簡(jiǎn)述LXI總線(xiàn)技術(shù)的分析及精密時(shí)鐘同步的實(shí)現論文

　　一、引言

　　測試與測量技術(shù)進(jìn)步的重點(diǎn)是測試總線(xiàn)技術(shù)的不斷提升，測試總線(xiàn)的技術(shù)從GPIB到VXI，又到后來(lái)的PXI測試測量?jì)x器也從機箱式發(fā)展到板卡式。但是由于現代測試測量對數據傳輸能力和實(shí)時(shí)數據處理能力的要求不斷提高，使得這種發(fā)展依然不能滿(mǎn)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(lái)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(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對控制儀器的語(yǔ)言和命令以及儀器間通信的協(xié)議進(jìn)行擴展，結合了板卡框架系統的模塊化思想和臺式儀器的內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(dòng)測試測量系統。

　　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(diǎn)為L(cháng)XI總線(xiàn)技術(shù)所同時(shí)具備，使其成為一種更緊湊、更快速、成本更低的測試系統的解決方案。LXI采用了以太網(wǎng)的精密時(shí)鐘PTP實(shí)現了各設備終端間的同步觸發(fā)。下面對LXI總線(xiàn)接口技術(shù)和相關(guān)的精密時(shí)鐘協(xié)議進(jìn)行詳細的分析和討論。

　　二、LXI總線(xiàn)技術(shù)

　　1. LXI技術(shù)背景

　　測試總線(xiàn)，也稱(chēng)儀器總線(xiàn)，它負責系統指令的控制和測試數據的傳輸，相當于測試測量系統的中樞神經(jīng)，因此起著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )通信與計算機技術(shù)的發(fā)展，測試總線(xiàn)發(fā)展了GPIB , VXI , PXI三個(gè)重要階段。近幾年來(lái)，測試測量領(lǐng)域出現了一些新的總線(xiàn)形式，如控制器局域網(wǎng)(CAN )、火線(xiàn)總線(xiàn)(Fire wire)、通用串行總線(xiàn)(USB)、現場(chǎng)總線(xiàn)(Field bus)等。

　　面對各種形式的測試總線(xiàn)，用戶(hù)需要根據所搭建測試平臺的性能要求來(lái)考慮選擇何種形式的總線(xiàn)技術(shù)。而測試的要求以及被測試的對象也較復雜，目前的總線(xiàn)技術(shù)無(wú)法很好地滿(mǎn)足用戶(hù)的性能指標要求，一些系統需求越來(lái)越明顯:

　　(1)采用通用接口和協(xié)議來(lái)簡(jiǎn)化系統的組成，降低搭建的復雜性和成本;

　　(2)在保證性能和兼容性的前提下，使系統更加緊湊;

　　(3)具有多重觸發(fā)方式和高速的I/0，容易進(jìn)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(xiàn)標準—LXI，此技術(shù)是結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)域內的應用與進(jìn)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(diǎn)，并解決了觸發(fā)、定時(shí)、電磁兼容等性能要求，與以往測試系統相比，具有更快速、更穩定持久、成本更低廉的特點(diǎn)。

　　2. LXI的總線(xiàn)規范

　　LXI聯(lián)盟于2005年9月正式發(fā)布了LXI總線(xiàn)標準的1.0版本。其內容是: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(yǔ)法，e.硬件觸發(fā)，f.數據通信格式，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(gè)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)設備，使模塊具有準確動(dòng)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(gè)功能級別:

　　C級:這類(lèi)設備提供了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(shí)間協(xié)議。這個(gè)類(lèi)型特別適合將傳統產(chǎn)品改造以適應本標準的應用，而且它還適合不需要提供觸發(fā)和定時(shí)機制的應用。

　　B級:包含等級C的全部功能，并支持IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議。IEEE1588接口允許設備等同于通過(guò)GPIB可用的觸發(fā)功能，但是具有相當或更佳的定時(shí)精度。

　　A級:包含等級B的全部能力，并支持總線(xiàn)硬件觸發(fā)機制。硬件觸發(fā)提供了一個(gè)標準化能力以支持設備間的觸發(fā)事件，其定時(shí)精度僅受限于儀器設計及電纜的物理限制。

　　等級C對觸發(fā)和時(shí)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(xiàn)上連續地精確觸發(fā)實(shí)現同步;等級A保證被測數據點(diǎn)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(diǎn)

　　與PXI, VXI, GPIB等原來(lái)的測控總線(xiàn)相比，LXI具有很多優(yōu)點(diǎn)。

　　(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(méi)有傳統儀器的控制面板，通過(guò)使用本地主機登陸儀器的IP地址，打開(kāi)瀏覽器就可以查看并可以修改儀器的配置信息，進(jìn)行測量和記錄測量結果。并且，LXI也提供以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)接口和特有的對等操作。實(shí)際上，LXI是一個(gè)互聯(lián)標準，只是這種標準是以開(kāi)放式的以太網(wǎng)為系統背板。在這個(gè)標準之下，用戶(hù)可以根據需求去擴充測量測試儀器，同時(shí)不受儀器的放置地點(diǎn)以及數量的限制，并且可以減小測試系統的搭建時(shí)間，提升了利用率。

　　(2) LXI通過(guò)標準化和自集成設計，使系統的搭建靈活方便。

　　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，節約了昂貴的機箱背和電纜。LXI具備模塊化的特點(diǎn)，其模塊寬度為半個(gè)或全架的寬，而高度只有一個(gè)或者兩個(gè)標準機架高，方便功能的升級和擴展，降低了系統集成的成本。

