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簡述LXI總線技術(shù)的分析及精密時鐘同步的實現(xiàn)論文
一、引言
測試與測量技術(shù)進步的重點是測試總線技術(shù)的不斷提升，測試總線的技術(shù)從GPIB到VXI，又到后來的PXI測試測量儀器也從機箱式發(fā)展到板卡式。但是由于現(xiàn)代測試測量對數(shù)據(jù)傳輸能力和實時數(shù)據(jù)處理能力的要求不斷提高，使得這種發(fā)展依然不能滿足測試需要，于是具有高速高可靠傳輸性能的以太網(wǎng)技術(shù)被引入到測試測量領(lǐng)域中。測試儀器的概念從“軟件就是儀器”發(fā)展到“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的新階段，網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)為測試測量技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇。
2004年9月，Agilent公司和VXI公司聯(lián)合提出了一種基于技術(shù)、針對測試測量平的基于模塊化的平臺標準—LXI。LXI融合了工業(yè)標太網(wǎng)技術(shù)和VXI總線技術(shù)的優(yōu)點，對控制儀器的語言和命令以及儀器間通信的協(xié)議進行擴展，結(jié)合了板卡框架系統(tǒng)的模塊化思想和臺式儀器的內(nèi)置測量以及標準的輸入輸出端口的連通能力，組成了新一代基于模塊化儀器的標準以適用于自動測試測量系統(tǒng)。
GPIB的總高性能、PXI / VXI的插卡式儀器的緊湊靈活性和LAN高吐率的特點為LXI總線技術(shù)所同時具備，使其成為一種更緊湊、更快速、成本更低的測試系統(tǒng)的解決方案。LXI采用了以太網(wǎng)的精密時鐘PTP實現(xiàn)了各設(shè)備終端間的同步觸發(fā)。下面對LXI總線接口技術(shù)和相關(guān)的精密時鐘協(xié)議進行詳細的分析和討論。
二、LXI總線技術(shù)
1. LXI技術(shù)背景
測試總線，也稱儀器總線，它負責(zé)系統(tǒng)指令的控制和測試數(shù)據(jù)的傳輸，相當(dāng)于測試測量系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，因此起著至關(guān)重要的作用。隨著網(wǎng)絡(luò)通信與計算機技術(shù)的發(fā)展，測試總線發(fā)展了GPIB , VXI , PXI三個重要階段。近幾年來，測試測量領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的總線形式，如控制器局域網(wǎng)(CAN )、火線總線(Fire wire)、通用串行總線(USB)、現(xiàn)場總線(Field bus)等。
面對各種形式的測試總線，用戶需要根據(jù)所搭建測試平臺的性能要求來考慮選擇何種形式的總線技術(shù)。而測試的要求以及被測試的對象也較復(fù)雜，目前的總線技術(shù)無法很好地滿足用戶的性能指標要求，一些系統(tǒng)需求越來越明顯:
(1)采用通用接口和協(xié)議來簡化系統(tǒng)的組成，降低搭建的復(fù)雜性和成本;
(2)在保證性能和兼容性的前提下，使系統(tǒng)更加緊湊;
(3)具有多重觸發(fā)方式和高速的I/0，容易進行故障診斷;
(4)為GPIB, VXI, PXI等非標準或標準的測試提供兼容性接口。
為了解決性能指標要求，VXI和Agilent公司于2004年9月推出了新一代基于模塊化儀器線標準—LXI，此技術(shù)是結(jié)合了計算機和通信領(lǐng)域發(fā)展的最新的研究成果。
LXI是以太網(wǎng)技術(shù)在測試測量技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與進步。其技術(shù)具有了GPIB的高性能、V XI / PXI的體積小和LAN的高吞吐率的特點，并解決了觸發(fā)、定時、電磁兼容等性能要求，與以往測試系統(tǒng)相比，具有更快速、更穩(wěn)定持久、成本更低廉的特點。
2. LXI的總線規(guī)范
