CN107465716A - 基于lxi总线的网络仪器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LXI总线的网络仪器系统及实现方法，所述的网络仪器系统主要由仪器平台、LXI交换机和仪器测量模块组成，内部采用LXI总线，是一种模块化的组合仪器。所述的方法基于LXI总线的仪器测量模块互联，通过LXI交换机将仪器测量模块和仪器平台互联，按照测量要求确定测量模块的数量和功能；选择对应的传感器插入仪器接入端组成仪器测量模块；通过仪器平台下载仪器测量驱动程序并安装到测量模块中；按照测量环境布设测量模块并完成仪器初始化和测试自检。本发明解决传统仪器与被测设备或被测环境之间的测量布设和连接困难，测量模块功能和数量可以根据测量仪器要求选择，使得仪器的使用更加灵活，应用领域更加广泛。

Description

基于LXI总线的网络仪器系统及方法

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，涉及一种基于LXI总线的网络仪器系统及方法，该系统采用LXI总线，通过LXI交换机将仪器内部各个模块互联，能按照仪器测量要求进行仪器组合，大大提高了仪器使用的灵活性，扩展了仪器的应用领域。

背景技术

随着计算机技术、网络技术和仪器仪表技术的迅速发展，测量仪器不断向智能化、网络化方向发展，仪器总线技术作为构建仪器系统的关键技术经历了GPIB、VXI、PXI的发展过程，但这些标准都无法满足测试测量工业发展的需求。LXI(LAN extension forInstrument，即局域网仪器扩展)作为一种新型的仪器接口规范，集合了VXI和Ethernet的众多优点，解决了模块仪器的同步、定时、测试网络结构和软件互用性等关键问题，成为适应自动测试系统的新一代模块化仪器总线标准。LXI利用以太网技术，引入了对等和网络管理功能，扩展了仪器需要的语言、命令、协议等内容，集台式仪器的内置测量科学、PC标准I/O连通能力和基于插卡框架系统的模块化和小尺寸于一身，具有模块化、开放式和灵活的空间应用特性。

SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网管协议）作为互联网管理协议，广泛应用于对互联网设备及各种网络应用设备的管理，如对网桥、路由器、交换机、网关，以及打印机、服务器、计算机等管理。随着仪器仪表领域应用设备的网络化发展，以及LXI仪器总线标准的提出，SNMP协议用于对仪器仪表的网络化监测、配置和维护管理成为可能。SNMP属于应用层协议，依赖于面向无连接的协议UDP（用户数据报协议）,其实现网络管理的基础是含有管理元素信息的数据库，称为管理信息库（MIB）。MIB定义了管理信息的对象标识、类型、取值、权限。在RFC1156和RFC1213中规定了用户自定义的私有管理信息的方法，用户可以按照规范建立仪器私有的管理对象信息库。

HiSLIP（high-speed LAN instrument protocol，高速以太网仪器协议）协议是IVI（interchangeable virtual instruments，可互换虚拟仪器）联盟制定的针对远程仪器测量控制的专用仪器控制协议，主要用于解决现有网络化测控系统中的仪器控制效率低、连接不稳定问题。HiSLIP是基于TCP/IP的应用层协议，该协议结构清晰、形式简洁，易于实现。

目前主流测试系统仍然采用PCI、VXI、PXI等总线接口技术，但是随着人们对测试系统的便携性、灵活性、通用性、模块化等的要求越来越高，传统的测试系统在一些应用场合已不太适合，表现出了突出的技术局限性：

(1)测量距离受限：目前主流的VXI仪器、PXI仪器通过机箱中的VXI总线或PXI总线将仪器模块互连，仪器的所有功能集中在仪器机箱内，被测对象难于远距离分布。

(2)系统性能受限：由于采用集中式系统架构，测试计算机或零槽控制器往往成为系统性能瓶颈，造成部分测试设备长时间处于闲置等待状态。

(3)系统灵活性不够、通用性差：由于测量仪器种类繁多，所支持的接口标准各不相同，实际应用中很难将它们灵活组合以适应多种测试场合；系统的测试设备互换性未有效解决、测试系统缺乏一定的软硬件可重构能力，当测试对象变化时，测试系统无法灵活地进行调整、拓展和升级，以适应新的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服仪器系统目前存在的无法远距离布置、性能低、灵活性差和通用性不好的缺点，提出一种基于LXI总线的网络仪器系统及方法。

