簡述LXI總線技術的分析及精密時鐘同步的實現(xiàn)論文

　　一、引言

　　測試與測量技術進步的重點是測試總線技術的不斷提升，測試總線的技術從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)技術被引入到測試測量領域中。測試儀器的概念從“軟件就是儀器”發(fā)展到“網(wǎng)絡就是儀器”的新階段，網(wǎng)絡和軟件技術為測試測量技術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、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)技術和VXI總線技術的優(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，結合了板卡框架系統(tǒng)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)了各設備終端間的同步觸發(fā)。下面對LXI總線接口技術和相關的精密時鐘協(xié)議進行詳細的分析和討論。

　　二、LXI總線技術

　　1. LXI技術背景

　　測試總線，也稱儀器總線，它負責系統(tǒng)指令的控制和測試數(shù)據(jù)的傳輸，相當于測試測量系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，因此起著至關重要的作用。隨著網(wǎng)絡通信與計算機技術的發(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。而測試的要求以及被測試的對象也較復雜，目前的總線技術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，此技術是結合了計算機和通信領域發(fā)展的最新的研究成果。

　　LXI是以太網(wǎng)技術在測試測量技術領域內的應用與進步。其技術具有了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。其內容是:a.機械接口，b.網(wǎng)絡觸制，c. Web人機接口與網(wǎng)絡配置，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)品改造以適應本標準的應用，而且它還適合不需要提供觸發(fā)和定時機制的應用。

　　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接口允許設備等同于通過GPIB可用的觸發(fā)功能，但是具有相當或更佳的定時精度。

　　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備間的觸發(fā)事件，其定時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)和時間控制要求不高，但必須保證合格的網(wǎng)絡通信;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程序與編程接口。

　　IVI-CUM驅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。這些驅動程序簡化了測試系統(tǒng)的調試過程，兼容各種開放式儀器驅動程序標準，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)的完美結合。

　　三、LXI同步觸發(fā)與定時技術

　　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)絡中儀器設備之間的觸發(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)絡定時協(xié)議(NTP)觸發(fā)。

　　1.基于網(wǎng)絡時間協(xié)議的觸發(fā)方式

　　網(wǎng)絡時間協(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)調時是目前采用的標準。網(wǎng)絡時間協(xié)議的結構采用Client/Server式，并且以GPS傳送的時間消息為參考標準，其設計充分慮了互聯(lián)網(wǎng)上時間的復雜性。

　　2.基于IEEE1588的觸發(fā)方式

　　LXI接口標準的關鍵特征之一是基于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，并使儀器模塊能夠對觸事件做出響應，儀器模塊在規(guī)定的時間內完一定的功能操作任務，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)器設備的時鐘觸發(fā)，即可以預先設定計時鐘，當計時結束時，儀器執(zhí)行預定的操作。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媒訕藴剩�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，其應用方案的技術規(guī)格留有自定選擇功能。

　　四、IEEE1588分析及同步實現(xiàn)

　　1. IEEE1588的體系結構

　　該體系結構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體系結構是一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件結構，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: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)絡傳輸延遲時間。

　　因為網(wǎng)絡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具有廣闊的應用范圍及發(fā)展前景。隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(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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