周 歡，李宥謀，黃建軍，劉 婧

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710000)

基于LXI網(wǎng)絡(luò)儀器的自動發(fā)現(xiàn)與配置

周 歡，李宥謀，黃建軍，劉 婧

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安 710000)

LXI網(wǎng)絡(luò)儀器是以LXI(LAN eXtension for Instrumentation)作為儀器內(nèi)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(fā)輸入，相較于傳統(tǒng)儀器，LXI網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，而不必僅限于單一廠商和單一類別的儀器設(shè)備來構(gòu)建測控系統(tǒng)。在測量過程中實現(xiàn)儀器模塊的“即插即用”尤為重要。將一般系統(tǒng)中的“即插即用”機制與DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議相結(jié)合，提出基于LXI網(wǎng)絡(luò)儀器的自動發(fā)現(xiàn)與配置方案。該方案可實現(xiàn)儀器代理模塊和測量模塊的自動發(fā)現(xiàn)、自動申報、自動加載和自動配置；通過在LXI網(wǎng)絡(luò)儀器平臺中的仿真與測量，運行效果良好，設(shè)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(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，測控系統(tǒng)逐步趨向于分布式、開放式的體系結(jié)構(gòu)。開放系統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的LXI網(wǎng)絡(luò)儀器測控系統(tǒng)允許用戶靈活地選用不同廠商和不同類別的儀器設(shè)備，而不必僅限于單一廠商和單一類別的儀器設(shè)備。

傳統(tǒng)的儀器只能實現(xiàn)特定的功能，功能較單一且固定，而LXI網(wǎng)絡(luò)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(jù)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(tǒng)，具有較強的擴展性。

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

基于LXI網(wǎng)絡(luò)儀器的自動發(fā)現(xiàn)與配置應(yīng)具備以下功能：自動發(fā)現(xiàn)接入LXI網(wǎng)絡(luò)儀器測控系統(tǒng)中的儀器代理模塊或儀器設(shè)備；自動為儀器代理模塊分配IP地址；自動確定儀器設(shè)備的資源需求，下載設(shè)備接口驅(qū)動；自動加載網(wǎng)絡(luò)儀器對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序；自動完成控制臺、儀器代理模塊、儀器設(shè)備之間的通信；自動生成儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；儀器設(shè)備主動向控制臺報告其故障信息。

文中提出的LXI網(wǎng)絡(luò)儀器自動發(fā)現(xiàn)及配置方案能及時反映LXI網(wǎng)絡(luò)儀器測控系統(tǒng)中各儀器設(shè)備的動態(tài)變化，即當(dāng)一臺儀器設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，獲取儀器設(shè)備的狀態(tài)信息，對其進行統(tǒng)一的維護、管理。

1 LXI網(wǎng)絡(luò)儀器及儀器模塊的即插即用

LXI儀器總線技術(shù)實現(xiàn)了測試測量領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化，將傳統(tǒng)儀器發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)儀器。目前新生產(chǎn)的儀器都帶有LAN口，并在儀器內(nèi)部封裝了高速局域網(wǎng)儀器協(xié)議(HISLIP)服務(wù)器端作為儀器的網(wǎng)絡(luò)接入模塊，因此LXI網(wǎng)絡(luò)儀器可以直接接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在管理端對儀器設(shè)備進行遠程網(wǎng)絡(luò)化管理和數(shù)據(jù)傳輸。但許多傳統(tǒng)儀器并沒有將網(wǎng)絡(luò)接入模塊封裝在儀器內(nèi)，所以不能將其直接接入網(wǎng)絡(luò)。為了能對這些傳統(tǒng)儀器進行網(wǎng)絡(luò)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(fā)板，設(shè)計了LAN口，USB、GPIB、串口等接口電路，可直接與儀器連接，將傳統(tǒng)儀器網(wǎng)絡(luò)化，可支持對不具備LAN口的傳統(tǒng)儀器的網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)一的接口協(xié)議，使儀器接入局域網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)儀器與儀器模塊即插即用，可使儀器不需手動進行復(fù)雜的配置即可接入網(wǎng)絡(luò)，并可自動完成系統(tǒng)及儀器的相關(guān)配置，使儀器接入局域網(wǎng)的過程變得更加簡單、靈活。