实现本发明的技术路线是：仪器内部采用LXI总线，通过LXI交换机将各仪器测量模块和网络仪器平台互联，构成网络仪器系统；如图1所示，测量服务器、远程访问终端通过互联网和网络仪器平台相连。仪器测量模块的功能和数量可以根据测量仪器要求选择，1个LXI交换机最多可以连接16个仪器测量模块；这些仪器测量模块的位置可根据测量环境和测量对象的情况灵活布设，与LXI交换机的距离最远可达1公里；每个仪器测量模块可以根据仪器测量要求选择对应的传感器。由于网络仪器平台和各仪器测量模块均支持LXI协议、SNMP协议和HiSLIP协议，因此可通过用户操作界面配置网络仪器平台及仪器测量模块，并从测量服务器上下载仪器测量驱动程序安装到对应的仪器测量模块中，通过在网络仪器平台上启动仪器测量软面板完成对仪器的初始化和自检；网络仪器平台通过向仪器测量模块发送SNMP服务请求和HiSLIP服务请求实现对传感器的监控和管理，并通过接收、解析仪器测量模块发回的响应报文来获取传感器的状态信息、告警信息和测量数据。由于LXI总线基于以太网技术，使得仪器的接入测量点可以按照局域网的要求布设，从而解决传统仪器与被测设备或被测环境之间的测量布设和连接困难。本发明目的是以下述方式实现的：

基于LXI总线的网络仪器系统及方法，所述的仪器系统基于LXI总线设计，包括一个网络仪器平台（1）、一个LXI交换机（2）和多个仪器测量模块（3），如图2所示。

网络仪器平台（1）由用户操作界面（11）、仪器数据库（12）、仪器监管（13）、仪器测量（14）、WEB服务器（15）、SNMP & HiSLIP客户端（16）、LXI总线接口（17）组成。用户操作界面（11）包括系统配置、检测、维护和管理的主界面和仪器测量界面；仪器数据库（12）保存网络仪器运行状态日志、仪器测量数据、系统维护及管理三类信息；仪器监管（13）功能包括系统的初始化、系统资源分配、仪器测量模块检测、驱动程序下载及配置、仪器运行状态及故障监测；仪器测量（14）功能包括测量数据处理、产生测量命令和触发信号、资源映射及互锁处理、测量运行监测和测量数据加密验证；WEB服务器（15）功能是向远处用户提供操作界面,实现对网络仪器平台的远程管理和配置；SNMP & HiSLIP客户端（16）向仪器测量模块提出服务请求，并对维护管理数据和测量数据按照协议规程进行封装、解包和传输；LXI总线接口（17）包括LXI总线驱动程序、时钟同步机制和TCP/IP网络程序。

本发明的实现在于：LXI交换机（2）支持以太网IEEE802.3协议和IEEE1588时钟同步协议，用于实现网络仪器平台和仪器测量模块之间互联。

本发明的实现还在于：仪器测量模块（3）由LXI总线接口（31）、SNMP & HiSLIP服务器（32）、传感器监控（33）、测量数据处理（34）、接口驱动（35）和传感器（36）组成。LXI总线接口（31）包括LXI总线驱动程序、时钟同步机制和TCP/IP网络程序；SNMP & HiSLIP服务器（32）支持SNMP和HiSLIP协议的主要功能，包括GET、SET、TRAP命令，管理对象库MIB、异步传输、同步传输；传感器监控（33）功能包括仪器测量模块上电自动检测、传感器驱动加载、传感器运行性能状态监测、管理和测量命令处理；测量数据处理（34）对采集的传感器数据进行过滤、分类、处理和压缩；接口驱动（35）是指与传感器相连接接口的驱动程序；传感器（36）包括仪器测量探针、信号的采集和放大、信号的AD转换、信号触发和信号同步。

本发明的实现还在于：基于LXI总线的网络仪器实现方法，所述的方法基于LXI总线的网络仪器，通过LXI交换机将网络仪器内部各个模块互联，按照仪器测量要求进行仪器组合，将仪器接入测量点可以按照以太网的规范布设，是一种基于LXI总线网络的模块化仪器方案。

