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簡(jiǎn)述LXI總線技術(shù)的分析及精密時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)論文
一、引言
測(cè)試與測(cè)量技術(shù)進(jìn)步的重點(diǎn)是測(cè)試總線技術(shù)的不斷提升，測(cè)試總線的技術(shù)從GPIB到VXI，又到后來(lái)的PXI測(cè)試測(cè)量?jī)x器也從機(jī)箱式發(fā)展到板卡式。但是由于現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)傳輸能力和實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中。測(cè)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(cè)試測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)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(duì)測(cè)試測(cè)量平的基于模塊化的平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)—LXI。LXI融合了工業(yè)標(biāo)太網(wǎng)技術(shù)和VXI總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(kuò)展，結(jié)合了板卡框架系統(tǒng)的模塊化思想和臺(tái)式儀器的內(nèi)置測(cè)量以及標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)以適用于自動(dòng)測(cè)試測(cè)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(diǎn)為L(zhǎng)XI總線技術(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(cè)試系統(tǒng)的解決方案。LXI采用了以太網(wǎng)的精密時(shí)鐘PTP實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備終端間的同步觸發(fā)。下面對(duì)LXI總線接口技術(shù)和相關(guān)的精密時(shí)鐘協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論。
二、LXI總線技術(shù)
1. LXI技術(shù)背景
測(cè)試總線，也稱儀器總線，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)指令的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸，相當(dāng)于測(cè)試測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試總線發(fā)展了GPIB , VXI , PXI三個(gè)重要階段。近幾年來(lái)，測(cè)試測(cè)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(chǎng)總線(Field bus)等。
面對(duì)各種形式的測(cè)試總線，用戶需要根據(jù)所搭建測(cè)試平臺(tái)的性能要求來(lái)考慮選擇何種形式的總線技術(shù)。而測(cè)試的要求以及被測(cè)試的對(duì)象也較復(fù)雜，目前的總線技術(shù)無(wú)法很好地滿足用戶的性能指標(biāo)要求，一些系統(tǒng)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(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(jìn)行故障診斷;
(4)為GPIB, VXI, PXI等非標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試提供兼容性接口。
為了解決性能指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)—LXI，此技術(shù)是結(jié)合了計(jì)算機(jī)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(cè)試測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)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(cè)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(diǎn)。
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(biāo)準(zhǔn)的1.0版本。其內(nèi)容是:a.機(jī)械接口，b.網(wǎng)絡(luò)觸制，c. Web人機(jī)接口與網(wǎng)絡(luò)配置，d.軟件語(yǔ)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(gè)功能屬性為:標(biāo)準(zhǔn)的LAN接口，提供web接口與編程控制的能力，支持對(duì)作和主從操作;基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)設(shè)備，使模塊具有準(zhǔn)確動(dòng)間，且能經(jīng)LAN發(fā)出觸發(fā)事件。LXI標(biāo)準(zhǔn)所能完成的層次要求與不同測(cè)圍由他們共同支撐。
LXI可分為三個(gè)功能級(jí)別:
C級(jí):這類設(shè)備提供了LXI標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)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)類型特別適合將傳統(tǒng)產(chǎn)品改造以適應(yīng)本標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，而且它還適合不需要提供觸發(fā)和定時(shí)機(jī)制的應(yīng)用。
B級(jí):包含等級(jí)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(shè)備等同于通過(guò)GPIB可用的觸發(fā)功能，但是具有相當(dāng)或更佳的定時(shí)精度。
A級(jí):包含等級(jí)B的全部能力，并支持總線硬件觸發(fā)機(jī)制。硬件觸發(fā)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化能力以支持設(shè)備間的觸發(fā)事件，其定時(shí)精度僅受限于儀器設(shè)計(jì)及電纜的物理限制。
等級(jí)C對(duì)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(jí)B需要總線上連續(xù)地精確觸發(fā)實(shí)現(xiàn)同步;等級(jí)A保證被測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間額緊密相位關(guān)系，即提供確定的硬件觸發(fā)機(jī)制。
3. LXI的優(yōu)點(diǎn)
與PXI, VXI, GPIB等原來(lái)的測(cè)控總線相比，LXI具有很多優(yōu)點(diǎn)。
(1) LXI提供了基于Web的人機(jī)交互以及程控接口，基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
LXI儀器一般沒(méi)有傳統(tǒng)儀器的控制面板，通過(guò)使用本地主機(jī)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(cè)量和記錄測(cè)量結(jié)果。并且，LXI也提供以太網(wǎng)無(wú)線接口和特有的對(duì)等操作。實(shí)際上，LXI是一個(gè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，只是這種標(biāo)準(zhǔn)是以開(kāi)放式的以太網(wǎng)為系統(tǒng)背板。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之下，用戶可以根據(jù)需求去擴(kuò)充測(cè)量測(cè)試儀器，同時(shí)不受儀器的放置地點(diǎn)以及數(shù)量的限制，并且可以減小測(cè)試系統(tǒng)的搭建時(shí)間，提升了利用率。
