要點
上世紀80年代美國國家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念,，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變 革,，使得計算機和網(wǎng)絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來,，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河,。虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測 試儀器系統(tǒng),，即采用計算機開放體系結構取代傳統(tǒng)的單機測量儀器,，對各種各樣的數(shù)據(jù)進行計算機處理、顯示和儲存,。虛擬儀器的突出優(yōu)點在于能夠和計算機技術結 合,，從而開拓了更多的功能，具有很大的靈活性,，極大提高了測試系統(tǒng)的處理能力,。與此同時，人們對于虛擬儀器系統(tǒng)中硬件與計算的連接方式對于測試系統(tǒng)整體性 能帶來的影響,，表現(xiàn)出了前所未有的關注,。
儀器早已能和控制器通信并且互相通信，來為這類應用服務,。這種能力可追溯到上世紀60年代末,，當時HP公司發(fā)明了HP接口總線（HP-IB）,，被制定 為IEEE-488標準，并起了一個與廠商無關的名字--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，但接口不具備針對儀器的特性,，而且把通信局限于 單臺電腦附近的幾部儀器,。
LXI標準和PXI標準正在克服這些局限性。這些標準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)活動期間,，他們大力宣 傳各自標準的特性和好處。人們可以使用符合其中某種標準的儀器或是混合系統(tǒng),，來為自己的實驗室?guī)碜詣踊瘻y試能力,。幾家廠商表示：不存在某種單一的儀器系 統(tǒng)體系結構來用于所有應用，他們在同時支持兩種標準,，或至少是在研究這些標準（表1中的突出顯示部分）,。
所謂LXI就是一種基于以太網(wǎng)技術等工業(yè)標準的、由中小型總線模塊組成的新型儀器平臺,。LXI儀器是嚴格基于IEEE 802.3,、TCP/IP、網(wǎng)絡總線,、網(wǎng)絡瀏覽器,、IVI-C0M 驅動程序、時鐘同步協(xié)議（IEEE1588）和標準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模塊的高度為一個或二個機架單位，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模塊由計算機控制,，所以不需要傳統(tǒng)臺式儀器的顯示,、按鍵和旋鈕，同時由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)機箱,。一般情況下,，在測試過程中LXI模塊由一臺主機或網(wǎng)絡連接器來控制和操作，等測試 結束后它再把測試結果傳輸?shù)街鳈C上顯示出來,。LXI模塊借助于標準網(wǎng)絡瀏覽器進行錯誤瀏覽,，并依靠IVI-C0M驅動程序通信，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。Aeroflex公司和National Instruments公司的通用PXI射頻信號源和接收器分別達到最高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 技術為目標。例如,，Aeroflex公司最近宣布了其PXI系統(tǒng)的新型LTE測量能力,。相比之下，人們能買到的幾乎任何類型的臺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)絡分析儀,。該儀器符合LXI C類,。
另外，如果人們需要某種遠程訪問形式,，或者必須覆蓋長距離,，那么事實能夠證明LXI是首選技術。例如,，如果人們需要對雷達工作距離開展測試,，其中的信號源和接收器相隔數(shù)百米，那么LXI系統(tǒng)就能輕松完成在別的方式下不切實際的測量（參考文獻1）,。
另一方面,，PXI提供了一種方式來輕松配置某個儀器系統(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 儲與分析,。
推動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大會上說：“目前,，1211種產(chǎn)品獲得了LXI認證,，比12個月以前增 加了大約50%.”他說，在同一時期,，配備LXI連接的儀器家族從64種增加到了140種,，有24家會員公司擁有符合LXI的產(chǎn)品。他指出：LXI涵蓋了 高性能測試系統(tǒng)的構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大會上發(fā)表關于LXI講話的還有The Mathworks公司Matlab與Simulink測試與測量產(chǎn)品經(jīng)理Rob Purser，Pickering Interfaces公司銷售與營銷經(jīng)理Bob Stasonis,，Agilent Technologies公司資深營銷工程師Chris Van Woerkom,，VTI Instruments公司業(yè)務開發(fā)副總裁Tom Sarfi.