　　(3)支持設備的互換性、互操作性、軟件的可移植性，其具備靈活的儀器驅動(dòng)程序與編程接口。

　　IVI-CUM驅動(dòng)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規范。這些驅動(dòng)程序簡(jiǎn)化了測試系統的調試過(guò)程，兼容各種開(kāi)放式儀器驅動(dòng)程序標準，易于對故障診斷，并達到了校準計量，而且可以簡(jiǎn)單完成儀器間的互換，實(shí)現了測試系統從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)到產(chǎn)品的加工生產(chǎn)的完美結合。

　　三、LXI同步觸發(fā)與定時(shí)技術(shù)

　　V XI / PXI總線(xiàn)的同步觸發(fā)和定時(shí)等功能的實(shí)現依賴(lài)于昂貴的背板觸發(fā)總線(xiàn)，通過(guò)硬件方式實(shí)現同步。由于LAN網(wǎng)線(xiàn)沒(méi)有同步信號線(xiàn)，因此LXI的突出問(wèn)題是解決網(wǎng)絡(luò )中儀器設備之間的觸發(fā)同步和定時(shí)。LXI提供了三種不同精度的觸發(fā)機制:基于LXI觸發(fā)總線(xiàn)的硬件觸發(fā)、基于精確定時(shí)協(xié)議( PTP)觸發(fā)和基于網(wǎng)絡(luò )定時(shí)協(xié)議(NTP)觸發(fā)。

　　1.基于網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議的觸發(fā)方式

　　網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議，是把計算機的時(shí)間同步到某些時(shí)間標準，是一種聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間同步標準協(xié)議。世界協(xié)調時(shí)是目前采用的標準。網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議的結構采用Client/Server式，并且以GPS傳送的時(shí)間消息為參考標準，其設計充分慮了互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間的復雜性。

　　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(shí)間同步協(xié)議的觸發(fā)，通過(guò)LAN使得多個(gè)器模塊達到時(shí)間同步，并使儀器模塊能夠對觸事件做出響應，儀器模塊在規定的時(shí)間內完一定的功能操作任務(wù)，從而保證系統中多個(gè)LXI模工作的連貫性。

　　基于IEEE1588精時(shí)間同步協(xié)議的觸發(fā)方式類(lèi)似于傳統器設備的時(shí)鐘觸發(fā)，即可以預先設定計時(shí)鐘，當計時(shí)結束時(shí)，儀器執行預定的操作。此在測試系統中，需要儀器在無(wú)主機制的情況下，能夠自動(dòng)執行一系預定的操作。也就是說(shuō)，基于IEEE1588精確間同步協(xié)議的觸發(fā)方式是通過(guò)器自身來(lái)實(shí)現的，因此與傳統定時(shí)觸方式一樣具有本地性的點(diǎn)。但是，與傳統儀器不同的是，該觸方式是按照IEEE1588協(xié)議提供的鐘基準來(lái)定時(shí)觸發(fā)的。在測試系統中實(shí)現儀器的基觸發(fā)時(shí)，必須有一臺儀器的時(shí)鐘作為系統的主鐘來(lái)為其它儀器提供時(shí)鐘基準。

　　3.基于觸發(fā)總線(xiàn)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(xiàn)是LXI應用的硬件觸發(fā)系統。連接方式與VXI和PXI的背板十分相似，其總線(xiàn)可以將各個(gè)模塊與硬件接口連接在一起，是一種適用于高速數據傳輸的通用接標準，具有集成度高、功耗低、抗干擾能力強、成本低廉的特點(diǎn)。此接口標準沒(méi)有對協(xié)議、互聯(lián)或連接器等方面的標準進(jìn)行任何具體規定，只規定了驅動(dòng)程序及接收器的特性，為了保障LVDS能成為一個(gè)多用途接口標準，其應用方案的技術(shù)規格留有自定選擇功能。

　　四、IEEE1588分析及同步實(shí)現

　　1. IEEE1588的體系結構

　　該體系結構的最大特點(diǎn)在于件部分與協(xié)議的分離，因此運行時(shí)對件的要求比較低。PTP體系結構是一種完全脫離操作系統的軟件結構，硬件部分是由一個(gè)時(shí)間印章單元和一個(gè)高精度實(shí)時(shí)鐘組成。而軟件部分則是根據時(shí)間印章單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘間的聯(lián)系從而進(jìn)行時(shí)鐘同步。該體系構的是一種完全脫離操作系統的件組成模型。根據抽象程度的不同，PTP可以分為3層構:協(xié)議層、US抽象層和US層。

　　2.實(shí)現IEEE1588時(shí)間同步

　　延遲測量階段與偏移測量階段是實(shí)現IEEE1588時(shí)間同步的兩個(gè)階段。偏移測量的功能是修正從屬時(shí)鐘和主時(shí)鐘的時(shí)差。在偏移測量的修正過(guò)程中，主時(shí)鐘周期性的發(fā)出一個(gè)確定的同步信息(每?jì)擅腌娨淮?，此同步信息中包含著(zhù)一個(gè)時(shí)間印章，其精確地表述了數據包發(fā)出的計算時(shí)間。延遲測量的作用是用來(lái)測量網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的延遲時(shí)間。IEEE1588定義了一個(gè)延遲請求信息包(Delay Request Packet )，簡(jiǎn)稱(chēng)Delay Red，解決網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲時(shí)間。

　　因為網(wǎng)絡(luò )延遲的時(shí)間是對稱(chēng)相等的，所以:經(jīng)過(guò)同步信息的交換后，從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘便實(shí)現了精確的同步。

　　相比傳統的總線(xiàn)標準，LXI是基于開(kāi)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(xiàn)、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(cháng)、成本低的一些特點(diǎn)。LXI具有廣闊的應用范圍及發(fā)展前景。隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，LXI定會(huì )逐漸發(fā)展成自動(dòng)測試系統的理想解決方案。

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