LXI聯(lián)盟于2005年9月正式發(fā)布了LXI總線標準的1.0版本。其內(nèi)容是:a.機械接口，b.網(wǎng)絡(luò)觸制，c. Web人機接口與網(wǎng)絡(luò)配置，d.軟件語法，e.硬件觸發(fā)，f.數(shù)據(jù)通信格式，9.基于以太網(wǎng)同步和觸發(fā)，h.電口，i.冷卻條件。其中最重要的兩個功能屬性為:標準的LAN接口，提供web接口與編程控制的能力，支持對作和主從操作;基于IEEE1588標準的觸發(fā)設(shè)備，使模塊具有準確動間，且能經(jīng)LAN發(fā)出觸發(fā)事件。LXI標準所能完成的層次要求與不同測圍由他們共同支撐。
LXI可分為三個功能級別:
C級:這類設(shè)備提供了LXI標準的標準化LAN和web瀏覽器接口。它既不需要支持物理觸發(fā)，也不需要支持IEEE1588時間協(xié)議。這個類型特別適合將傳統(tǒng)產(chǎn)品改造以適應(yīng)本標準的應(yīng)用，而且它還適合不需要提供觸發(fā)和定時機制的應(yīng)用。
B級:包含等級C的全部功能，并支持IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議。IEEE1588接口允許設(shè)備等同于通過GPIB可用的觸發(fā)功能，但是具有相當(dāng)或更佳的定時精度。
A級:包含等級B的全部能力，并支持總線硬件觸發(fā)機制。硬件觸發(fā)提供了一個標準化能力以支持設(shè)備間的觸發(fā)事件，其定時精度僅受限于儀器設(shè)計及電纜的物理限制。
等級C對觸發(fā)和時間控制要求不高，但必須保證合格的網(wǎng)絡(luò)通信;等級B需要總線上連續(xù)地精確觸發(fā)實現(xiàn)同步;等級A保證被測數(shù)據(jù)點之間額緊密相位關(guān)系，即提供確定的硬件觸發(fā)機制。
3. LXI的優(yōu)點
與PXI, VXI, GPIB等原來的測控總線相比，LXI具有很多優(yōu)點。
(1) LXI提供了基于Web的人機交互以及程控接口，基于以太網(wǎng)標準。
LXI儀器一般沒有傳統(tǒng)儀器的控制面板，通過使用本地主機登陸儀器的IP地址，打開瀏覽器就可以查看并可以修改儀器的配置信息，進行測量和記錄測量結(jié)果。并且，LXI也提供以太網(wǎng)無線接口和特有的對等操作。實際上，LXI是一個互聯(lián)標準，只是這種標準是以開放式的以太網(wǎng)為系統(tǒng)背板。在這個標準之下，用戶可以根據(jù)需求去擴充測量測試儀器，同時不受儀器的放置地點以及數(shù)量的限制，并且可以減小測試系統(tǒng)的搭建時間，提升了利用率。
(2) LXI通過標準化和自集成設(shè)計，使系統(tǒng)的搭建靈活方便。
處理器、LAN接口、電源和觸發(fā)輸入等，集成在所有的LXI模塊上，節(jié)約了昂貴的機箱背和電纜。LXI具備模塊化的特點，其模塊寬度為半個或全架的寬，而高度只有一個或者兩個標準機架高，方便功能的升級和擴展，降低了系統(tǒng)集成的成本。
(3)支持設(shè)備的互換性、互操作性、軟件的可移植性，其具備靈活的儀器驅(qū)動程序與編程接口。
IVI-CUM驅(qū)動程序與其他處理器或主機聯(lián)系被推薦使用于LXI，并采用了IVI規(guī)范。這些驅(qū)動程序簡化了測試系統(tǒng)的調(diào)試過程，兼容各種開放式儀器驅(qū)動程序標準，易于對故障診斷，并達到了校準計量，而且可以簡單完成儀器間的互換，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)從產(chǎn)品的開發(fā)到產(chǎn)品的加工生產(chǎn)的完美結(jié)合。
三、LXI同步觸發(fā)與定時技術(shù)
V XI / PXI總線的同步觸發(fā)和定時等功能的實現(xiàn)依賴于昂貴的背板觸發(fā)總線，通過硬件方式實現(xiàn)同步。由于LAN網(wǎng)線沒有同步信號線，因此LXI的突出問題是解決網(wǎng)絡(luò)中儀器設(shè)備之間的觸發(fā)同步和定時。LXI提供了三種不同精度的觸發(fā)機制:基于LXI觸發(fā)總線的硬件觸發(fā)、基于精確定時協(xié)議( PTP)觸發(fā)和基于網(wǎng)絡(luò)定時協(xié)議(NTP)觸發(fā)。
1.基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的觸發(fā)方式
網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，是把計算機的時間同步到某些時間標準，是一種聯(lián)網(wǎng)的時間同步標準協(xié)議。世界協(xié)調(diào)時是目前采用的標準。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的結(jié)構(gòu)采用Client/Server式，并且以GPS傳送的時間消息為參考標準，其設(shè)計充分慮了互聯(lián)網(wǎng)上時間的復(fù)雜性。
