1、64 兵工自动化 Ordnance Industry Automation 2O1OO9 29(9) LXI总线仪器接口设计方法 同江 ，蔡远文 (1装备指挥技术学院研究生院，北京101416：2装备指挥技术学院航天装备系，北京101416) 摘要：在对LXI总线仪器接口设计方法进行研究的基础上，提出2种B类LXI仪器接口实现方案。对接口功 能及其实现要求进行分析，对2种方案进行对比、分析，总结出其共同点和不同点，然后对LXI仪器的驱动程序接 口进行阐述。目前，LAN接口已在仪器中得到了广泛应用。 关键词：LXI总线；接口设计；IVI；IEEE1588 中图分类号：TP206；TP39306
2、文献标识码：A Method of Interface Design f-0r LXI Bus Instruments Tong Jiang1，Cai Yuanwen2 (1Brigade of Graduate，Institute of Command&Technology of Equipment，Beij ing 1 0 1 4 1 6，China； 2DeptofAerospace Equipment，Institute ofCommand&Technology ofEquipment，Beijing 101416，China) Abstract：On the basis of stu
3、dying the method of interface design for LXI bus instruments，put forward two kinds of design projects of LXI classB instruments interfaceAnalyzing to interface function and implement requests，comparing with two projects，the common ground and differentia of the two projects are summarizedAt last，driv
4、er interface of LXI instruments is expoundedRecently,the LAN interface is used abroad in instruments Keywords：LXI bus；interface design；IVI；IEEE1 588 0 引言 组建网络化测试系统，提高测试效率、共享信 息资源，是现代测试系统发展的方向。LXI总线技 术的出现，使得组建一套网络化远程测试系统变得 更加简单、便捷，该仪器强大的功能技术指标和优 越的测试性能获得了测试行业的高度关注。LXI仪 器的接口主要包括硬件接口、驱动程序接口和Web 接口3部分，分
5、为A、B、C三类Il J：C类仪器具有 一个标准的LAN接口和Web浏览器接口，这些仪 器不需要支持硬件触发和IEEE1588触发；B类仪 器包括C类仪器的所有功能特征，还支持IEEE1588 精确时钟同步；A类仪器除包括B类和C类的全部 功能外，还增加了一种硬件触发功能。接口设计是 LXI仪器的关键技术之一，故对其进行研究。 1 LXI仪器接口功能及其实现要求 由LXI的物理规范可知，LXI总线仪器必须具 有LAN接口，该接口必须符合IEEE8023协议。 LXI仪器接口实现的软件框架如图1。要研究LXI 仪器接口的设计方法，首先就必须得弄清楚LXI仪 器接口所具有的功能。LXI总线仪器接口
6、的功能主 要包括2个方面 】：网络传输和基于网络的仪器控 制(本地和远程)。 图1 LXI仪器接口实现的软件框架 11 网络传输功能及其实现要求 网络传输是2台计算机之间或计算机与仪器之 问经过网络进行的数据通信。国际标准化组织提出 的开放系统互连(OSI)参考模型将网络从最基础 的物理硬件到最终的用户程序分为物理层、数据链 路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层 7层。其中，前4层用于处理数据传输，物理层和 数据链路层上的信息执行是在硬件和软件上进行 的；后3层用于处理应用信息，只在软件上执行。 根据OSI参考模型，要实现数据高速、准确的网络 传输，就必须对物理层、数据链路层、网络层和
