LXI 測試系統(tǒng)中IEEE 1588 的應用

摘要:

LXI 聯(lián)盟是主要測試和測量廠商的一個組織，負責開拓基于LAN通信和融合IEEE 1588的模塊化、分布式的儀器體系結(jié)構。

本文將概要說明與IEEE 1588 相關的LXI 規(guī)范，以及如何在基于LXI 測試和測量系統(tǒng)中用IEEE 1588 建立時基。

引言:

測試和測量行業(yè)于2004 年形成了LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)聯(lián)盟，聯(lián)盟致力于簡化測試系統(tǒng)的集成和降低與測試系統(tǒng)設計及維護相關的成本。通過高速Ethernet和IEEE 1588 這些成熟技術，行業(yè)規(guī)定了保證廠商間兼容性的規(guī)則和建議。利用Ethernet 行業(yè)的成熟技術，LXI 提供許多超過當前點對點和卡箱式解決方案的優(yōu)點，以簡化集成和支持任務，降低成本，并提供新的使用模型和能力。

LXI聯(lián)盟得到測試和測量行業(yè)所有領先公司的大力支持。所提出的規(guī)范通過利用自動發(fā)現(xiàn)和尋址，網(wǎng)絡和資產(chǎn)管理和對等通信這些技術簡化系統(tǒng)集成，它的統(tǒng)一觸發(fā)模型和IEEE 1588應用使集成者能在許多應用中用軟件觸發(fā)代替電纜，從而簡化系統(tǒng)組裝，解決困難的同步任務，它也為系統(tǒng)建造者提供以前沒有的選擇方案。LXI 還為合成儀器提供理想平臺，當測試需要變化時能實現(xiàn)較小占用面積和易于重新配置，以及硬件 — 軟件獨立。由于接納了普遍存在的Ethernet 技術LXI 也因不需要專門的電纜、插卡、主機而降低了成本。

LXI 綜述

LXI 聯(lián)盟綜合了近年來的多方發(fā)展成果。首先，研究報告表明我們測試和測量行業(yè)已經(jīng)為基于LAN 儀器準備就緒。Ethernet 基礎設施是普遍存在的，其設備價格按測試和測量標準來看是很低的，測試工程師也越來越醉心這項技術。其次，高速LAN的廣泛適應性，它開放的IO接口符合測試和測量的需要。再次， IEEE 1588 把確定性的定時帶入網(wǎng)絡。最后，尋求更低測試系統(tǒng)支持成本的宇航/國防工業(yè)推動了合成儀器的發(fā)展。

在 LXI 聯(lián)盟之前，測試和測量行業(yè)依靠特殊的點對點IO，如GPIB 和MXI，或是卡箱式背板實現(xiàn)，如VXI 和PXI。由于它們均由TM行業(yè)開發(fā)，因此不能得到計算機行業(yè)的簡單使用方法，而且還需要昂貴的接口卡，電纜和主機。LXI 聯(lián)盟知道每天在Ethernet 上工作的工程師數(shù)量遠遠超過整個TM行業(yè)，我們完全可以利用他們的工作成果，得到復雜的對等和網(wǎng)絡管理能力，就像在計算機和外設上那樣。Ethernet是到處都有而且價格低廉; 由于今天售出的計算機上都配有LAN 適配器，用戶不需要專門的接口卡。Ethernet 支持多種傳輸媒介 — 銅纜、光纖、無線 — 它也是對稱的，因此您不必像USB 那樣擔心是主裝置還是從裝置。

早期的Ethernet 使能儀器已很好地被客戶接受，但大多數(shù)前期實現(xiàn)因反應時間、速度和非確定性定時的不確定性而遇到支持方面的問題。通過IEEE 1588 和Gigabit Ethernet 這些關鍵促成技術，LXI把Ethernet提升到測試系統(tǒng)的核心地位。100 base T 和Gigabit Ethernet 的廣泛適應性突破了多數(shù)實際測試系統(tǒng)的速度瓶頸，而IEEE 1588給與Ethernet確定性的定時，從而能夠滿足測試和測量行業(yè)苛刻的定時要求。

