要點(diǎn)
上世紀(jì)80年代美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變 革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè) 試儀器系統(tǒng)，即采用計(jì)算機(jī)開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機(jī)測(cè)量?jī)x器，對(duì)各種各樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理、顯示和儲(chǔ)存。虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié) 合，從而開拓了更多的功能，具有很大的靈活性，極大提高了測(cè)試系統(tǒng)的處理能力。與此同時(shí)，人們對(duì)于虛擬儀器系統(tǒng)中硬件與計(jì)算的連接方式對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)整體性 能帶來的影響，表現(xiàn)出了前所未有的關(guān)注。
儀器早已能和控制器通信并且互相通信，來為這類應(yīng)用服務(wù)。這種能力可追溯到上世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)HP公司發(fā)明了HP接口總線（HP-IB），被制定 為IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)，并起了一個(gè)與廠商無關(guān)的名字--通用接口總線（GPIB）。很多儀器早已配備以電腦為中心的通用接口，比如RS-232、USB 等等。但這些接口都有局限性。GPIB電纜又粗大又貴，并且數(shù)據(jù)速率有限。USB電纜無處不在，也很便宜，但接口不具備針對(duì)儀器的特性，而且把通信局限于 單臺(tái)電腦附近的幾部?jī)x器。
LXI標(biāo)準(zhǔn)和PXI標(biāo)準(zhǔn)正在克服這些局限性。這些標(biāo)準(zhǔn)各自的支持者們分別以LXI聯(lián)盟和PXI系統(tǒng)聯(lián)盟為代表，在夏秋兩季的行業(yè)活動(dòng)期間，他們大力宣 傳各自標(biāo)準(zhǔn)的特性和好處。人們可以使用符合其中某種標(biāo)準(zhǔn)的儀器或是混合系統(tǒng)，來為自己的實(shí)驗(yàn)室?guī)碜詣?dòng)化測(cè)試能力。幾家廠商表示：不存在某種單一的儀器系 統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來用于所有應(yīng)用，他們?cè)谕瑫r(shí)支持兩種標(biāo)準(zhǔn)，或至少是在研究這些標(biāo)準(zhǔn)（表1中的突出顯示部分）。
所謂LXI就是一種基于以太網(wǎng)技術(shù)等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、由中小型總線模塊組成的新型儀器平臺(tái)。LXI儀器是嚴(yán)格基于IEEE 802.3、TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)總線、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、IVI-C0M 驅(qū)動(dòng)程序、時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE1588）和標(biāo)準(zhǔn)模塊尺寸的新型儀器。與帶有昂貴電源、背板、控制器、MXI卡和電纜的模塊化插卡框架不同，LXI模塊 本身已帶有自己的處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)輸入。LXI模塊的高度為一個(gè)或二個(gè)機(jī)架單位，寬度為全寬或半寬，因而能容易混裝各種功能的模塊。信號(hào)輸 入和輸出在LXI模塊的前面，LAN和電網(wǎng)輸入則在模塊的后面。LXI模塊由計(jì)算機(jī)控制，所以不需要傳統(tǒng)臺(tái)式儀器的顯示、按鍵和旋鈕，同時(shí)由LXI模塊組 成的LXI系統(tǒng)也不需要如VXI或PXI系統(tǒng)中的0槽控制器和系統(tǒng)機(jī)箱。一般情況下，在測(cè)試過程中LXI模塊由一臺(tái)主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)連接器來控制和操作，等測(cè)試 結(jié)束后它再把測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)上顯示出來。LXI模塊借助于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行錯(cuò)誤瀏覽，并依靠IVI-C0M驅(qū)動(dòng)程序通信，從而便利了系統(tǒng)集成。