(2) LXI通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化和自集成設(shè)計(jì)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)架高，方便功能的升級(jí)和擴(kuò)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(dòng)程序與編程接口。
IVI-CUM驅(qū)動(dòng)程序與其他處理器或主機(jī)聯(lián)系被推薦使用于LXI，并采用了IVI規(guī)范。這些驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程，兼容各種開(kāi)放式儀器驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)，易于對(duì)故障診斷，并達(dá)到了校準(zhǔn)計(jì)量，而且可以簡(jiǎn)單完成儀器間的互換，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)從產(chǎn)品的開(kāi)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(shí)技術(shù)
V XI / PXI總線的同步觸發(fā)和定時(shí)等功能的實(shí)現(xiàn)依賴于昂貴的背板觸發(fā)總線，通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)同步。由于LAN網(wǎng)線沒(méi)有同步信號(hào)線，因此LXI的突出問(wèn)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(shí)。LXI提供了三種不同精度的觸發(fā)機(jī)制:基于LXI觸發(fā)總線的硬件觸發(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(jì)算機(jī)的時(shí)間同步到某些時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，是一種聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。世界協(xié)調(diào)時(shí)是目前采用的標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議的結(jié)構(gòu)采用Client/Server式，并且以GPS傳送的時(shí)間消息為參考標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)充分慮了互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間的復(fù)雜性。
2.基于IEEE1588的觸發(fā)方式
LXI接口標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到時(shí)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(shí)間內(nèi)完一定的功能操作任務(wù)，從而保證系統(tǒng)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)方式類似于傳統(tǒng)器設(shè)備的時(shí)鐘觸發(fā)，即可以預(yù)先設(shè)定計(jì)時(shí)鐘，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，儀器執(zhí)行預(yù)定的操作。此在測(cè)試系統(tǒng)中，需要儀器在無(wú)主機(jī)制的情況下，能夠自動(dòng)執(zhí)行一系預(yù)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(xiàn)的，因此與傳統(tǒng)定時(shí)觸方式一樣具有本地性的點(diǎn)。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(zhǔn)來(lái)定時(shí)觸發(fā)的。在測(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)儀器的基觸發(fā)時(shí)，必須有一臺(tái)儀器的時(shí)鐘作為系統(tǒng)的主鐘來(lái)為其它儀器提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。
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(hào)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(gè)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?biāo)準(zhǔn)，具有集成度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)。此接口標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)協(xié)議、互聯(lián)或連接器等方面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行任何具體規(guī)定，只規(guī)定了驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)
1. IEEE1588的體系結(jié)構(gòu)
該體系結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)在于件部分與協(xié)議的分離，因此運(yùn)行時(shí)對(duì)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(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(jù)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(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(shí)現(xiàn)IEEE1588時(shí)間同步
延遲測(cè)量階段與偏移測(cè)量階段是實(shí)現(xiàn)IEEE1588時(shí)間同步的兩個(gè)階段。偏移測(cè)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(cè)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?jī)擅腌娨淮?，此同步信息中包含著一個(gè)時(shí)間印章，其精確地表述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的計(jì)算時(shí)間。延遲測(cè)量的作用是用來(lái)測(cè)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(qǐng)求信息包(Delay Request Packet )，簡(jiǎn)稱Delay Red，解決網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間。
因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲的時(shí)間是對(duì)稱相等的，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(xiàn)了精確的同步。
相比傳統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)，LXI是基于開(kāi)放的以太網(wǎng)技術(shù)的新一代儀器平臺(tái)，LXI模塊不受計(jì)算機(jī)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(zhǎng)、成本低的一些特點(diǎn)。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(huì)逐漸發(fā)展成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的理想解決方案。
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