LXI 聯(lián)盟

隨著LAN 的發(fā)展而成為GPIB 和MXI 的可行替代方案，一些測試和測量公司開始使用LAN，并把它看作是主要的互連。但我們認為如果每家儀器公司都獨立建立各自的Ethernet 連接標準，來自不同廠商儀器能將很難實現(xiàn)相互之間的兼容。最好的情況是有一個各公司都支持的標準。應此，需要有一個行業(yè)聯(lián)盟來致力于標準的建立，也保證兼容性。安捷倫公司在2004 年提議，并成為LXI 聯(lián)盟的聯(lián)合創(chuàng)建者。聯(lián)盟最優(yōu)先的任務是通過推薦統(tǒng)一的基于Ethernet的儀器標準，實現(xiàn)保證相互之間的兼容性。LXI聯(lián)盟宗旨在于顯著簡化系統(tǒng)集成者的工作、降低成本、提高產(chǎn)能，同時利用成熟的商業(yè)技術，而不是建立某些獨特技術。LXI標準實際上是推薦如何實現(xiàn)已存在的開放工業(yè)標準。

LXI 聯(lián)盟的主要目標是建立和采用基于LAN 的儀器規(guī)范，以保證跨廠商的相互兼容。LXI 聯(lián)盟已舉行過5 次全會，3 次專門會議和無數(shù)次的工作組會議。今天我們已有40 多位會員，代表所有主要TM供應商，此外還有許多用戶和系統(tǒng)集成商。我們的每一次全會上都有獨立的系統(tǒng)集成商或潛在用戶的會議，他們討論測試環(huán)境，以及對LXI 優(yōu)缺點的評價。在宣布我們意向的12 個月后，就于9 月26 日頒布了最初的LXI 規(guī)范1.0 版。

LXI 觸發(fā)

LXI設備被定義為3種類型，按觸發(fā)能力的不同分為A類、B類和C類。C類是基本類，它沒有基于時間的觸發(fā)能力，A類和B 類設備融入IEEE 1588，它允許測試系統(tǒng)內(nèi)的不同設備自主地執(zhí)行復雜的事件序列，而無需系統(tǒng)控制器的干預。B類在C 類上增加IEEE 1588，A 類除增加IEEE 1588 外，還加上8 路的LVDS 高速觸發(fā)總線。

LXI 規(guī)范的一個主要特點是統(tǒng)一的觸發(fā)模型，以及以同樣方式處理所有觸發(fā)源的API。通過定義LAN觸發(fā)和硬件觸發(fā)同一的程序調(diào)用，程序師就能用一套API 調(diào)用，并容易地在觸發(fā)類型間切換。例如如果用被命名為“Arb”的驅(qū)動程序編程一臺任意波形發(fā)生器，而程序員要把LXI 觸發(fā)總線2 作為觸發(fā)信號源，這一行代碼就可寫為: Arb.Trigger.Source =LXI2，而如果他希望切換到使用相同ID 的LAN觸發(fā)，只需把命令變?yōu)? Arb.Trigger.Source = LAN2。LXI規(guī)范推薦LXI設備應能使用任何可行手段觸發(fā)任何可得動作，雖然并非所有情況時都能實現(xiàn)。如果一項測量可由傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)線觸發(fā)，那么它也應可由LXI 觸發(fā)總線，或裝置支持的任何其它觸發(fā)輸入觸發(fā)。測試開發(fā)者可把裝置配置為接收相應觸發(fā)源，并接到所要采取的動作。

IEEE 1588基于時間觸發(fā)API 允許程序員在任何規(guī)定時間執(zhí)行規(guī)定的動作，把“報警時鐘”設置為“行動”，從而能讓程序員和系統(tǒng)集成者以幾乎完美的方式執(zhí)行復雜的測試序列。例如把一個數(shù)字化儀編程為在規(guī)定時間開始測量，1秒后結(jié)束，等待100 msec，再開始另一次測量。把同一測試系統(tǒng)中的接收設備編程為在數(shù)字化儀100 msec 工作暫停期間改變它的頻率。通過IEEE 1588 基時鐘同步，就能執(zhí)行這樣的操作，得到近乎完美的定時，而不需要儀器與LAN之外的其它控制器連接。

