LXI測(cè)試系統(tǒng)中IEEE1588 的應(yīng)用

本文將概要說(shuō)明與IEEE 1588 相關(guān)的LXI 規(guī)范，以及如何在基于LXI 測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中用IEEE 1588 建立時(shí)基。

引言:

測(cè)試和測(cè)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(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)的集成和降低與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及維護(hù)相關(guān)的成本。通過(guò)高速Ethernet和IEEE 1588 這些成熟技術(shù)，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(shù)，LXI 提供許多超過(guò)當(dāng)前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和卡箱式解決方案的優(yōu)點(diǎn)，以簡(jiǎn)化集成和支持任務(wù)，降低成本，并提供新的使用模型和能力。

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

LXI 綜述

LXI 聯(lián)盟綜合了近年來(lái)的多方發(fā)展成果。首先，研究報(bào)告表明我們測(cè)試和測(cè)量行業(yè)已經(jīng)為基于LAN 儀器準(zhǔn)備就緒。Ethernet 基礎(chǔ)設(shè)施是普遍存在的，其設(shè)備價(jià)格按測(cè)試和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看是很低的，測(cè)試工程師也越來(lái)越醉心這項(xiàng)技術(shù)。其次，高速LAN的廣泛適應(yīng)性，它開放的IO接口符合測(cè)試和測(cè)量的需要。再次， IEEE 1588 把確定性的定時(shí)帶入網(wǎng)絡(luò)。最后，尋求更低測(cè)試系統(tǒng)支持成本的宇航/國(guó)防工業(yè)推動(dòng)了合成儀器的發(fā)展。

在 LXI 聯(lián)盟之前，測(cè)試和測(cè)量行業(yè)依靠特殊的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)IO，如GPIB 和MXI，或是卡箱式背板實(shí)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(jì)算機(jī)行業(yè)的簡(jiǎn)單使用方法，而且還需要昂貴的接口卡，電纜和主機(jī)。LXI 聯(lián)盟知道每天在Ethernet 上工作的工程師數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)整個(gè)TM行業(yè)，我們完全可以利用他們的工作成果，得到復(fù)雜的對(duì)等和網(wǎng)絡(luò)管理能力，就像在計(jì)算機(jī)和外設(shè)上那樣。Ethernet是到處都有而且價(jià)格低廉; 由于今天售出的計(jì)算機(jī)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(wú)線 — 它也是對(duì)稱的，因此您不必像USB 那樣擔(dān)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(shí)現(xiàn)因反應(yīng)時(shí)間、速度和非確定性定時(shí)的不確定性而遇到支持方面的問(wèn)題。通過(guò)IEEE 1588 和Gigabit Ethernet 這些關(guān)鍵促成技術(shù)，LXI把Ethernet提升到測(cè)試系統(tǒng)的核心地位。100 base T 和Gigabit Ethernet 的廣泛適應(yīng)性突破了多數(shù)實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的速度瓶頸，而IEEE 1588給與Ethernet確定性的定時(shí)，從而能夠滿足測(cè)試和測(cè)量行業(yè)苛刻的定時(shí)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(cè)試和測(cè)量公司開始使用LAN，并把它看作是主要的互連。但我們認(rèn)為如果每家儀器公司都獨(dú)立建立各自的Ethernet 連接標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)自不同廠商儀器能將很難實(shí)現(xiàn)相互之間的兼容。最好的情況是有一個(gè)各公司都支持的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)此，需要有一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟來(lái)致力于標(biāo)準(zhǔn)的建立，也保證兼容性。安捷倫公司在2004 年提議，并成為L(zhǎng)XI 聯(lián)盟的聯(lián)合創(chuàng)建者。聯(lián)盟最優(yōu)先的任務(wù)是通過(guò)推薦統(tǒng)一的基于Ethernet的儀器標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)保證相互之間的兼容性。LXI聯(lián)盟宗旨在于顯著簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成者的工作、降低成本、提高產(chǎn)能，同時(shí)利用成熟的商業(yè)技術(shù)，而不是建立某些獨(dú)特技術(shù)。LXI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是推薦如何實(shí)現(xiàn)已存在的開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

LXI 聯(lián)盟的主要目標(biāo)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(guò)5 次全會(huì)，3 次專門會(huì)議和無(wú)數(shù)次的工作組會(huì)議。今天我們已有40 多位會(huì)員，代表所有主要TM供應(yīng)商，此外還有許多用戶和系統(tǒng)集成商。我們的每一次全會(huì)上都有獨(dú)立的系統(tǒng)集成商或潛在用戶的會(huì)議，他們討論測(cè)試環(huán)境，以及對(duì)LXI 優(yōu)缺點(diǎn)的評(píng)價(jià)。在宣布我們意向的12 個(gè)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(shè)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(méi)有基于時(shí)間的觸發(fā)能力，A類和B 類設(shè)備融入IEEE 1588，它允許測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的不同設(shè)備自主地執(zhí)行復(fù)雜的事件序列，而無(wú)需系統(tǒng)控制器的干預(yù)。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(gè)主要特點(diǎn)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(guò)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(dòng)程序編程一臺(tái)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(hào)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(shè)備應(yīng)能使用任何可行手段觸發(fā)任何可得動(dòng)作，雖然并非所有情況時(shí)都能實(shí)現(xiàn)。如果一項(xiàng)測(cè)量可由傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)線觸發(fā)，那么它也應(yīng)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(cè)試開發(fā)者可把裝置配置為接收相應(yīng)觸發(fā)源，并接到所要采取的動(dòng)作。

IEEE 1588基于時(shí)間觸發(fā)API 允許程序員在任何規(guī)定時(shí)間執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作，把“報(bào)警時(shí)鐘”設(shè)置為“行動(dòng)”，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(fù)雜的測(cè)試序列。例如把一個(gè)數(shù)字化儀編程為在規(guī)定時(shí)間開始測(cè)量，1秒后結(jié)束，等待100 msec，再開始另一次測(cè)量。把同一測(cè)試系統(tǒng)中的接收設(shè)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(guò)IEEE 1588 基時(shí)鐘同步，就能執(zhí)行這樣的操作，得到近乎完美的定時(shí)，而不需要儀器與LAN之外的其它控制器連接。

對(duì)于基于時(shí)間的觸發(fā)，必須了解如果系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘嚴(yán)格同步，就不存在反應(yīng)時(shí)間。但真實(shí)世界中的時(shí)鐘同步并非完美; 時(shí)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(dòng)。在IEEE 1588 時(shí)鐘同步算法調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，某些引入的不確定度會(huì)掩蓋掉任何基于時(shí)間觸發(fā)的精度。工程師必須懂得反應(yīng)時(shí)間和抖動(dòng)的不同，使用最適合其應(yīng)用的觸發(fā)類型。

有些應(yīng)用對(duì)觸發(fā)抖動(dòng)不敏感，或觸發(fā)抖動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題比反應(yīng)時(shí)間輕。例如考慮雷達(dá)測(cè)試范圍的情況，此時(shí)儀器間的距離可能相當(dāng)大。IEEE 1588 時(shí)鐘同步算法將把系統(tǒng)時(shí)鐘排齊，而無(wú)論這些儀器相距多遠(yuǎn)。硬件觸發(fā)反應(yīng)時(shí)間始終約為1 nsec/英尺。如果儀器相距甚遠(yuǎn)，那么基于時(shí)間觸發(fā)的抖動(dòng)將小于硬件信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間。這對(duì)于某些應(yīng)用可能變成一種關(guān)鍵的促成技術(shù)。