如图3所示，其实现步骤如下：

①按照测量要求确定网络仪器中测量模块的数量（数量不大于16个）和每个测量模块的功能；

选择每个仪器测量模块对应的传感器，将传感器插入到对应的接口上组成仪器测量模块；

通过用户操作界面配置仪器平台及测量软面板，在测量服务器上下载仪器测量驱动程序并安装到对应的测量模块中；

按照测量环境布设仪器中的测量模块的位置，并对测量模块逐个检测；

将每个仪器测量模块的探针分别接入到各自的被测量对象中，并对探针接入信号自检；

在仪器平台上启动仪器测量软面板，并进行仪器初始化和测试自检，确认成功。

本发明的基于LXI总线的网络仪器系统及方法，其优点在于：

(1)现场测量，按照以太网布线标准，将仪器测量模块布设到测量现场，扩展了仪器测量中被测对象之间的分布距离；

(2)模块化，仪器测量模块的功能、数量以及每个测量模块所连接的传感器都可以根据测量需要灵活选择和配置；

(3)成本低廉，仪器测量模块基于LXI规范设计，自带处理器、电源和触发功能，支持局域网连接、与带有昂贵电源、背板、控制器、MXI卡的传统仪器相比，大大降低了费用；

(4)智能化，整个仪器系统由网络仪器平台统一监控、配置和管理，各个仪器测量模块可以相互协作，记忆仪器测量习惯，实现了仪器的自动配置和自动测量；

(5)建立网络仪器云服务，通过测量服务器向网络仪器用户提供各种仪器测量驱动程序，仪器测量软面板，仪器测量例程等服务。

附图说明

图1是网络仪器测量实现框图；

图2是基于LXI总线的网络仪器系统组成结构图；

图3是基于LXI总线的网络仪器系统实现步骤图；

图4是SNMP和HiSLIP报文结构图；

图5是基于LXI总线的网络仪器系统工作流程图。

具体实施方式

一．总体实现结构

基于LXI总线的网络仪器系统及方法，所述的仪器系统基于LXI总线，按以太网标准设计，该系统包括网络仪器平台（1）、LXI交换机（2）和多个仪器测量模块（3）。

网络仪器平台（1）由用户操作界面（11）、仪器数据库（12）、仪器监管（13）、仪器测量（14）、WEB服务器（15）、SNMP & HiSLIP客户端（16）、LXI总线接口（17）组成。仪器测量模块（3）由LXI总线接口（31）、SNMP & HiSLIP服务器（32）、传感器监控（33）、测量数据处理（34）、接口驱动（35）和传感器（36）组成。

如图2所示，各个部分的详细功能如下：

用户操作界面（11）为用户提供系统配置、检测、维护和管理的主界面和仪器测量界面，用户通过该界面对管理的仪器设备进行实时监控，维护、软件升级、系统配置、MIB编辑以及仪器测量操作；

仪器数据库（12）用于保存网络仪器运行状态日志、仪器测量数据、系统维护及管理三类信息；

仪器监管（13）用于实现系统的初始化、系统资源分配、仪器测量模块检测、驱动程序下载及配置、仪器运行状态及故障监测功能；

仪器测量（14）完成测量数据处理、产生测量命令和触发信号、资源映射及互锁处理、测量运行监测和测量数据加密验证功能；

WEB服务器（15）用于向远程用户提供web操作界面，支持浏览器/服务器（B/S）模式，用户通过浏览界面对系统管理的仪器设备进行实时检测、维护、系统配置、告警处理操作；

SNMP & HiSLIP客户端（16）实现向仪器测量模块提出服务请求，并对维护管理数据和测量数据按照协议规程进行封装、解包和传输功能；

LXI总线接口（17）实现网络仪器平台端的LXI总线驱动、时钟同步机制和TCP/IP通信功能。

LXI交换机（2）用于将网络仪器平台和各仪器测量模块连接，提供连接通路，实现通信数据的接收和转发；LXI交换机还支持以太网IEEE802.3协议和IEEE1588时钟同步协议，实现网络仪器平台和仪器测量模块之间时钟同步信号的传送。

LXI总线接口（31）用于实现仪器接入端LXI总线驱动、时钟同步机制和TCP/IP通信功能；

SNMP & HiSLIP服务器（32）完成SNMP代理功能和HiSLIP协议服务器端功能，SNMP代理能够实现管理信息包的接收、解析网络仪器平台发来的GET、SET操作，产生响应报文及相关操作，并通过TRAP操作将产生的各种事件推送给络网仪器平台，能够自动检测、下载和安装管理对象信息库MIB。HiSLIP服务器支持网络仪器平台上仪器软面板的实时测量，通过建立同步和异步通道实现测量数据的快速处理和传输；

