mǎn)足LXI設(shè)備對(duì)Web接口的需求。1588時(shí)間戳軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)上文對(duì)時(shí)鐘偏移量和延遲量的分析來(lái)設(shè)計(jì)1588時(shí)間戳的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)中共有S0、S1、S2、S3、S4五種狀態(tài),分別代表了時(shí)鐘同步初始狀態(tài)、Sync報(bào)文狀態(tài)、Follow報(bào)文狀態(tài)、Delay_Req報(bào)文狀態(tài)和Delay_Resp狀態(tài)。下面給出的是時(shí)間戳狀態(tài)機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)方式:

module ieee1588_time_stamp (in_data,clk,nclear,out);

input indata, clk,nclear;

output out;　//端口聲明

reg out;

reg[2:0] state;

reg t_slave1,t_master1,t_slave2,t_master2,t_offset,t_

delay;

..............　//變量和參數(shù)聲明

parameter [2:0] s0=1,s1=2,s2=3,s3=4,s4=4;

//各狀態(tài)的定義

always @(posedge clk)

begin

if(! nclear |主從時(shí)鐘同步)　state = s0;

case(state)

s0: begin

if(indata ==同步報(bào)文)

state <= s1;

else if(idata ==跟隨報(bào)文)

begin out = t_master1;state <= s2; end

else state <= s0;

end

s1:state <= (indata ==傳輸t_slave1)? s1:s2;

s2:state <= (indata ==延遲請(qǐng)求報(bào)文)? s3:s2;

s3:state <= (indata ==延遲響應(yīng)報(bào)文)? s4:s3;

s4:state <=(indata ==同步)? s0:s3;

endcase

end

always @ (state)　//探測(cè)到狀態(tài)的變化同時(shí)輸出

信號(hào)

begin

case (state)

s0:out=t_master1

s1:out=t_slave1;

s2:out=t_slave2;

s3:out=t_master2;

s4:out={t_offset,t_delay};

endcase

end

read_time _model test_time(

t_master1(t_master1),

t_slave1(t_slave1),

t_master2(t_master2),

t_slave2(t_slave2));//調(diào)用時(shí)鐘記錄模塊

……………..

Endmodule

該狀態(tài)機(jī)利用兩個(gè)always語(yǔ)句分別實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及輸出。在ieee1588_time_stamp時(shí)間戳模塊中還調(diào)用了read_time_model時(shí)鐘讀取模塊為時(shí)間戳模塊實(shí)時(shí)的讀取時(shí)鐘。由于模塊上的網(wǎng)絡(luò)PHY為DP83848C，不具備IEEE1588幀檢測(cè)能力，需要更換成DP83640。DP83640芯片內(nèi)置高精度IEEE1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送信息包打上時(shí)鐘標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)IEEE1588功能。

二. 測(cè)試

LXI儀器是測(cè)試儀器的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用,其利用IEEE1588協(xié)議解決了以太網(wǎng)的延遲不確定性,并可以幫助儀器實(shí)精確的時(shí)鐘同步,勢(shì)必成為分布式、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試平臺(tái)的主流。LXI的小型網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀如圖3所示：

基于試驗(yàn)條件所限，本設(shè)計(jì)只能針對(duì)一個(gè)LXI儀器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的流程如圖4所示：