基于LXI網絡儀器的自動發現與配置

周 歡，李宥謀，黃建軍，劉 婧

(西安郵電大學，陜西 西安 710000)

基于LXI網絡儀器的自動發現與配置

周 歡，李宥謀，黃建軍，劉 婧

(西安郵電大學，陜西 西安 710000)

LXI網絡儀器是以LXI(LAN eXtension for Instrumentation)作為儀器內部總線，由不同功能的LXI模塊組成的新型儀器。LXI模塊本身帶有自己的處理器、LAN接口、電源和觸發輸入，相較于傳統儀器，LXI網絡儀器具有組建靈活、高效、模塊化等特點，并且具有較強的擴展性和開放性，允許用戶靈活地選用不同廠商和不同類別的儀器設備，而不必僅限于單一廠商和單一類別的儀器設備來構建測控系統。在測量過程中實現儀器模塊的“即插即用”尤為重要。將一般系統中的“即插即用”機制與DHCP動態主機配置協議相結合，提出基于LXI網絡儀器的自動發現與配置方案。該方案可實現儀器代理模塊和測量模塊的自動發現、自動申報、自動加載和自動配置；通過在LXI網絡儀器平臺中的仿真與測量，運行效果良好，設計方案可行。

儀器；LXI總線；即插即用；測控

0 引 言

隨著計算機技術、網絡通信技術的飛速發展，測控系統逐步趨向于分布式、開放式的體系結構。開放系統具有可移植性、可互操作性、可伸縮性、易獲得性等特征，基于開放系統技術構建的LXI網絡儀器測控系統允許用戶靈活地選用不同廠商和不同類別的儀器設備，而不必僅限于單一廠商和單一類別的儀器設備。

傳統的儀器只能實現特定的功能，功能較單一且固定，而LXI網絡儀器是指由不同功能的儀器模塊通過LXI(LAN eXtension for Instrumentation)總線組成的新型儀器，用戶可以根據測量需求選擇所需要的功能模塊，組建靈活、高效、可靠、模塊化的儀器測控系統，具有較強的擴展性。

由于系統是由不同廠商、不同種類的儀器模塊組建的，且系統中不僅存在LXI網絡儀器，而且存在非LXI儀器設備，由于非LXI儀器設備僅具備簡單的I/O能力，而不具備網絡接口，無法直接接入網絡，使得LXI網絡儀器測控系統的系統配置變得非常困難。因此文中結合“即插即用”[1-2]機制，提出基于LXI網絡儀器的自動發現與配置方案。該方案可實現LXI網絡儀器中代理模塊和測量模塊的自動發現、自動申報、自動加載和自動配置。

基于LXI網絡儀器的自動發現與配置應具備以下功能：自動發現接入LXI網絡儀器測控系統中的儀器代理模塊或儀器設備；自動為儀器代理模塊分配IP地址；自動確定儀器設備的資源需求，下載設備接口驅動；自動加載網絡儀器對應的設備驅動程序；自動完成控制臺、儀器代理模塊、儀器設備之間的通信；自動生成儀器設備網絡拓撲圖；儀器設備主動向控制臺報告其故障信息。

文中提出的LXI網絡儀器自動發現及配置方案能及時反映LXI網絡儀器測控系統中各儀器設備的動態變化，即當一臺儀器設備加入網絡或從網絡中拔除的時候，不需任何配置，用戶就可以通過控制臺遠程控制儀器設備，獲取儀器設備的狀態信息，對其進行統一的維護、管理。

