CC BY
105
Перспективы построения контрольноизмерительных систем на основе стандарта LXI
Афанасьев В.Н., Тихонов С.С., ОАО "ВНИИ "Эталон""
Описание стандарта LXI
На сегодняшний день развитие контрольно-измерительной техники неразрывно связано с развитием компьютерных технологий. Будь то измерительные системы, основанные на традиционных приборах, системы, построенные на платах, устанавливающихся в ЭВМ, или модульные системы в отдельных базовых блоках, снабженные контроллером (PXI или VXI системы).
Несмотря на развитие плат для ЭВМ в виртуальные приборы1, производительность традиционных самостоятельных стоечных и настольных приборов не стояла на месте. Параллельно с тем, как модифицировались платы, традиционные приборы прошли свой путь развития.
Большинство традиционных приборов имеют сегодня средства для взаимодействия с компьютером через различные интерфейсы [1].
Первоначально ввод/вывод не был предусмотрен, а если и существовал, был очень медленным. Затем инженеры компании HP (ныне Agilent Technologies) изобрели стандарт GPIB (General Purpose Interface Bus) — и это изменило всю отрасль контрольно-измерительного оборудования, позволяя нескольким приборам, работающим с разной скоростью, работать и подключаться к одной и той же шине передачи данных Хотя GPIB и остается выбором большинства, в компьютерной отрасли популярным стандартом он не считается. Отрасль компьютерных технологий уже затратила значительные средства на разработку новых стандартов передачи данных, которые также вполне отвечают потребностям отрасли контрольно-измерительного оборудования по малому времени задержки и высокой скорости передачи данных
Это дает возможность отрасли контрольно-измерительного оборудования приняты по-настоящему стандартную для компьютера систему ввода/вывода с ее неотъемлемыми преимуществами в виде быстрой передачи данных, маленьких легких кабелей и очень низкой цены. Контроллер LAN встроен в большинство современных ЭВМ, а кабель стоит около пяти долларов. Сравните это с $500 за карту GPIB и кабелем за $100 или платой MXI pf за $1500.
Раньше LAN рассматривался, как хороший интерфейс для передачи блоков информации, но при этом слишком медленный для единичных транзакций, происходящих при осуществлении измерений. По мере того, как LAN развивался от 1 Мб до 10baseT, 100baseT и сейчас Gigabit LAN, проблемы задержки передачи данных отступали в той же пропорции. Сейчас задержка в LAN уже сравнилась с GPIB, а скорость передачи блоков по LAN значительно выше, чем по 8-битной параллельной шине.
26 сентября 2004 г. Консорциум ведущих мировых производителей и пользователей контрольно-измерительного оборудования объявил о завершении разработки нового стандарта измерительных систем, названного LXI (LAN extensions for Instrumentation — расширение LAN для проведения измерений). В том же году был образован Консорциум LXI, основной целью которого было увеличение скорости работы измерительных систем, уменьшение их стоимости, размеров и времени, затрачиваемого на настройку систем, а также повышение роли программного обеспечения (ПО).
Использование стандарта Ethernet (IEEE 802.3) в качестве технологии передачи позволило в полной мере воспользоваться последними достижениями компьютерной отрасли. Использование преимуществ Ethernet, сетевых возможностей Internet, протоколов LAN, сопутствующих стандартов IEC и драйверов IVI дает возможность перейти на более высокие скорости ввода/вывода, избавиться от крейтов и дорогих интерфейсных кабелей, а также усилить роль ПО. Появилась возможность создать новую системную архитектуру, которая, возможно, просуществует гораздо дольше той, что основана на эволюционных изменениях компьютерных интерфейсов. Создание такой архитектуры!, основанной на хорошо зарекомендовавших себя стандартах, позволило использовать готовые средства и создать для разработчиков эффективное решение проблем измерительных систем.
Система LXI представлена на рис. 1, где показаны все возможные типы устройств, которые могут быть с ней соединены: устройства с интерфейсами LXI, подключенные по LAN к выходным портам коммутатора/маршрутизатора Ethernet; устройства с интерфейсами VXI, PXI и RS232, подключенные напрямую к выходным интер-
Рис. 1. Система LXI
фейсам системы LXI VXI, PXI и RS232 соответственно; устройства с интерфейсом GPIB, подключаемые к системе LXI через адаптер GPIB, встроенный в эту систему. Разнообразие поддерживаемых интерфейсов — гарантия быстрого и безболезненного перехода пользователей на новый стандарт LXI.
Существуют три класса устройств LXI.
Класс C — основной класс LXI. Его требованиям должны отвечать все другие классы. Устройства класса С должны соответствовать физическим требованиям, поддерживать протоколы Ethernet и стандарты интерфейса LXI.
Класс B соответствует всем требованиям класса C, но добавляет запуск по LAN и поддержку протокола синхронизации IEEE 1588.