7、传 输层进行准确的设计。同时，根据LXI标准对其仪 收稿日期：2010-0402；修回日期：2010-0505 作者简介：同江(1984-)，男，陕西人，搏士研究生，从事航天测试发射控制理论与技术研究。 第9期 同江，等：LXI总线仪器接口设计方法 65 器LAN接口的要求，必须对于网络速度也应有所 选择。故可采用成熟的嵌入式网络系统来实现LXI 总线仪器接口的网络传输功能。 结合LXI的规范标准，实现网络传输的具体要 求如下： 1)网络底层协议：至少使用TCPIP协议IPv4 版，支持IP(Internet协议)、TCP(传输控制协议) 和UDP； 21应用层提供ICMP(Internet
8、Control Messages Protoco1)服务、客户端和Web服务等； 31推荐使用千兆网(也允许使用100M10M 网)，LXI使用自动握手，因此网络上的装置默认一 个公共速度，装置必须实现AUTOMDIX(自动感 知LAN电缆极性)； 4)固件和软件可通过Web网页进行查询和更 新。 在市场现有的硬件中，有很多种嵌入式硬件和 网络硬件都可以满足上述接口功能。LAN和USB 是应用范围很广泛的通讯接口，比较好的微程序控 制单元(Microprogrammed Control Unit，MCU) 会同时把它们集成外围器件，因此，网络传输功能 的实现就是选择合适支持LAN和USB接口的
9、嵌入 式硬件，构造具有网络功能的嵌入式系统。 嵌入式系统构建好之后，操作系统本身就可以 支持各种所需的网络协议。在此基础上就可以实现 网络传输功能。 12基于网络的仪器控制功能及其实现要求 要实现对于LXI总线仪器的控制，首先必须对 仪器所在的网络进行配置，LXI的LAN配置是指设 备为获得IP地址、子网掩码、默认网关和DNs (Domain Name System)服务器IP地址等配置值所 使用的机制。LXI设备LAN配置的方法有3种：动 态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)、动态配置本地链路选址(Dynamic LinkLoca
10、l Addressing，又称为AutoIP)和手动设 置。其中，DHCP是在使用以太网路由器的大型网 络中自动分配IP地址的方法，此时通过DHCP服 务器获得设备的IP地址；AutoIP方式适用于由以 太网交换机(或集线器)组建的小型网络或特设网 络，以及由交叉电缆组建的两节点网络；手动方式 可用于所有类型拓扑结构的网络，此时用户手动设 置LXI设备的IP地址。如果模块支持多种配置方 式，则按照DHCP、动态配置本地链路选址和手动 设置的顺序进行LAN配置。 仪器控制功能的实现主要包括2个方面： 11网页中的虚拟仪器控制面板。合理设计虚拟 仪器面板会给仪器的控制带来很大的方便；根据测 试系统
11、的功能需求，利用LabVIEW开发平台开发 出一套虚拟仪器，用户通过虚拟仪器控制面板就可 以对仪器进行本地和远程控制。 2 用户定制的应用程序通过IVI驱动程序来进 行控制。 网络配置都是自动完成的，但当测试系统中存 在多台相同型号的设备，且DHCP服务器或者 Auto-IP功能关闭时，必须使用手动来配置网络。 手动网络配置功能通过网页浏览器中Web页的控 件来实现，更新的数据被网页浏览器发送到Web Server中，由Web Server解析接收到的数据，并采 用新的设置重新配置网络。Web Server还负责将当 前的网络配置状况根据网页模板生成新的网页，并 发送给远程浏览器。 2 B类L
12、XI仪器接口设计方案 B类LXI仪器除了具有LAN接口外，还要有 IEEE1588精确时钟同步功能，IEEE1588时钟同步 功能可以通过硬件和软件2种方式实现。针对B类 LXI仪器的接口，提出2种设计方案： 11纯软件嵌入式实现方案 该方案采用已经发展成熟的嵌入式系统来实 现，用软件编程的方法实现IEEE1588精确时钟协 议的功能。方案的结构设计如图2。 图2 纯软件嵌入式实现方案 2)硬件芯片嵌入式实现方案 该方案同样采用发展成熟的嵌入式系统，使用 软件辅助硬件芯片实现IEEE1588协议。方案的结 构设计如图3。 自 嵌入网络控制器J ,IF- Il 设 离 备 l IEEE1588