LXI網(wǎng)絡(luò)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(fā)現(xiàn)插入局域網(wǎng)中的LXI網(wǎng)絡(luò)儀器及儀器代理模塊。自動發(fā)現(xiàn)包括儀器發(fā)現(xiàn)和儀器識別，其中儀器發(fā)現(xiàn)是獲取局域網(wǎng)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(shè)備接口驅(qū)動)，儀器模塊接入網(wǎng)絡(luò)后，自動加載其接口驅(qū)動程序，實現(xiàn)儀器模塊與管理端、控制臺進行通信。

(3)自動加載網(wǎng)絡(luò)儀器設(shè)備的驅(qū)動程序和虛擬儀器軟面板，實現(xiàn)在遠端控制臺操作儀器，獲取儀器狀態(tài)信息或測量數(shù)據(jù)，并對儀器進行設(shè)置。

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

(5)主動通知主控制臺設(shè)備狀態(tài)的變化信息。

2 儀器代理的發(fā)現(xiàn)與配置

LXI儀器代理將管理端和儀器設(shè)備連接起來，將沒有LAN口的傳統(tǒng)儀器模塊接入局域網(wǎng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)儀器進行控制、維護、管理，并實現(xiàn)儀器的遠程測量，安全、方便的數(shù)據(jù)傳輸。儀器代理發(fā)現(xiàn)的工作過程[4]如圖1所示。

圖1 儀器代理發(fā)現(xiàn)工作過程

儀器代理尋址：儀器代理首次接入局域網(wǎng)后，主動向后臺DHCP服務(wù)器發(fā)送IP地址請求消息，獲取IP地址。

儀器代理發(fā)現(xiàn)：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(wǎng)掩碼、代理型號等信息，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的通知事件，觸發(fā)控制臺將其加入到網(wǎng)絡(luò)拓撲中，并創(chuàng)建一個IP地址與MAC地址的資源映射表以便后續(xù)的控制及管理。

儀器代理通信：儀器代理被發(fā)現(xiàn)后，還需建立其與主控制臺及后臺服務(wù)器的通信，儀器代理與后臺服務(wù)器通過HISLIP高速以太網(wǎng)儀器協(xié)議通信。HISLIP是專門用于儀器通信和儀器遠程控制的協(xié)議，是LXI標(biāo)準(zhǔn)的擴展功能，它基于TCP/IP協(xié)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(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)將每一個被管理的儀器設(shè)備資源管理參數(shù)看成一個對象，MIB庫是這些對象的集合，該協(xié)議可對所有接入網(wǎng)絡(luò)的儀器代理進行管理。儀器代理被發(fā)現(xiàn)后，利用SNMP協(xié)議的GET/SET/TRAP命令對其進行遠程操作與管理[6]，其網(wǎng)絡(luò)管理模型如圖2所示。

儀器代理的發(fā)現(xiàn)首先要實現(xiàn)儀器代理IP地址的分配，這是LXI網(wǎng)絡(luò)儀器自動發(fā)現(xiàn)首先必須解決的問題。LXI網(wǎng)絡(luò)儀器自動發(fā)現(xiàn)采用DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議[7-10]，為接入系統(tǒng)中的儀器代理模塊分配IP地址。儀器代理在接入網(wǎng)絡(luò)時，作為一個DHCP客戶端[11-12]，向系統(tǒng)中的DHCP服務(wù)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(wǎng)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(tǒng)中，并創(chuàng)建一個IP地址與MAC地址的資源映射表，方便對其進行統(tǒng)一管理與維護。

圖2 網(wǎng)絡(luò)管理模型

使用DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議實現(xiàn)儀器代理自動發(fā)現(xiàn)有以下優(yōu)勢：

(1)即插即用：只要在局域網(wǎng)中搭建了DHCP服務(wù)器，就可以將需要聯(lián)網(wǎng)管理的儀器設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，不需要進行其他配置即可自動獲取IP地址;

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

(3)高效的IP地址使用：當(dāng)儀器設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)時，DHCP服務(wù)器會自動為儀器分配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，而當(dāng)儀器設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中被拔除時，該儀器設(shè)備使用的IP地址將會被釋放，以供之后接入網(wǎng)絡(luò)中的儀器設(shè)備使用。