對于基于時間的觸發(fā)，必須了解如果系統(tǒng)內(nèi)所有時鐘嚴格同步，就不存在反應時間。但真實世界中的時鐘同步并非完美; 時鐘精度僅為50-100 nsec，從而引入新類型的觸發(fā)不確定度 — 抖動。在IEEE 1588 時鐘同步算法調(diào)整系統(tǒng)時鐘時，某些引入的不確定度會掩蓋掉任何基于時間觸發(fā)的精度。工程師必須懂得反應時間和抖動的不同，使用最適合其應用的觸發(fā)類型。

有些應用對觸發(fā)抖動不敏感，或觸發(fā)抖動帶來的問題比反應時間輕。例如考慮雷達測試范圍的情況，此時儀器間的距離可能相當大。IEEE 1588 時鐘同步算法將把系統(tǒng)時鐘排齊，而無論這些儀器相距多遠。硬件觸發(fā)反應時間始終約為1 nsec/英尺。如果儀器相距甚遠，那么基于時間觸發(fā)的抖動將小于硬件信號的反應時間。這對于某些應用可能變成一種關鍵的促成技術。

源于IEEE 的基于時間的觸發(fā)并非適應所有測試應用的靈丹妙藥，它只是提供另一種觸發(fā)機制?；跁r間的觸發(fā)要求事先排出儀器動作的時間表，但這并非永遠可行。例如基于時間的觸發(fā)不能用于響應異步事件，對于UUT引入的觸發(fā)事件也是很差的選擇。

通過在導線上發(fā)送電信號，LXI 支持基于LAN 的觸發(fā)，這很像是傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)。當接收裝置收到信號時，就執(zhí)行一個預先確定的行動。在許多應用中，基于LAN的觸發(fā)可去掉雜亂的觸發(fā)電纜，從而簡化系統(tǒng)集成和實現(xiàn)流程式的裝置升級?；贚AN觸發(fā)強于傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)，因為它能攜帶硬件觸發(fā)不具備的時戳信息。LXI 儀器提供基于同步系統(tǒng)時鐘的時戳，給予系統(tǒng)集成者事件何時發(fā)生或協(xié)調(diào)多個事件發(fā)生的時間記錄。在實際應用中，它提出了一些重要的觸發(fā)模型，如環(huán)形數(shù)據(jù)捕獲緩沖器。此時可把一個LXI 裝置編程為捕獲環(huán)形緩沖器中的數(shù)據(jù)，就像邏輯分析儀所做的那樣。當LAN觸發(fā)到達時，數(shù)字化儀用包含在觸發(fā)中的時戳“回看”發(fā)生在觸發(fā)信號接收前的捕獲事件時間。這項觸發(fā)技術在過去大多數(shù)儀器中是不可能具備的。

IEEE 1588: 關鍵的促成技術

與測試系統(tǒng)集成商的討論證實， IEEE 1588 通過提供原來沒有的同步和時戳機制，能夠簡化集成工程師的任務。從歷史上看，集成工程是通過為系統(tǒng)硬件編寫專門的代碼，以編程方式補償延遲，但在更換硬件或電纜長度改變時，原來的代碼就失去作用，而需要投入昂貴的查錯和返工費用。隨著集成者越來越熟悉 IEEE 1588，我們相信市場需求會促使它成為測試和測量行業(yè)的一項主導產(chǎn)品。對于許多應用來說，系統(tǒng)開發(fā)者不再需要校準和修正觸發(fā)電纜延遲，并相信定時特性不會干擾脆弱的測試程序。