如果人們正在從事微波領(lǐng)域的工作，他們將需要LXI系統(tǒng)或者配備LXI微波儀器的混合系統(tǒng)。在PXI規(guī)格方面，Phase Matrix公司提供26.5GHz PXI-1420下變頻器，而Pickering Interfaces公司則提供PXI微波開關(guān)。Aeroflex公司和National Instruments公司的通用PXI射頻信號(hào)源和接收器分別達(dá)到最高6GHz和6.6GHz.PXI射頻模塊制造商并不打算增加帶寬，而是以支持新興 技術(shù)為目標(biāo)。例如，Aeroflex公司最近宣布了其PXI系統(tǒng)的新型LTE測(cè)量能力。相比之下，人們能買到的幾乎任何類型的臺(tái)式儀器大概都提供符合 LXI的版本。例如， Rohde & Schwarz公司剛剛推出了它的R&S ZVA67，這是一種10MHz至67GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。該儀器符合LXI C類。
另外，如果人們需要某種遠(yuǎn)程訪問形式，或者必須覆蓋長(zhǎng)距離，那么事實(shí)能夠證明LXI是首選技術(shù)。例如，如果人們需要對(duì)雷達(dá)工作距離開展測(cè)試，其中的信號(hào)源和接收器相隔數(shù)百米，那么LXI系統(tǒng)就能輕松完成在別的方式下不切實(shí)際的測(cè)量（參考文獻(xiàn)1）。
另一方面，PXI提供了一種方式來輕松配置某個(gè)儀器系統(tǒng)，無須處理LAN問題，也無須IT部門參與。PXI天生就在背板上的儀器之間提供時(shí)鐘同 步，LXI B和C類儀器具有這種能力，但較常見的C類版本不具備這種能力，特別是在射頻與微波范圍內(nèi)。而且，PXI系統(tǒng)可以用很高的速率來輸送數(shù)據(jù)，執(zhí)行儀器外的存 儲(chǔ)與分析。
推動(dòng)LXI
Agilent Technologies公司的Von Campbell是LXI聯(lián)盟的主席，他于去年9月16日在Autotestcon大會(huì)上說：“目前，1211種產(chǎn)品獲得了LXI認(rèn)證，比12個(gè)月以前增 加了大約50%.”他說，在同一時(shí)期，配備LXI連接的儀器家族從64種增加到了140種，有24家會(huì)員公司擁有符合LXI的產(chǎn)品。他指出：LXI涵蓋了 高性能測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建工作所需的所有主要產(chǎn)品類別，并且在儀器能力方面沒有缺憾。
與Campbell一起在Autotestcon大會(huì)上發(fā)表關(guān)于LXI講話的還有The Mathworks公司Matlab與Simulink測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)品經(jīng)理Rob Purser，Pickering Interfaces公司銷售與營(yíng)銷經(jīng)理Bob Stasonis，Agilent Technologies公司資深營(yíng)銷工程師Chris Van Woerkom，VTI Instruments公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Tom Sarfi.
Purser指出，LXI“充分利用電信浪潮”來為測(cè)試系統(tǒng)降低互連成本并確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。他說以太網(wǎng)具有30年的演變歷史，并一直保持著兼容性。多 數(shù)LXI實(shí)施工作都不需要特殊硬件，但Purser告誡人們不要購買 最便宜的以太網(wǎng)電纜來用于各自的儀器系統(tǒng)。他說LXI補(bǔ)充了當(dāng)前的技術(shù)，使人們可以用LXI來配合GPIB、PXI或VXI系統(tǒng)。
Agilent公司的Van Woerkom 詳細(xì)介紹了LXI的能力，說它為測(cè)試系統(tǒng)提供了一套協(xié)調(diào)的LAN通信服務(wù)，為儀器支持LAN發(fā)現(xiàn)功能，為儀器定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁，規(guī)定了可互換虛擬儀器 （IVI）驅(qū)動(dòng)程序，要求為達(dá)標(biāo)產(chǎn)品開展互操作性測(cè)試，并為觸發(fā)與同步提供了擴(kuò)展特性。
與IT部門打交道