儀器代理自動發(fā)現(xiàn)的實現(xiàn)步驟為：

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

(2)配置DHCP服務(wù)監(jiān)聽的網(wǎng)卡：將INTERFACES設(shè)置為eth0。

(3)修改DHCP服務(wù)器的配置文件dhcpd.conf,設(shè)置客戶端默認網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、域名，定義DHCP地址池的服務(wù)范圍、默認租約時間、最大租約時間、靜態(tài)IP地址等，并設(shè)置DHCP服務(wù)器的IP獲取方式為手動(Manual)。

(4)配置LXI儀器代理：設(shè)置OK6410開發(fā)板IP獲取方式為DHCP,修改系統(tǒng)的啟動文件，將BOOTTRAP設(shè)置為DHCP,具體配置見圖3。

(5)測試DHCP服務(wù)器是否能動態(tài)分配IP地址給LXI儀器代理(運行在OK6410開發(fā)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(wù)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(wù)器分配的IP數(shù)據(jù)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(jié)束時間等。每個IP地址信息用一個結(jié)構(gòu)體表示。該文件由若干個這樣的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(fù)的內(nèi)容刪除掉，經(jīng)過濾的IP地址和MAC地址映射關(guān)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(fā)現(xiàn)與配置

儀器代理模塊被發(fā)現(xiàn)后，還要對連接在代理上的儀器或測量模塊進行發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(tài)變化，判斷儀器模塊是插入系統(tǒng)，還是退出系統(tǒng)，對于USB接口是否接入儀器的發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)步驟如下：

(1)初始化儀器發(fā)現(xiàn)模塊。

(2)搜索儀器。通過輪詢掃描儀器代理開發(fā)板上的USB口，判斷其是否被占用。

(3)加載USBTMC驅(qū)動。儀器插上之后，若檢測到不能與儀器通信，則發(fā)送請求信息到控制臺，查看后臺資源庫是否與相應(yīng)的儀器接口驅(qū)動。若有，則下載并安裝該驅(qū)動到儀器代理開發(fā)板上；若無，則跳轉(zhuǎn)至儀器官網(wǎng)平臺遠程加載安裝該設(shè)備接口驅(qū)動，建立儀器與儀器代理的通信，實現(xiàn)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(fā)送SCPI查詢指令*IDN?查詢儀器設(shè)備制造商、儀器類型、序列號、設(shè)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(wǎng)絡(luò)后，事件觸發(fā)控制臺加載其虛擬儀器軟面板，實現(xiàn)遠程操作儀器設(shè)備，并獲取儀器狀態(tài)信息。

(6)自動加載網(wǎng)絡(luò)拓撲。將儀器模塊自動加載到控制臺界面儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲中，可以更直觀地對整個系統(tǒng)中的儀器設(shè)備進行統(tǒng)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(xiàn)對所連接的儀器設(shè)備清除操作，釋放儀器資源，節(jié)省資源空間。

系統(tǒng)會定時掃描儀器代理各個接口，一旦檢測到離線的儀器設(shè)備，便將其從主控制臺網(wǎng)絡(luò)拓撲中移除，并回收分配給它的資源。代理模塊定時發(fā)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(shè)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(fā)送SCPI儀器狀態(tài)控制指令，只需更新后臺數(shù)據(jù)庫中該儀器的測量數(shù)據(jù)信息，而不需更新其基本信息；若連續(xù)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(shù)據(jù)庫信息，將該儀器信息從后臺數(shù)據(jù)庫中刪除，控制臺會根據(jù)更新后的數(shù)據(jù)庫信息更新系統(tǒng)的配置資源，刪除離線模塊的驅(qū)動程序，釋放資源。

5 結(jié)束語

結(jié)合一般系統(tǒng)中的“即插即用”機制，提出了一種基于LXI網(wǎng)絡(luò)儀器的自動發(fā)現(xiàn)與配置方案，可實現(xiàn)LXI網(wǎng)絡(luò)儀器中代理模塊和測量模塊的自動發(fā)現(xiàn)、自動申報、自動加載和自動配置；通過在LXI網(wǎng)絡(luò)儀器平臺中的仿真結(jié)果表明，其運行效果良好，證明LXI網(wǎng)絡(luò)儀器自動發(fā)現(xiàn)與配置方案是可行的，對于提升LXI網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-09-27

陜西省重大科技創(chuàng)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(tǒng)開發(fā)與設(shè)計；李宥謀，教授，研究方向為集成電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計。

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