Purser指出，LXI“充分利用電信浪潮”來為測試系統(tǒng)降低互連成本并確保長期穩(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補充了當前的技術，使人們可以用LXI來配合GPIB,、PXI或VXI系統(tǒng),。
Agilent公司的Van Woerkom 詳細介紹了LXI的能力，說它為測試系統(tǒng)提供了一套協(xié)調的LAN通信服務,，為儀器支持LAN發(fā)現(xiàn)功能,，為儀器定義了標準的網(wǎng)頁，規(guī)定了可互換虛擬儀器 （IVI）驅動程序,，要求為達標產(chǎn)品開展互操作性測試,，并為觸發(fā)與同步提供了擴展特性。
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,，其中以美國商業(yè)部的定義較為清楚和合理，它將國民經(jīng)濟的所有行業(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)包括計算機硬件業(yè)、通信設備業(yè),、軟件,、計算機及通信服務業(yè)。至于 IT使用業(yè)幾乎涉及所有的行業(yè),，其中服務業(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)，還包括相關的 服務業(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,，他們也許會認為LAN連接是問題,，而不是特性。在Autotestcon上發(fā)表講話時,，Pickering Interfaces公司的Stasonis介紹了在把儀器連接到公司的網(wǎng)絡時,，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部門關心正常運行時間和安全問題,，這可以理解。
Van Woerkom說,，如果自動化測試系統(tǒng)要求不高,，那么某種不會令IT部門不安的配置也許會獲得通過,。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的問題,，并 簡化編程,。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)絡中,，并且不會使IT部門感到不安。
在結束Autotestcon的講話時,，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,。B類儀器實施IEEE 1588標準，以便在儀器之間提供同步,，各儀器都包含自己的時鐘,，其速率與鄰近儀器略有不同。Sarfi說,，B類系統(tǒng)包含一個計時主設備和幾個從設備,，利 用時間戳來使時間差保持在數(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。
LXI儀器在微波領域得到廣泛運用,。其中一個例子就是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)絡分析儀。該儀器在67 GHz的動態(tài)范圍是110 dB,，可用于研發(fā)以及生產(chǎn)應用,。
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的儀器來測試電纜阻抗特征,。
NI公司提供PXI硬件和軟件定義儀器測試能力來促成多標準通信設備的測試，其中包括對GPS,、藍牙,、Wi-Fi、WiMax的支持,。
從臺面到PXI
PXI （PCI eXtensions for Instrumentation,，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展） 是一種由NI公司發(fā)布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺。PXI結合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性,、模塊化及Eurocard 機械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗,、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械,、電氣和軟件規(guī)范。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面 向儀器領域的必要擴展完美地結合起來,，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺,。這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺,。
如果把所有儀器都插到一塊背板中,，就無需IEEE 1588同步或單獨的硬件總線。National Instruments公司（NI）射頻與通信產(chǎn)品營銷工程師David Hall說：“假設你想同步兩臺數(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一號觸發(fā)線’,，一切都搞定,。從時序 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,。” Hall詳細說明了PXI對通信系統(tǒng)設計的好處,，特別是對于涉及MIMO無線電的測量。如果利用傳統(tǒng)儀器,，他說：“執(zhí)行這些測量的方式就是買兩臺矢量信號 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機箱里,。”
Hall引用了另一個通信例子,。美國導航學會（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全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) （GNSS）會議，與會者試圖構建更好的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,。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能實時輸送獲得的I/Q樣本,，直到占滿硬盤,。人們?nèi)缓罂衫么鎯Φ臉颖緛磉\用和優(yōu)化接收器原型,。
為了強調NI公司的承諾--確保PXI硬件能與該公司的LabView共同服務于通信應用,，該公司院士Mike Santori于去年8月5日在NIWeek大會發(fā)表講話時說，NI公司成立了一個由通信專家組成的內(nèi)部研發(fā)團隊,。為了使公司的硬件和軟件的研制符合其預 定計劃,，團隊成員們開發(fā)了一種LTE基站仿真器,。
使用習慣
如果你是一名臺式儀器用戶，從事某個LXI和PXI都適合的應用,，那么在轉向自動化時,，你對平臺的選擇可以圍繞你的經(jīng)驗、舒適水平和年齡來展開,。NI 公司的Hall說,，他在大學時學會了使用示波器，要點就是由儀器為他提供診斷信息,，使他能做出決定,。隨著PC在測試應用中的廣泛使用，把測量信息存入 PC,，并用PC來控制儀器和輔助決策,，就成了一件重要任務。他說,，雖然LXI和GPIB使臺式儀器自動化成為可能,，但這并不是最初開發(fā)這些儀器時為它們安 排的基本用途。
Hall承認,，用戶喜歡旋鈕和按鈕的感覺,，并且首次接觸儀器自動化的用戶可能會發(fā)現(xiàn)編程想法很嚇人。他在大學讀的是電腦工程,，但仍然發(fā)現(xiàn)C語言編程任務有些難,。他說，圖形方式的LabView語言簡化了這項任務,，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,，如果他想在實驗室中做測量，那么他會自然傾向于拿一臺Tektronix示波器來用,。他指出了一些實際的考慮事項,。例 如，如果你想在給被測的PXI示波器做上電循環(huán)的同時做測量,，那么你將需要兩個PXI機箱,，一個用于被測的示波器，一個用于測試設備,。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覺得更舒服,。”
最終,，多種儀器規(guī)格都會有發(fā)展空間,，廠商們對此將會加以利用。例如,，Tektronix公司（Ziomek喜歡用該公司制造的傳統(tǒng)工程示波器來做實驗 室工作）在NIWeek大會上說,，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帶給那些偏愛模塊式儀器體系結構的客戶,。Overhage說，他認為PXI示波器 和傳統(tǒng)示波器有不同的用途,，并且預計新型PXI示波器（NI公司將負責營銷）的推出不會影響該公司那些受歡迎的傳統(tǒng)儀器的銷售,。