IT的英文是Information Technology，即信息產(chǎn)業(yè)的意思，較為廣泛：目前IT業(yè)的劃分方法有各式各樣，其中以美國(guó)商業(yè)部的定義較為清楚和合理，它將國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有行業(yè)分 成IT業(yè)和非IT生產(chǎn)業(yè)。其中IT業(yè)又進(jìn)一步劃分為IT生產(chǎn)業(yè)和IT使用業(yè)。IT生產(chǎn)業(yè)包括計(jì)算機(jī)硬件業(yè)、通信設(shè)備業(yè)、軟件、計(jì)算機(jī)及通信服務(wù)業(yè)。至于 IT使用業(yè)幾乎涉及所有的行業(yè)，其中服務(wù)業(yè)使用IT的比例更大。由此可見，IT行業(yè)不僅僅指通信業(yè)，還包括硬件和軟件業(yè)，不僅僅包括制造業(yè)，還包括相關(guān)的 服務(wù)業(yè)，因此通信制造業(yè)只是IT業(yè)的組成部分，而不是IT業(yè)的全部。
如果人們與各自的IT部門打過交道，他們也許會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)AN連接是問題，而不是特性。在Autotestcon上發(fā)表講話時(shí)，Pickering Interfaces公司的Stasonis介紹了在把儀器連接到公司的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何避免意想不到的困難。他還在如何與防火墻和IT部門打交道方面提供了 一些建議， 他說IT部門關(guān)心正常運(yùn)行時(shí)間和安全問題，這可以理解。
Van Woerkom說，如果自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)要求不高，那么某種不會(huì)令I(lǐng)T部門不安的配置也許會(huì)獲得通過。他介紹了一種系統(tǒng)，其中的PC、路由器以及符合LXI 的儀器位于一個(gè)孤立的子網(wǎng)中（圖1）。人們可以讓路由器利用DHCP協(xié)議來配置儀器，但如果人工分配IP地址和別名，則可避免與地址再分配相關(guān)的問題，并 簡(jiǎn)化編程。他說：“程序喜歡固定的地址。”
圖1，Agilent Technologies公司的Chris Van Woerkom說，人們可以買一部路由器來把PC和LXI儀器連接到公司網(wǎng)絡(luò)中，并且不會(huì)使IT部門感到不安。
在結(jié)束Autotestcon的講話時(shí)，VTI Instruments公司的Sarfi概括了A、B、C類的儀器特征。C類是基本配置，確保與其它LXI C類儀器的互操作性。多數(shù)符合LXI的射頻和微波儀器屬于C類，但是VTI公司制造的是符合A類的微波開關(guān)。B類儀器實(shí)施IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，以便在儀器之間提供同步，各儀器都包含自己的時(shí)鐘，其速率與鄰近儀器略有不同。Sarfi說，B類系統(tǒng)包含一個(gè)計(jì)時(shí)主設(shè)備和幾個(gè)從設(shè)備，利 用時(shí)間戳來使時(shí)間差保持在數(shù)十納秒范圍內(nèi)。他最后描述了A類儀器，它們包含一條8道M-LVDS總線來支持硬件速度下的精確異步握手，誤差限于傳播延時(shí)。
LXI儀器在微波領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。其中一個(gè)例子就是Rohde & Schwarz公司最近推出的R&S ZVA67，這是一種符合LXI C類的10 MHz至67 GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。該儀器在67 GHz的動(dòng)態(tài)范圍是110 dB，可用于研發(fā)以及生產(chǎn)應(yīng)用。
在Autotestcon，The Mathworks公司演示了如何利用Matlab軟件以及Agilent公司和Tektronix公司符合LXI的儀器來測(cè)試電纜阻抗特征。
NI公司提供PXI硬件和軟件定義儀器測(cè)試能力來促成多標(biāo)準(zhǔn)通信設(shè)備的測(cè)試，其中包括對(duì)GPS、藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMax的支持。
從臺(tái)面到PXI
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展） 是一種由NI公司發(fā)布的堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard 機(jī)械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式PC的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面 向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。這使它成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。