1 LXI網絡儀器及儀器模塊的即插即用

LXI儀器總線技術實現了測試測量領域的網絡化，將傳統儀器發展成為網絡儀器。目前新生產的儀器都帶有LAN口，并在儀器內部封裝了高速局域網儀器協議(HISLIP)服務器端作為儀器的網絡接入模塊，因此LXI網絡儀器可以直接接入網絡，實現在管理端對儀器設備進行遠程網絡化管理和數據傳輸。但許多傳統儀器并沒有將網絡接入模塊封裝在儀器內，所以不能將其直接接入網絡。為了能對這些傳統儀器進行網絡化管理，就需要一個LXI代理將管理端和儀器間接連接起來。LXI代理選用OK6410開發板，設計了LAN口，USB、GPIB、串口等接口電路，可直接與儀器連接，將傳統儀器網絡化，可支持對不具備LAN口的傳統儀器的網絡化管理。但由于儀器種類多樣化，接口種類繁多，儀器之間沒有一個統一的接口協議，使儀器接入局域網后，需要進行繁瑣的配置，才能完成儀器與管理端的通信與測量。LXI網絡儀器與儀器模塊即插即用，可使儀器不需手動進行復雜的配置即可接入網絡，并可自動完成系統及儀器的相關配置，使儀器接入局域網的過程變得更加簡單、靈活。

LXI網絡儀器及儀器模塊的即插即用[3]主要包括以下幾部分：

(1)自動發現插入局域網中的LXI網絡儀器及儀器代理模塊。自動發現包括儀器發現和儀器識別，其中儀器發現是獲取局域網中所有儀器的主機名、IP地址、MAC地址；儀器識別是指在獲得儀器的主機名或IP地址后，進一步獲得儀器的制造商、儀器類型、序列號等信息的過程。

(2)自動確定儀器模塊的資源需求(設備接口驅動)，儀器模塊接入網絡后，自動加載其接口驅動程序，實現儀器模塊與管理端、控制臺進行通信。

(3)自動加載網絡儀器設備的驅動程序和虛擬儀器軟面板，實現在遠端控制臺操作儀器，獲取儀器狀態信息或測量數據，并對儀器進行設置。

(4)自動生成儀器設備網絡拓撲，儀器模塊接入局域網后，能夠直觀地觀察測控系統的分布情況，便于對整個測控系統進行統一管理與維護，在主控制臺生成儀器設備的網絡拓撲。

(5)主動通知主控制臺設備狀態的變化信息。

2 儀器代理的發現與配置

LXI儀器代理將管理端和儀器設備連接起來，將沒有LAN口的傳統儀器模塊接入局域網，可以通過網絡對傳統儀器進行控制、維護、管理，并實現儀器的遠程測量，安全、方便的數據傳輸。儀器代理發現的工作過程[4]如圖1所示。

圖1 儀器代理發現工作過程

儀器代理尋址：儀器代理首次接入局域網后，主動向后臺DHCP服務器發送IP地址請求消息，獲取IP地址。

儀器代理發現：儀器代理一獲得IP地址，就主動向主控制臺推送其IP地址、MAC地址、子網掩碼、代理型號等信息，發送加入網絡的通知事件，觸發控制臺將其加入到網絡拓撲中，并創建一個IP地址與MAC地址的資源映射表以便后續的控制及管理。

儀器代理通信：儀器代理被發現后，還需建立其與主控制臺及后臺服務器的通信，儀器代理與后臺服務器通過HISLIP高速以太網儀器協議通信。HISLIP是專門用于儀器通信和儀器遠程控制的協議，是LXI標準的擴展功能，它基于TCP/IP協議，使用面向連接的TCP進行通信，同時支持IPV4和IPV6[5]。

儀器代理控制：SNMP(簡單網絡管理協議)將每一個被管理的儀器設備資源管理參數看成一個對象，MIB庫是這些對象的集合，該協議可對所有接入網絡的儀器代理進行管理。儀器代理被發現后，利用SNMP協議的GET/SET/TRAP命令對其進行遠程操作與管理[6]，其網絡管理模型如圖2所示。