IEEE 1588 把時間概念帶入網(wǎng)絡，提供協(xié)調(diào)跨分布節(jié)點動作的機制。雖然IEEE 1588 定義了如何同步網(wǎng)絡上的時鐘，卻沒有說明如何施加這一同步。LXI通過定義如何在測試環(huán)境中進行而擴展了IEEE 1588 的基礎。LXI 聯(lián)盟定義了基于LAN和基于時間的觸發(fā)特性，對如何施加基于時間的觸發(fā)作了詳細的API 描述。一個統(tǒng)一的LXI 觸發(fā)模型允許測試程序員容易地在硬件、軟件和時間感應觸發(fā)間轉(zhuǎn)換，通過減少硬件和電纜簡化集成者的任務。

LXI 對等通信

IEEE 1588 和LXI 規(guī)范幫助啟用對等的或模塊 — 模塊的通信。在LXI 出現(xiàn)前，大多數(shù)測試和測量系統(tǒng)體系結(jié)構依賴使用中央控制器的主從配置。除承載較快觸發(fā)沿的基本觸發(fā)線外，它們沒有儀器至儀器的通信。每臺儀器直接與控制器通信，然后把命令發(fā)送到其它儀器。這種在行業(yè)內(nèi)存在多年的方式不能利用分布式計算機體系結(jié)構的多種優(yōu)點。高通道數(shù)系統(tǒng)或基于控制器的測量應用讓中央控制器承受很重的負擔，這就造成了處理瓶頸，而難以很好利用高帶寬IO，也達不到預期的性能級。有了LXI，儀器能實現(xiàn)獨立于控制器的相互通信。這就能簡化許多應用，如激勵 — 響應測量。LXI允許系統(tǒng)設計者下載可執(zhí)行代碼，它由來自系統(tǒng)中的一臺或多臺其它儀器觸發(fā)，讓控制器處理數(shù)據(jù)，而不是執(zhí)行控制任務。較少的系統(tǒng)管理得到系統(tǒng)響應更敏捷的結(jié)果。

也許LXI IEEE 1588 啟用的對等通信帶來的最大好處是能把測試軟件與系統(tǒng)硬件脫鉤。每一LXI 裝置都知道自己的響應時間，這意味著它能事先把自己設置為執(zhí)行命令或腳本，然后等待觸發(fā)。裝置可以多點傳送命令，而不必了解誰在聽取命令，裝置也可聽取命令，而不必了解是誰發(fā)送的命令，并過濾掉除所需命令外的其它內(nèi)容?？刂破骱蜏y試軟件不需要知道裝置的執(zhí)行時間，也不必在任何事件前建造設置或延遲。我們現(xiàn)在擁有的系統(tǒng)允許裝置的行為彼此獨立或獨立于控制器，這樣，系統(tǒng)設計者和支持者在改變設備時就可不必改變?nèi)魏螠y試代碼。其結(jié)果是測試程序與底層硬件脫鉤，實現(xiàn)了測試程序的透明性。

把LAN 和IEEE 1588 用于測試和測量應用

系統(tǒng)集成者發(fā)現(xiàn)IEEE 1558帶來許多優(yōu)點。有些是明顯和容易想到的，例如在長距離上的同步能力。天線測試范圍就屬這種情況。但有些卻不甚明顯，如可在某些應用中去掉觸發(fā)電纜，或是不需要校準和修正多條觸發(fā)電纜的延遲。由于改變硬件不影響測試程序，因此這兩種情況都能簡化程序員的任務，使軟件維護更為容易。在典型測試系統(tǒng)中，軟件開發(fā)和維護的成本會低于硬件購置費。

IEEE 1588和LAN觸發(fā)能代替部分，但非全部觸發(fā)電纜。代替電纜的能力取決于測試系統(tǒng)的速度要求，而往往由被測裝置決定。某些測試系統(tǒng)，例如測量溫度、壓力或機械激勵的數(shù)據(jù)采集應用要求毫秒級或微秒級的分辨率，這正在今天IEEE 1588 的能力范圍內(nèi)。而有嚴格時間要求的應用，例如高速雷達和一些無線應用這類射頻應用，以及示波器和邏輯分析儀的觸發(fā)，都要求達到納秒甚至亞納秒的分辨率，這已超出今天IEEE 1588 的能力。基于IEEE 的觸發(fā)也不能很好適用于具有快速異步或設備感應觸發(fā)的應用。但這些應用也正是改進IEEE 1588 速度和分辨率的原動力。