13、l 电 功 J逻辑控制器J 路 能 i 模 块 图3 硬件芯片嵌入式实现方案 (1)2种方案的共同点：2种方案都能满足LXI 66 兵工自动化 第29卷 标准中对LAN接口的规定和指标要求，完全具备 IEEE1588精确时钟同步的能力。 (2)2种方案的不同点：方案1使用纯软件编程 来实现IEEE1588协议。根据影响PTP精度因素的 分析，可以知道软件实现分为2种情况，分别为在 应用层实现和在底层驱动程序中实现。在应用层实 现将产生ms级的误差；在底层驱动程序中实现时， 由于IEEE1588协议采用UDP协议传输时间信息， 所以修改UDP协议内核驱动程序，增加IEEE1588 协议处理内容，
14、在应用层的配合下实现PTP功能。 该方案可以将误差减小到 s级，采用RTOS和高性 能MCU，可以做到亚微秒级。方案2采用硬件 IEEE1588逻辑控制器芯片，在物理层实现时间戳处 理，可以达到ns级的精度。 因此，方案2的精度要远高于方案1。所以， 在条件允许的情况下，一般会选择硬件芯片嵌入式 方案来实现B类接口。 3 IVI驱动程序接口设计 LXI测试模块使用IVICOM驱动程序对仪器 进行控制。IVI驱动程序是基于VISA并被集成在 NI提供的应用开发环境中。主控程序通过调用 VISAIo库函数，控制LXI模块完成电压、电流、 频率等信号的测试采样。 LXISync规范定义了A类和B类仪
15、器驱动程序 编程接口的具体要求，这些API用来控制LXI设备 等待、触发和事件功能特性(这些功能特性是关于 A类和B类LXI设备的，不依赖于任何IVI仪器类)， 分为等待、触发、事件、事件日志及时间5个子系 统。其中，等待子系统控制触发信号什么时候被接 收；触发子系统控制LXI设备何时触发一次测量或 其他操作；事件子系统控制LXI设备何时把特定状 态发送给其他LXI设备；事件日志子系统提供一种 访问设备日志的方法；时间子系统提供访问LXI总 线IEEE1588时基的功能。 V应用IEW测C试程C+ 等 l 置和维护应用 Lab 等I I 。一 IInstrument Specific Driv
16、er l Q壁 f 二二匿 图4 IVI体系结构 IVI驱动程序的特点在于为那些需要可互换性、 状态缓存或仪器仿真的更为复杂的测试应用提高了 性能和灵活性。IVI通过类驱动程序和I配置库 实现应用程序与驱动程序的无关性。它基于VISA 并被集成在NI提供的应用程序开发环境中。IVI的 体系结构如图4。 IVI根据仪器的功能将仪器分成类，比如数字 万用表类、示波器类、函数发生器类等，仪器驱动 器被分成了2层，下面一层是某一具体仪器所特有 的驱动器(IVI Instrument Specific Driver)，提供一 个一致的编程接口和一些能够提高仪器性能的软 件，如仪器仿真、范围检测、状态暂存
17、等；上面一 层是IVI类驱动器(IVI Class Driver)，对每个仪器 类定义了统一标准的仪器编程接口，这个接口与具 体的仪器无关，IVI就是在这一层实现相同功能不 同型号仪器之间互换，测试程序调用该层，然后该 层再去调用特定的与具体仪器相关的驱动来控制仪 器和实现测量L4J。 以Agilent 34980A为对象，给出功能测试模块 的IVI驱动程序编写范例，部分程序代码如下： Dim index As Integer； Dim rdgArray(80)As Double； EFT Mode(CloseMeasureOpen)： 功能测试模块 myAgilent34980AScanSc
18、anList=“1 00 1：1 020： 扫描列表赋值 myAgilent34980AVoltageDC Voltage Configure(“1001：1020”，100， AgilentAgilent34980AInteropAgilent34980A Resolution EnumAgilent34980A Resolution Least)； 直流电压配置 myAgilent34980AVoltageDC Voltage Auto Zero(“1001：1020”)； AgilentAgilent34980AInteropAgilent34980A Auto Zero EnumAgi