儀器代理的發現首先要實現儀器代理IP地址的分配，這是LXI網絡儀器自動發現首先必須解決的問題。LXI網絡儀器自動發現采用DHCP動態主機配置協議[7-10]，為接入系統中的儀器代理模塊分配IP地址。儀器代理在接入網絡時，作為一個DHCP客戶端[11-12]，向系統中的DHCP服務器請求分配IP地址。儀器代理獲得IP地址后，就主動推送自己的IP地址、MAC地址、子網掩碼、代理型號等信息到主控制臺，控制臺自動將推送的儀器代理加入到測量系統中，并創建一個IP地址與MAC地址的資源映射表，方便對其進行統一管理與維護。

圖2 網絡管理模型

使用DHCP動態主機配置協議實現儀器代理自動發現有以下優勢：

(1)即插即用：只要在局域網中搭建了DHCP服務器，就可以將需要聯網管理的儀器設備接入網絡，不需要進行其他配置即可自動獲取IP地址;

(2)統一的地址管理：DHCP本身的機制決定它可以實現地址不沖突，并可以集中管理預留IP地址；

(3)高效的IP地址使用：當儀器設備接入網絡時，DHCP服務器會自動為儀器分配網絡參數，而當儀器設備從網絡中被拔除時，該儀器設備使用的IP地址將會被釋放，以供之后接入網絡中的儀器設備使用。

儀器代理自動發現的實現步驟為：

(1)搭建DHCP服務器環境，用下面命令安裝DHCP服務：sudo apt-get install dhcp3-server。

(2)配置DHCP服務監聽的網卡：將INTERFACES設置為eth0。

(3)修改DHCP服務器的配置文件dhcpd.conf,設置客戶端默認網關、子網掩碼、域名，定義DHCP地址池的服務范圍、默認租約時間、最大租約時間、靜態IP地址等，并設置DHCP服務器的IP獲取方式為手動(Manual)。

(4)配置LXI儀器代理：設置OK6410開發板IP獲取方式為DHCP,修改系統的啟動文件，將BOOTTRAP設置為DHCP,具體配置見圖3。

(5)測試DHCP服務器是否能動態分配IP地址給LXI儀器代理(運行在OK6410開發板上)，測試方式見圖4。

圖3 LXI儀器代理的配置

圖4 測試DHCP服務器

(6)通過shell腳本(如圖5所示)對租約文件dhcp.lease中的IP地址和MAC地址進行提取整理，并寫入到文件dhcp.txt中。由DHCP服務器分配的IP數據記錄都存放在租約文件“var/lib/dhcpd/dhcp.lease”中，租約文件記錄了已分配的每個IP地址信息(租約記錄)，包括IP地址、客戶端的MAC地址、租用的起始時間和結束時間等。每個IP地址信息用一個結構體表示。該文件由若干個這樣的結構體構成，其結構體格式如圖6所示。

圖5 提取IP地址和MAC地址的shell腳本

圖6 租約記錄結構體格式

由于同一個MAC地址可能在不同時段釋放和申請同一個IP地址，因此對經過shell腳本文件提取出來的IP地址和MAC地址進行了排序和過濾，將重復的內容刪除掉，經過濾的IP地址和MAC地址映射關系如下所示。

192.168.1.180 14:fe:b5:e3:f2:69

192.168.1.181 20:6a:8a:4d:31:96

192.168.1.182 08:90:90:90:90:90

3 儀器模塊的發現與配置

儀器代理模塊被發現后，還要對連接在代理上的儀器或測量模塊進行發現，進而達到遠程操作儀器的目的。儀器代理模塊上有多種接口，一般都有USB接口和RS232串口，因此儀器模塊的發現采用定時輪詢掃描儀器代理各個接口，讀取接口上有無狀態變化，判斷儀器模塊是插入系統，還是退出系統，對于USB接口是否接入儀器的發現，通過判斷是否打開成功來判斷USB串口是否被占用。