如果把所有儀器都插到一塊背板中，就無需IEEE 1588同步或單獨(dú)的硬件總線。National Instruments公司（NI）射頻與通信產(chǎn)品營(yíng)銷工程師David Hall說：“假設(shè)你想同步兩臺(tái)數(shù)字化儀。舊的示波器方法是連接背部的一些電纜。利用PXI方法，你只須說‘使用PXI一號(hào)觸發(fā)線’，一切都搞定。從時(shí)序 和同步角度看，所有使用一條共同數(shù)字總線的模塊有一些天生的優(yōu)勢(shì)。” Hall詳細(xì)說明了PXI對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好處，特別是對(duì)于涉及MIMO無線電的測(cè)量。如果利用傳統(tǒng)儀器，他說：“執(zhí)行這些測(cè)量的方式就是買兩臺(tái)矢量信號(hào) 分析儀，連接后部的電纜， 并希望 本地振蕩器（LO）是同步的。在PXI方法中，模塊天生就同步，你只須把它們放在同一個(gè)機(jī)箱里。”
Hall引用了另一個(gè)通信例子。美國(guó)導(dǎo)航學(xué)會(huì)（ION）于去年9月22日至25日在佐治亞州薩瓦納召開了2009年ION全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS）會(huì)議，與會(huì)者試圖構(gòu)建更好的GPS接收器。Hall說，他們把PXI系統(tǒng)拿到野外，從空中獲得了原始的衛(wèi)星信號(hào)。他解釋說，PXI背板既是命 令總線也是數(shù)據(jù)總線，并且PXI Express能實(shí)時(shí)輸送獲得的I/Q樣本，直到占滿硬盤。人們?nèi)缓罂衫么鎯?chǔ)的樣本來運(yùn)用和優(yōu)化接收器原型。
為了強(qiáng)調(diào)NI公司的承諾--確保PXI硬件能與該公司的LabView共同服務(wù)于通信應(yīng)用，該公司院士Mike Santori于去年8月5日在NIWeek大會(huì)發(fā)表講話時(shí)說，NI公司成立了一個(gè)由通信專家組成的內(nèi)部研發(fā)團(tuán)隊(duì)。為了使公司的硬件和軟件的研制符合其預(yù) 定計(jì)劃，團(tuán)隊(duì)成員們開發(fā)了一種LTE基站仿真器。
使用習(xí)慣
如果你是一名臺(tái)式儀器用戶，從事某個(gè)LXI和PXI都適合的應(yīng)用，那么在轉(zhuǎn)向自動(dòng)化時(shí)，你對(duì)平臺(tái)的選擇可以圍繞你的經(jīng)驗(yàn)、舒適水平和年齡來展開。NI 公司的Hall說，他在大學(xué)時(shí)學(xué)會(huì)了使用示波器，要點(diǎn)就是由儀器為他提供診斷信息，使他能做出決定。隨著PC在測(cè)試應(yīng)用中的廣泛使用，把測(cè)量信息存入 PC，并用PC來控制儀器和輔助決策，就成了一件重要任務(wù)。他說，雖然LXI和GPIB使臺(tái)式儀器自動(dòng)化成為可能，但這并不是最初開發(fā)這些儀器時(shí)為它們安 排的基本用途。
Hall承認(rèn)，用戶喜歡旋鈕和按鈕的感覺，并且首次接觸儀器自動(dòng)化的用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)編程想法很嚇人。他在大學(xué)讀的是電腦工程，但仍然發(fā)現(xiàn)C語言編程任務(wù)有些難。他說，圖形方式的LabView語言簡(jiǎn)化了這項(xiàng)任務(wù)，并且該公司提供許多樣本程序來幫助新用戶入門。
ZTec Instruments公司制造包括PXI和LXI規(guī)格在內(nèi)的數(shù)字化儀，公司總裁Christopher Ziomek說，作為一名工程師，如果他想在實(shí)驗(yàn)室中做測(cè)量，那么他會(huì)自然傾向于拿一臺(tái)Tektronix示波器來用。他指出了一些實(shí)際的考慮事項(xiàng)。例 如，如果你想在給被測(cè)的PXI示波器做上電循環(huán)的同時(shí)做測(cè)量，那么你將需要兩個(gè)PXI機(jī)箱，一個(gè)用于被測(cè)的示波器，一個(gè)用于測(cè)試設(shè)備。盡管Ztec公司開 發(fā)了Zscope軟件，可在電腦屏幕上模仿傳統(tǒng)示波器的前部面板，但Ziomek說：“我用有旋鈕的裝置時(shí)覺得更舒服。”
最終，多種儀器規(guī)格都會(huì)有發(fā)展空間，廠商們對(duì)此將會(huì)加以利用。例如，Tektronix公司（Ziomek喜歡用該公司制造的傳統(tǒng)工程示波器來做實(shí)驗(yàn) 室工作）在NIWeek大會(huì)上說，它正在與NI公司合作開發(fā)一種10Gsps的3GHz PXI數(shù)字化儀。Tektronix公司首席技術(shù)官Craig Overhage表示，公司已在研究如何把它的高帶寬高采樣率示波器技術(shù)帶給那些偏愛模塊式儀器體系結(jié)構(gòu)的客戶。Overhage說，他認(rèn)為PXI示波器 和傳統(tǒng)示波器有不同的用途，并且預(yù)計(jì)新型PXI示波器（NI公司將負(fù)責(zé)營(yíng)銷）的推出不會(huì)影響該公司那些受歡迎的傳統(tǒng)儀器的銷售。