19、lent34980A Auto Zero ONCE； myAgilent34980ADisplayDisplay Enabled= False；显示器使能键关闭 myAgilent34980ATriggerConfigure(AgilentAg ilent34980AInteropAgilent 34980A Trigger Source EnumAgilent34980A Trigger Source Immediate，1，0， 1)：触发配置 For index=1 To numChannels； myAgilent34980ARouteClose(“1001”)； “1001”通道关闭
20、 myAgilent34980AMeasurementInitiate()； 测量初始化耋雾蓁 78 兵工自动化 第29卷 响应快、稳态误差小，性能远优于常规PID控制。 图6为常规PID控制器和模糊神经网络PID控 制器对正弦信号跟踪的误差响应曲线，通过对比可 0 0 0 、=0 0 _O -o (a)PID控制 知：模糊神经网络PID控制器在动态性能方面明显 优于常规PID控制器，可将正弦响应误差从002 rad 降至0001 rad。 之 州 图6系统正弦误差晌应曲线 4 结束语 仿真结果表明，模糊神经网络PID控制器能缩 短调节时间，加快响应速度，提高稳定精度，具有 良好的鲁棒性，能满
21、足非线性系统的要求，具有现 实应用价值。 参考文献： 【l】李涛，刘琮敏，供弹机模糊自适应PID控制器设计J】 火炮发射与控制学报，2009(1)：4951 【2】栗建中，宋文忠饱和特性下坦克火炮控制器的优化与 仿真【J】工业控制计算机，2006(2) rdgArray myAgilent34980AMeasurementFetchNumbersOnly； myAgilent34980ARouteOpen(“1 00 1”)； “1001”通道打开 Next 当对测试模块进行远程控制时，远程控制者通 过网页中虚拟仪器控件或IVI驱动程序所使用的 Socket接口，或者通过IvI驱动程序选用的L
22、AN或 者USB接口，在Control Server程序的协助下，和 仪器的功能模块进行控制和数据信息交互。Control Server是和Web Server并行运行的个程序或者模 块。一般情况下，Control Server将远程控制者发送 的数据和控制信息解析后，通过隔离的高速串行口 将命令发送给LXI功能设备(比如信号源的函数发 生部分)，并读取功能设备产生的数据和其他控制信 息，发送回虚拟仪器控件或者IVI驱动程序，作进 一步的处理，从而实现通过远程设备控制的功能。 (b)糊神经网络PID控制 3】栗建中坦克火炮控制系统设计与仿真【D】南京：东 南大学，2008 4张乃尧，阎平凡神经
23、网络与模糊控制(M】北京：清 华大学出版社，1997 5】刘金锟先进PID控制第二版M】北京：清华大学出 版社2005 【6】肖敏，张华，贾剑平。模糊神经网络PID控制在焊缝跟 踪中的应用J】微计算机信息，2006，22(91)：6870 【7】孙海燕，郭前岗模糊神经网络PID控制器在DTC中的 应用J】控制系统，2007，23(12一1)：5759 【8】DALEY sGILL K FA design study of a selforganizing fuzzy logic controllerJProcInstitute of Me-chanical Engineers1986(200)
24、：5969 其中，虚拟仪器控件实现数据、波形的动态实时显 示，把虚拟仪器控件嵌入到Wleb网页中，实现标准 化的LXI设备远程控制功能。 4 结束语 目前，LAN接口已广泛应用于仪器中，并取得 较好的效果，该方法对该类仪器的接口实现技术方 向有一定的推动作用和参考意义。 参考文献： 【1LXIRevision一1201ishttp：www1xistandardorg home，2007，1 1，26 2】郭恩全，巩欣洲，胡华伟LXI总线接口技术研究【J】_ 陕西海泰电子有限责任公司，2007 3】郑人杰，殷人昆，陶永雷实用软件工程【M北京：清 华大学出版社，2006 4】IVI FoundationIVI一4 IVI Scope Class Specification V10【S】1998 【5】IVI FoundationIVI-31 Driver Architecture Specification V13S】2005 【6】“LXI联盟会员大会暨高级技术论坛”2007-4u资料2007 O O O 0 0