2.基于IEEE1588的觸發(fā)方式
LXI接口標準的關(guān)鍵特征之一是基于IEEE1588密時間同步協(xié)議的觸發(fā)，通過LAN使得多個器模塊達到時間同步，并使儀器模塊能夠?qū)τ|事件做出響應(yīng)，儀器模塊在規(guī)定的時間內(nèi)完一定的功能操作任務(wù)，從而保證系統(tǒng)中多個LXI模工作的連貫性。
基于IEEE1588精時間同步協(xié)議的觸發(fā)方式類似于傳統(tǒng)器設(shè)備的時鐘觸發(fā)，即可以預(yù)先設(shè)定計時鐘，當(dāng)計時結(jié)束時，儀器執(zhí)行預(yù)定的操作。此在測試系統(tǒng)中，需要儀器在無主機制的情況下，能夠自動執(zhí)行一系預(yù)定的操作。也就是說，基于IEEE1588精確間同步協(xié)議的觸發(fā)方式是通過器自身來實現(xiàn)的，因此與傳統(tǒng)定時觸方式一樣具有本地性的點。但是，與傳統(tǒng)儀器不同的是，該觸方式是按照IEEE1588協(xié)議提供的鐘基準來定時觸發(fā)的。在測試系統(tǒng)中實現(xiàn)儀器的基觸發(fā)時，必須有一臺儀器的時鐘作為系統(tǒng)的主鐘來為其它儀器提供時鐘基準。
3.基于觸發(fā)總線的硬件觸發(fā)方式
基于高速有的低壓差分信號觸發(fā)總線是LXI應(yīng)用的硬件觸發(fā)系統(tǒng)。連接方式與VXI和PXI的背板十分相似，其總線可以將各個模塊與硬件接口連接在一起，是一種適用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒訕藴�，具有集成度高、功耗低、抗干擾能力強、成本低廉的特點。此接口標準沒有對協(xié)議、互聯(lián)或連接器等方面的標準進行任何具體規(guī)定，只規(guī)定了驅(qū)動程序及接收器的特性，為了保障LVDS能成為一個多用途接口標準，其應(yīng)用方案的技術(shù)規(guī)格留有自定選擇功能。
四、IEEE1588分析及同步實現(xiàn)
1. IEEE1588的體系結(jié)構(gòu)
該體系結(jié)構(gòu)的最大特點在于件部分與協(xié)議的分離，因此運行時對件的要求比較低。PTP體系結(jié)構(gòu)是一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，硬件部分是由一個時間印章單元和一個高精度實時鐘組成。而軟件部分則是根據(jù)時間印章單元和實時時鐘間的聯(lián)系從而進行時鐘同步。該體系構(gòu)的是一種完全脫離操作系統(tǒng)的件組成模型。根據(jù)抽象程度的不同，PTP可以分為3層構(gòu):協(xié)議層、US抽象層和US層。
2.實現(xiàn)IEEE1588時間同步
延遲測量階段與偏移測量階段是實現(xiàn)IEEE1588時間同步的兩個階段。偏移測量的功能是修正從屬時鐘和主時鐘的時差。在偏移測量的修正過程中，主時鐘周期性的發(fā)出一個確定的同步信息(每兩秒鐘一次)，此同步信息中包含著一個時間印章，其精確地表述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的計算時間。延遲測量的作用是用來測量網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生的延遲時間。IEEE1588定義了一個延遲請求信息包(Delay Request Packet )，簡稱Delay Red，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間。
因為網(wǎng)絡(luò)延遲的時間是對稱相等的，所以:經(jīng)過同步信息的交換后，從屬時鐘與主時鐘便實現(xiàn)了精確的同步。
相比傳統(tǒng)的總線標準，LXI是基于開放的以太網(wǎng)技術(shù)的新一代儀器平臺，LXI模塊不受計算機的背板總線、軟帶寬的限制，具有繼承性能好、覆蓋范圍更廣、生命周期教長、成本低的一些特點。LXI具有廣闊的應(yīng)用范圍及發(fā)展前景。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，LXI定會逐漸發(fā)展成自動測試系統(tǒng)的理想解決方案。
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