Класс A удовлетворяет всем требованиям классов C и B и добавляет шину аппаратного запуска. Класс С реализует следующие основные особенности: LAN интерфейс, LAN протоколы, обследование LAN, интерфейс IVI, "домашнюю страницу" устройства, индикаторы/кнопки: Повторный запуск (Reset), Питание, Охлаждение, Размер.
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 применяется переменный ток, то используются стандарты питания 100-240 В с частотой 47-66 Гц. При постоянном токе работают с источниками 48 В. Также допускается питание через сеть Ethernet. Охлаждение осуществляется с боковых или с передней/задней частей, чтобы можно было устанавливать модули в стек — один модуль над другим, без снижения производительности. Каждый модуль должен удовлетворять требованиям по уровню электромагнитных помех, существующим в стране, где он применяется [4].
Роль стандарта LXI в развитии контрольно-измерительного оборудования
Интерфейс LXI является логичной заменой интерфейсов GPIB. Хотя интерфейс GPIB находится на службе отрасли более 35 лет, его обошли по скорости уже несколько интерфейсов. Стандарт Ethernet опирается на мощь компьютерной индустрии. Он не только прошел проверку временем (так как был изобретен еще раньше GPIB), но и превзошел возможности GPIB. Использование пакетной передачи в режиме точка-точка или бродкастинга в сочетании с высокой скоростью передачи данных (10 Гбит/с по LAN при использовании медных проводов) и гибкостью в выборе среды передачи (возможностью применения оптоволокна или радиоэфира) предопределили выбор LAN в качестве сети передачи для устройств будущего. В результате интерфейсы LXI будут использоваться везде, где сейчас используются интерфейсы GPIB, — в телекоммуникациях, аэрокосмической, оборонной и автомобильной промышленности, в медицине, в бытовой и полупроводниковой электронике.
Интерфейс LXI, очевидно, подходит для систем тестирования, контроля на производстве и удаленного сбора данных. Это может быть контроль установок для обработки воды, насосных станций, гидроэлектростанций, ветряных электростанций, метеостанций, систем нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также контроль процессов. Все приложения предполагают удаленный сбор данных и потребуют использовать метки времени и синхронизацию во времени, предоставляемые устройствами LXI класса B. Использование стандарта IEEE 1588 становится важной частью процесса автоматизации производства и робототехники. Внед-
рение LXI может стать следующим шагом в системах контроля в этих отраслях.
В интерфейсе LXI каждый прибор может функционировать и сам по себе. Поскольку стандарт LXI позволяет использовать различные форм-факторы, разработчик системы может использовать одну и ту же топологию как для LXI, так и для настольной/стоечной версий приборов. Так как объемы продаж таких приборов гораздо выше, чем у их модульных аналогов, и объем продаж приборов, поддерживающих LXI, просто добавляется к объему продаж настольных/стоечных приборов, их цена примерно одинакова. И это контрастирует с более ограничивающими модульными системами, обладающими совсем другой физической топологией, нежели отдельный прибор. Это одна из причин высокой цены приборов PXI и VXI.
Некоторые производители измерительного оборудования (включая Agilent Technologies, VXI Technologies, Rohde & Schwarz, Pickering Interfaces и Elgar Electronics) уже вывели на рынок устройства LXI. Другие в настоящее время также разрабатывают устройства с использованием нового стандарта. Их количество со временем будет только увеличиваться [2].
Переход к синтетическим приборам
Появления таких стандартов, как LXI подводит нас к следующей фазе будущего измерительной техники — синтетическим приборам. Первый шаг — это создание прибора на базе LAN или LXI-прибора, а следующий шаг — разделение этого прибора на логические блоки для создания одного или нескольких приборов.
Это и есть основная идея синтетических приборов — модули на базе LAN в форм-факторе LXI без передней панели с функциональностью деталей конструктора. Для получения законченного прибора необходимо только собрать в систему несколько модулей синтетических приборов. Переконфигурировав систему с помощью коммутатора, вы получите уже другой набор измерительных возможностей, причем размер системы будет очень небольшим [3].
Закючение
Устройства VXI будут и далее использоваться в системах сбора данных с большим количеством точек, где важна плотность каналов. PXI, без сомнения, будет использоваться в приложениях с малым количеством точек как более экономичная альтернатива VXI для приложений, где требуется компактное решение. Однако ограничения, налагаемые использованием крейтов, заставили большинство производителей сфокусировать свое внимание на LXI. Что касается интерфейса USB, то он будет использоваться в основном в недорогих настольных приборах, где требуется только периодическое подключение к ПК.
Литература
1. Дрэнкоу Грант. Контроль и измерения //Электроника НТБ. — 2006.
— № 6. — С.15-21.
2. D. Menzer .Synthetic Instruments: A New Horizon // Microwave Journal.
— 2006. — № 3. — рр. 8-12.
3. Фабер Марш. Приборы: следующее поколение // Компоненты и технологии. — 2007. — № 3. — С. 25-31.
4. Официальный сайт LXI Consortium — www.lxistandard.org.