传感器监控（33）实现仪器测量模块上电自动检测、传感器驱动加载、传感器运行性能状态监测、管理、测量命令和各种事件的处理功能；

测量数据处理（34）实现对传感器数据的收集、过滤、分类、处理和压缩，并对测量触发信息、时钟同步信号做相应处理；

接口驱动（35）完成仪器测量模块（3）与传感器组件相连接接口的驱动功能，在仪器测量模块（3）中传感器是一个独立组件，通过接口与测量模块相连。

传感器（36）通过测量探针接入到被测对象进行测量，实现测量信息的采集和放大、信号的AD转换，以及信号触发和信号同步响应。

二．系统实现方法和步骤

基于LXI总线的网络仪器系统的具体实现方法是：仪器系统内部采用LXI总线，通过LXI交换机将网路仪器平台和各仪器测量模块互联，外部通过互联网与测量服务器和远程访问终端相连；各仪器测量模块可以按照实际测量要求进行仪器组合，将仪器接入测量点可以按照以太网的规范布设，整个仪器系统采用基于LXI总线网络的模块化仪器方案实施。

网络仪器系统的具体实现步骤如下：

①首先按照测量要求确定网络仪器中测量模块的数量（数量不大于16个）和每个测量模块的具体功能；

然后根据每个测量模块的具体功能选择对应的测量传感器，并将选定的传感器插入到测量模块对应的接口上组成仪器测量模块；

接下来通过用户操作界面对网络仪器平台和测量软面板进行配置，并从测量服务器上下载仪器测量驱动程序，将该驱动程序安装到对应的仪器测量模块中；

再按照测量环境和被测对象的位置确定仪器系统中的每个仪器测量模块的布设位置并安装到位，并对仪器测量模块逐个检测；

将每个仪器测量模块的探针分别接入到各自的被测量对象中，并对测量传感器及探针接入信号进行自检；

最后在网络仪器平台上启动仪器测量软面板，进行测量配置，系统初始化和测试自检等，以确认仪器系统运行成功。

三．系统工作流程

基于LXI总线的网络仪器系统内部采用LXI总线，由网络仪器平台、LXI交换机和仪器测量模块组成。系统嵌入了简单网管协议SNMP协议软件模块，实现网络仪器平台对LXI交换机和各个仪器测量模块监控、管理、维护、配置等功能，并接受各个测量模块发来的事件及告警信息。SNMP协议采用C/S（客户端/服务器）模式，由管理站、SNMP代理和管理信息库MIB组成。按照管理协议规定，管理站和代理之间通过5种报文操作进行通信，其中get、get-next和set操作由管理站发给代理，get-response和trap报文由代理发给管理站，其报文结构如图4所示，由公共SNMP首部、get首部/set首部/trap首部和变量绑定三部分组成。SNMP协议规定了管理对象信息格式，并且保存在MIB库中，是一种结构化的树形结构，管理对象分为公有和私有管理信息，公有管理信息由国际组织统一定义，私有管理信息可以由用户定义，如仪器类型、型号、厂商、出厂日期等。管理站实现SNMP客户端功能，被嵌入在SNMP &HiSLIP客户端（16）中；SNMP代理和被管对象MIB库实现了SNMP服务器的功能，被嵌入在SNMP& HiSLIP服务器（32）中。

网络仪器平台和仪器测量模块之间的测量控制和测量数据通信采用HiSLIP高速以太网仪器协议。HiSLIP是基于TCP/IP的应用层协议，HiSLIP通信协议由服务器和客户端组成，在网络仪器平台中嵌入HiSLIP客户端，在仪器测量模块中嵌入HiSLIP服务器端，在测量数据传输过程中一般需要建立2个通道，它们分别是同步通道和异步通道，其中同步通道用于传输仪器的控制命令（如SCPI命令等）和测量数据，异步通道用于传输独立的突发性的事务请求。2个通道均由客户端向服务器端发起请求建立连接。HiSLIP帧结构如图4所示，由消息类型、控制码、消息参数、数据长度和数据5个部分组成，异步、同步通道均可传输既定格式的数据包。

本仪器系统采用SNMP协议和HiSLIP协议实现仪器平台与仪器测量模块之间的通信，SNMP协议完成系统中维护、管理、配置等信息传输，HiSLIP协议完成仪器测量过程中测量数据信息传输，信息的传输通信过程采用客户/服务器模式，下面结合图5说明基于LXI总线的网络仪器系统的工作流程：