用IEEE 1588提供時戳，儀器提供商和系統(tǒng)集成商就能使用環(huán)形緩沖技術“回放時間”和調(diào)查觸發(fā)前的事件。這項技術已在邏輯分析儀和示波器中運用多年，IEEE 1588 使它能用于許多其它儀器和系統(tǒng)。自動的數(shù)據(jù)時戳意味著控制器和應用軟件不再需要跟蹤獲取數(shù)據(jù)的時間，簡化開發(fā)大型測試系統(tǒng)中這一繁瑣和易錯的環(huán)節(jié)。許多航空航天系統(tǒng)有成百上千條控制和數(shù)據(jù)線，可通過分布式的檢測測試系統(tǒng)信號沿的暫停，從而去掉許多這樣的信號線。這就簡化了線纜和儀器至UUT的接口，縮短重配置時間，克服測試程序集，即通常稱為TPS的脆弱性。想象一臺有數(shù)千個傳感器的儀器，用它來監(jiān)視噴氣引擎的復雜激勵 — 響應通道?；蚩紤]在飛機機身上貼有數(shù)千應變片的模態(tài)分析系統(tǒng)，在這些應用中，嚴格的定時關系是保持相鄰點間相位關系的關鍵。使用時戳和并行執(zhí)行，數(shù)據(jù)翻譯和故障定位變得較為簡單，測試能更快速地執(zhí)行，許多困難的通道同步任務也變得易行。

測試和測量歷來用普遍存在的高精度10 MHz 基準時鐘協(xié)調(diào)儀器，特別是用于要求嚴格定時同步的激勵 — 響應測量，IEEE 1588 目前還達不到這類應用所需要的穩(wěn)定性，它提供的是對未來的承諾。與其類似，在電信應用中，我們開始看到IEEE 1588 同步出現(xiàn)在基礎設施設備中，用它來代替或傳播GPS定時。我們預期未來的測試儀器將會用這一定時基準進行復雜的解調(diào)或延遲傳播的測量及監(jiān)視，它也可優(yōu)化蜂窩基礎設施中所用寬帶線性放大器的數(shù)字預失真算法。

LXI網(wǎng)絡接口和Ethernet連通能力促成高度分布的應用。最吸引人的能力之一是對所需要地方的遠程專業(yè)知識提供和支持。例如一位在芬蘭Salo 的工程師不離開家，就能與在中國的同事合作，在同一儀器屏幕上查找問題，或是監(jiān)視一個流程。這對于公司在不同地點溝通專業(yè)知識有深遠的意義。

如前所述，LXI 的對等通信模型把測試程序與底層硬件資產(chǎn)相隔離，在系統(tǒng)增加新儀器時，它把測試設計師和系統(tǒng)支持人員從繁瑣和昂貴的軟件調(diào)整中解放出來。這對于系統(tǒng)生命期一般達到數(shù)十年，其間必須更換硬件資產(chǎn)的宇航_ 國防這類工業(yè)部門帶來極為巨大的利益。

結(jié)論

2004年由測試和測量行業(yè)建立的LXI 聯(lián)盟的目標是簡化測試集成和降低測試系統(tǒng)的成本，聯(lián)盟制定的規(guī)則和建議推動一致性的、相互兼容的Ethernet 實現(xiàn)。通過利用Ethernet行業(yè)開發(fā)和用于它自身的技術，LXI為測試設計師提供前所未有的能力。

IEEE 1588 是LXI 的核心促成技術，它提供一個低價的網(wǎng)絡中心時基。通過規(guī)定如何將它用于測試和測量環(huán)境，在IEEE 1588規(guī)范上建立起LXI。它為測試系統(tǒng)設計提供了重要價值，雖然今天IEEE 1588 的速度和分辨率尚不能滿足最苛刻的測試應用，但它仍能滿足許多應用，并為未來提供令人振奮的可能性。