儀器模塊的發現步驟如下：

(1)初始化儀器發現模塊。

(2)搜索儀器。通過輪詢掃描儀器代理開發板上的USB口，判斷其是否被占用。

(3)加載USBTMC驅動。儀器插上之后，若檢測到不能與儀器通信，則發送請求信息到控制臺，查看后臺資源庫是否與相應的儀器接口驅動。若有，則下載并安裝該驅動到儀器代理開發板上；若無，則跳轉至儀器官網平臺遠程加載安裝該設備接口驅動，建立儀器與儀器代理的通信，實現儀器代理與儀器的信息交互。

(4)獲取儀器類型。儀器代理與儀器建立通信后，代理發送SCPI查詢指令*IDN?查詢儀器設備制造商、儀器類型、序列號、設備描述、硬件版本和基本配置等信息。

(5)遠程控制。儀器接入網絡后，事件觸發控制臺加載其虛擬儀器軟面板，實現遠程操作儀器設備，并獲取儀器狀態信息。

(6)自動加載網絡拓撲。將儀器模塊自動加載到控制臺界面儀器設備網絡拓撲中，可以更直觀地對整個系統中的儀器設備進行統一管理。

4 儀器離線后的注銷過程

HISLIP具有儀器清除功能，可以實現對所連接的儀器設備清除操作，釋放儀器資源，節省資源空間。

系統會定時掃描儀器代理各個接口，一旦檢測到離線的儀器設備，便將其從主控制臺網絡拓撲中移除，并回收分配給它的資源。代理模塊定時發送SCPI查詢指令給接口上的儀器，查看是否能獲取到該接口上儀器的設備制造商、儀器型號、序列號、硬件版本等基本信息。若能獲取到這些信息，則該儀器在線，發送SCPI儀器狀態控制指令，只需更新后臺數據庫中該儀器的測量數據信息，而不需更新其基本信息；若連續三次獲取不到該接口儀器，認為該接口上的儀器已被拔除，更新后臺數據庫信息，將該儀器信息從后臺數據庫中刪除，控制臺會根據更新后的數據庫信息更新系統的配置資源，刪除離線模塊的驅動程序，釋放資源。

5 結束語

結合一般系統中的“即插即用”機制，提出了一種基于LXI網絡儀器的自動發現與配置方案，可實現LXI網絡儀器中代理模塊和測量模塊的自動發現、自動申報、自動加載和自動配置；通過在LXI網絡儀器平臺中的仿真結果表明，其運行效果良好，證明LXI網絡儀器自動發現與配置方案是可行的，對于提升LXI網絡儀器測控平臺的工作效率具有十分重要的意義。

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AutomaticDiscoveryandConfigurationBasedonLXI

ZHOU Huan，LI You-mou，HUANG Jian-jun，LIU Jing

(Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710000,China)

The LXI network instrument is a new one composed of LXI modules with different functions which is based on LXI (LAN eXtension for Instrumentation) bus.The LXI module has its own processor,LAN interface,power supply and trigger input.Compared with traditional instruments,LXI network instrument has the characteristics of flexible construction,high efficiency and modularity with strong expansibility and openness.It allows users to flexibly select devices from different manufacturers and different categories without having to be limited to a single manufacturer and a single category of instrument and equipment to build the measurement and control system.It is very important to realize the "plug and play" of the instrument module in the process of measurement.Combining common plug-and-play mechanism with the DHCP,a scheme of automatic discovery and configuration based on LXI network instrument is put forword.The scheme can realize the detection,declaration,loading,and configuration of instrument agent module and measurement module in the automation.Through simulation and measurement in LXI network instrument platform,the scheme is effective in operation with feasibility.

instrument；LXI bus；play and plug；measurement and control

TP216

A

1673-629X(2017)12-0197-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.042

2017-01-03

2017-05-05 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-09-27

陜西省重大科技創新專項資助項目(2010ZKC02-08)

周 歡(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統開發與設計；李宥謀，教授，研究方向為集成電路設計、嵌入式系統開發與設計。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0958.048.html