(1)首先用户通过网络仪器平台提供的用户界面执行一个操作；

(2)系统对用户这次操作的类型进行判定，如果用户执行的是仪器管理、配置和告警处理类，就启动SNMP通信；如果用户执行的是仪器测量控制类，就启动HiSLIP通信；

(3)对于采用SNMP通信，需要给定仪器测量模块的IP地址、管理信息项对应的OID号和操作命令；

(4)根据操作命令构造对应的SNMP报文（get报文、get-next报文或set报文）；

(5)对报文进行封装（加UDP首部，IP首部）、BER编码和加密；

(6)通过161端口发送给仪器测量模块；

(7)对应IP的仪器测量模块对报文进行解密、解码、拆封、提取数据信息；

(8)如果是set报文就进行相关参数设置，如果是get报文就进行相关状态数据查询；

(9)相关的仪器测量产生响应报文get-response发送给网络仪器平台；

(10)对于HiSLIP通信，先确定命令行参数；

(11)向仪器测量模块发送建立连接请求，在默认4880端口建立同步通道、异步通道，完成通道初始化；

(12)网络仪器平台实时监测仪器测量模块的测量过程，并通过HiSLIP通信及时接收测量数据；

(13)测量数据传输完毕，关闭建立的通道连接，释放资源。

Claims (2)

1.基于LXI总线的网络仪器系统，其特征在于包括：

A．设计了一个网络仪器平台（1），该平台由用户操作界面（11）、仪器数据库（12）、仪器监管（13）、仪器测量（14）、WEB服务器（15）、SNMP & HiSLIP客户端（16）、LXI总线接口（17）组成；用户操作界面（11）包括系统配置、检测、维护和管理的主界面和仪器测量界面；仪器数据库（12）保存网络仪器运行状态日志、仪器测量数据、系统维护及管理三类信息；仪器监管（13）功能包括系统的初始化、系统资源分配、仪器测量模块检测、驱动程序下载及配置、仪器运行状态及故障监测；仪器测量（14）功能包括测量数据处理、产生测量命令和触发信号、资源映射及互锁处理、测量运行监测和测量数据加密验证；WEB服务器（15）功能是向远处用户提供操作界面；SNMP & HiSLIP客户端（16）向仪器测量模块提出服务请求，并对维护管理数据和测量数据按照协议规程进行封装、解包和传输；LXI总线接口（17）包括LXI总线驱动程序、时钟同步机制和TCP/IP网络程序；

B．设计了一个LXI交换机（2），实现网络仪器平台和仪器测量模块之间的互联，支持以太网IEEE802.3协议和IEEE1588时钟同步协议；

C．仪器测量模块（3），该模块由LXI总线接口（31）、SNMP & HiSLIP服务器（32）、传感器监控（33）、测量数据处理（34）、接口驱动（35）和传感器（36）组成；LXI总线接口（31）包括LXI总线驱动程序、时钟同步机制和TCP/IP网络程序；SNMP & HiSLIP服务器（32）支持SNMP和HiSLIP协议的主要功能，包括GET、SET、TRAP命令，管理对象库MIB、异步传输、同步传输；传感器监控（33）功能包括仪器测量模块上电自动检测、传感器驱动加载、传感器运行性能状态监测、管理和测量命令处理；测量数据处理（34）对采集的传感器数据进行过滤、分类、处理和压缩；接口驱动（35）是指与传感器相连接接口的驱动程序；传感器（36）包括仪器测量探针、信号的采集和放大、信号的AD转换、信号触发和信号同步。

2.基于LXI总线的网络仪器实现方法，其特征在于，所述的方法基于LXI总线的网络仪器，通过LXI交换机将网络仪器内部各个模块互联，按照仪器测量要求进行仪器组合，将仪器接入测量点可以按照以太网的规范布设，是一种基于LXI总线网络的模块化仪器方案，其实现步骤如下：

①按照测量要求确定网络仪器中测量模块的数量（数量不大于16个）和每个测量模块的功能；

选择每个仪器测量模块对应的传感器，将传感器插入到对应的仪器接入端组成仪器测量模块；

通过用户操作界面配置仪器平台及测量软面板，在测量服务器上下载仪器测量驱动程序并安装到对应的测量模块中；

按照测量环境布设仪器中的测量模块的位置，并对测量模块逐个检测；

将每个仪器测量模块的探针分别接入到各自的被测量对象中，并对探针接入信号自检；

在仪器平台上启动仪器测量软面板，并进行仪器初始化和测试自检，确认成功。