深入了解LAN/LXI在仪器控制方面的应用

深入了解LAN/LXI在仪器控制方面的应用

目录
• LAN介绍
• LXI--兼容LAN仪器
• 混合系统中选择最佳总线
• 参考文献
• NI相关产品以及白皮书
LAN介绍
LAN总线是一种用于连接仪器和PC的总线之一。尽管人们常说LAN（或其他总线）适用于所有的应用，但实际上每种总线都有不同的优势，真正的系统是在一个统一的软件架构中充分利用多种总线的优势。LAN总线特别适用于分布式应用，但对于桌面测量或自动化测试就不是最合适的。本文将详细分析LAN总线在适合的仪器控制方面的应用。同时我们还会对LXI（LAN的仪器扩充，简称LXI），一种全新的标准基于LAN总线进行一些讨论。
LAN或以太网总线，是一种为计算机网络连接所设计的标准。它是非常普遍的连接方式，我们用它连接到其他电脑和英特网。LAN总线最明显的优势是允许存在连接距离，尤其是在使用了LAN交换机和路由器之后，LAN几乎没有连接距离上的限制。。当系统需要长距离的分布式测量，或需要将测量仪器靠近测量源而远离控制PC时，这种距离上的优势就显得至关重要。通过适当的网络安全配置，LAN还能够用于远程诊断；如查看远程测试地点的仪器配置情况。
LAN在分布式处理系统中也有用武之地。多个处理单元可以通过LAN网络完美地相连，并对等地进行通信。举例而言，一个高性能的分析程序能够通过LAN，将不同的处理任务分配到多个相连的PC上，从而扩展系统的处理性能。另外，在一个分布式的数据记录程序中，每一个本地节点都能够完成数据记录和控制，而仅仅将需要的数据通过网络传送到监督控制系统中。
最后，LAN对于仪器控制来说也相当具有吸引力，因为就像USB、过去的RS-232和并行端口一样，LAN也逐渐成为所有台式PC的标准。
另一方面，在非分布式系统中，如台式机或机架环境下时，LAN也存在一些缺陷，包括：
• 较长的延时
• 较长的处理时间和较高的成本
• 复杂的配置
• 可供选择的LAN仪器较少
总线的吞吐量一般由总线的延时和带宽共同决定的。延时度量数据传送的迟滞，而带宽度量数据通过总线传输的速率，通常以MB/s为单位。低延时能够提高需要传输大量短小指令或小型数据包的应用。高带宽对于诸如波形生成和采集的应用程序非常重要。图1对不同仪器总线的延时和带宽进行了比较。请注意，从下至上为带宽提高，而从左至右为延时缩短。尽管更高速度的选择，如千兆LAN，能够为许多应用提供足够的带宽，但是LAN的延时在各种总线当中却是最长的，这直接限制了LAN在许多仪器应用中的性能表现。举例而言，图2是一个常用的数字万用表（DMM）/开关应用的性能指标，LAN接口的性能比USB或GPIB差多了。

图2：在开关-测量系统中通过LAN、USB、GPIB和PXI分别添加一个继电器之后的性能表现。LAN的延时最长，这限制了LAN在这项应用中的性能。
（LAN、USB和GPIB数据得自Agilent 34980A，PXI数据得自NI PXI 4070和NI PXI 2532）
在数据密集的应用中，由于协议栈是在软件中实现，LAN通信需要强大的处理能力。一般的判断原则是“每赫兹一位”规律1；这是一种对给定以太网连接速度所需CPU处理性能的粗略估计是，一般每秒钟需要处理一位网络数据，就需要一赫兹的CPU处理能力。使用这个规则，我们大约可以判定一个千兆LAN连接在全速进行数据流传输时，大约需要1G赫兹的现代台式处理器的处理能力。因此，在高速系统中，CPU可能在通信链路上投入的处理会超过实际应用。这可能成为系统获取更高数据吞吐量的瓶颈，例如依赖数据总线将数据流传回主机处理器的模块化系统。
LAN的处理性能可能在两个方面增加一个LAN仪器的成本。首先，在高速系统中，可能需要台式机或服务器级别的处理器来处理TCP/IP协议栈。其次，当通过LAN无法达到实时数据速率要求时，仪器设计者必须在仪器中内嵌数据削减处理单元。而这样既增加了成本，也降低了用户灵活性。
LAN的另一个缺陷是需要现有的LAN网络支持才能够进行安装。对于一个复杂的应用而言，这可能不是个问题，但是和桌面应用中的USB相比，这却是额外负担。LAN需要IP地址和其他网络设置，而这些都可能受到其安装所在网络IT政策的影响。实际上，许多针对LAN仪器的远程诊断的优势都会被公司的关于防火墙或是其他网络安全的IT政策所否定。
尽管以太网比GPIB的历史更长，用于仪器控制也有至少15年了，它在仪器控制总线中的应用仍只占一小部分；相比于超过一万种的GPIB控制仪器，LAN仪器只有区区几百种。2现在，LAN主要用于仪器间距离较长的系统。对于台式应用，更常使用GPIB和USB，而在验证和生产中，GPIB和模块化系统，例如PXI总线（PCI仪器扩展），是最常用的选择。当然，许多系统将多种不同的总线整合到一个混合系统中，其中实际仪器接口在软件中被抽象了。
LXI--兼容LAN仪器
2005年，一些测试和测量厂商发布了一个名为LXI标准的说明。LXI在独立LAN仪器中加入了一些附加特性，比如标准HTML配置页面和多种实现LAN仪器的最佳实例。LXI加入了可选的定时与同步特性，包括IEEE-1588精确定时协议和总线硬件触发（这些在某些类别的LXI仪器中是必需的）。图3对LXI和现有LAN仪器的特性进行了比较。

图3：LAN和LXI仪器特性比较
IEEE-1588允许通过LAN网络进行同步。IEEE-1588设备使用特定LAN硬件能够达到在+-100 ns的时间同步。这个能力使IEEE-1588对于需要进行长距离同步的低采样速率（低于1 MS/s）的应用变得很有吸引力。LXI硬件触发总线是一系列共享的LVDS（低电压差分信令），通过使用特殊电缆可以在更短的距离内实现更精确的同步。
许多LXI仪器与现有LAN仪器很相似，实际上，现有的LXI设备大部分都是在之前产品的基础上升级所得到的。它们具有可选的同步功能，非常适合于长距离的分布式仪器的应用。

混合系统中选择最佳总线
实际的系统会在一个模块化系统架构下使用多种总线技术，以最大限度地利用每个系统的特性。举例而言，您可以使用基于PXI的具有高采集和生成速度的系统连接现有的GPIB和USB仪器，并且通过LAN将数据传送到其他应用程序。因此购买仪器时，你最好确定仪器带有相应驱动程序，使您可以在您所选的软件中轻松地构造混合系统。
要获取更多信息，请查阅混合系统：集成您多厂商、多平台的测试设备白皮书和仪器总线性能：了解仪器控制中的各类总线技术白皮书。