B類LXI儀器總線同步觸發(fā)技術(shù)

0 引言
    步入信息化時(shí)代最顯著的標(biāo)志是信息網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)中的滲透和普及，其中數(shù)以太網(wǎng)最為典型。以太網(wǎng)作為一種成本低廉、吞吐能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、網(wǎng)絡(luò)管理能力日益提高的網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。基于LAN的新型LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)儀器總線正是利用了以太網(wǎng)的這些特點(diǎn)，構(gòu)成了一種適應(yīng)自動(dòng)測試系統(tǒng)的儀器模塊組建標(biāo)準(zhǔn)。
    LXI總線標(biāo)準(zhǔn)是由安捷倫公司和VXI技術(shù)公司于2004年9月聯(lián)合推出的，并于同年成立了技術(shù)聯(lián)盟。一年后聯(lián)盟制定了LXI 1．0標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對LXI的物理特性、觸發(fā)同步、儀器模塊間通信、模塊網(wǎng)絡(luò)接口特性和配置以及發(fā)現(xiàn)機(jī)制等方面作出了詳細(xì)規(guī)定，并且在其他方而也給出了聯(lián)盟的建議。2006年8月LXI聯(lián)盟正式公布LXI的1．1標(biāo)準(zhǔn)，糾正了1．0標(biāo)準(zhǔn)中存在的大量排版和語句上的錯(cuò)誤，并修改了部分內(nèi)容，包括修改了HTTP和HTML請求、刪除14節(jié)的MAC地址規(guī)則等等。期間第一批通過LXI聯(lián)盟認(rèn)證的LXI儀器面世，也揭開了LXI產(chǎn)品迅速升溫的序幕。2007年10月聯(lián)盟又推出了1．2標(biāo)準(zhǔn)，直至2008年9月推出最新的1．3版標(biāo)準(zhǔn)，不同版的標(biāo)準(zhǔn)都對其上一版進(jìn)行修改和完善。在過去兩年里，LXI產(chǎn)品逐步成為市場熱點(diǎn)，到目前為止，超過50家國際頂尖儀器生產(chǎn)廠商共推出85種儀器類型的540余種產(chǎn)品。其中僅在2007年上半年時(shí)的銷售額就超過了1億美元。
    在中國，LXI聯(lián)盟成員已經(jīng)包括中國大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和廠商在內(nèi)的約100多家單位。北京航天測控公司等三家中國企業(yè)加入了LXI聯(lián)盟。2007年在北京召開的首屆LXI亞洲峰會上聯(lián)盟主席也誠摯地邀請中國的企業(yè)單位參與標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善。在我國的各軍兵種和國防工業(yè)部門為武器裝備研制配套的ATS(Automatic Test System)系統(tǒng)，也離不開LXI總線的發(fā)展。

1 B類LXI同步原理
1．1 LXI產(chǎn)品分類和B類儀器的優(yōu)勢
    LXI聯(lián)盟充分利用了以太網(wǎng)觸發(fā)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP和IEEEl588)和硬件連線觸發(fā)功能。在此基礎(chǔ)上LXI提供精度由低劍高的三種觸發(fā)機(jī)制：基于NTP的觸發(fā)方式；基于IEEEl588的觸發(fā)方式；基于LXI觸發(fā)總線(LXITrigger Bus)的硬件觸發(fā)。并根據(jù)這三種不同的機(jī)制將產(chǎn)品分為三類：C、B和A類。分別如下：
    C類：具有通過LAN的編程控制能力，能夠與其他廠家的儀器協(xié)同工作；
    B類：擁有C類的所有能力，并支持IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議同步；
    A類：擁有B類的所有能力，同時(shí)具備觸發(fā)總線硬件觸發(fā)機(jī)制。
    顯然A類具備最高的同步精度是靠增加了硬件觸發(fā)功能，然而根據(jù)LXI標(biāo)準(zhǔn)可知，此類觸發(fā)是通過在儀器模塊之間另外增加觸發(fā)總線實(shí)現(xiàn)的，且該觸發(fā)總線的長度又不超過3m，故極大地限制了LXI儀器的靈活性，而靈活性又是LXI和VXI等儀器所具備的特點(diǎn)。B類儀器所支持的IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議不需要額外硬件開銷，同樣也是通過LAN傳送觸發(fā)信號，靈活方便。所以對B類同步觸發(fā)精度的研究具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
2. 2 IEEEl588時(shí)間協(xié)議同步原理
    IEEEl588又稱為精確同步時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)，它在LXI儀器模塊中的實(shí)現(xiàn)是要求硬件和軟件共同支持，它的同步原理如下圖l所示。在由LXI儀器模塊所組成的ATS中，IEEEl588時(shí)間協(xié)議同步的理想目標(biāo)是使分散在各個(gè)LXI儀器模塊中的時(shí)鐘達(dá)到絕對的一致，但由于同步誤差的存在，現(xiàn)實(shí)中只能接近這個(gè)理想值。這里將系統(tǒng)中的LXI設(shè)備分為主、從機(jī)，基本同步原理是：在系統(tǒng)初始化階段，通過對主從機(jī)之間時(shí)鐘偏移量(offset)的測量修正主機(jī)和從機(jī)之間的時(shí)鐘偏差，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)(一般默認(rèn)1~2s)，主機(jī)循環(huán)發(fā)送一個(gè)唯一的同步信息到相關(guān)的從機(jī)；主機(jī)測量發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間，從機(jī)測量接收的準(zhǔn)確時(shí)間，之后從機(jī)發(fā)送攜有接收準(zhǔn)確時(shí)間信息的數(shù)據(jù)包至主機(jī)，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)接收時(shí)間標(biāo)記，接收的時(shí)間在延遲響應(yīng)包中返回給從機(jī)。偏移測量和延遲(delay)測量完成了主機(jī)與各從機(jī)之間的同步，使系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時(shí)鐘協(xié)調(diào)完成任務(wù)。

    根據(jù)上述闡述，假設(shè)在主、從時(shí)鐘接發(fā)信息包的時(shí)刻分別為T1、T2、T3、T4、T5；主時(shí)鐘到從時(shí)鐘和從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的延時(shí)間隔分別為delayl和delay2。詳見圖l。   

    故我們得到如下式子：

   
    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對稱的，即主機(jī)到從機(jī)和從機(jī)到主機(jī)的延時(shí)是一樣的，可以得到：

   
    如此便得到了offset和delay。
2．3 同步誤差來源和糾正方法
    分析整個(gè)同步過程，可以將誤差來源歸結(jié)為兩大類：a．系統(tǒng)或儀器內(nèi)部因素；b．系統(tǒng)或儀器外部因素。
    內(nèi)部因素主要來自傳輸線路的延時(shí)、系統(tǒng)的網(wǎng)卡中斷的響應(yīng)、消息排隊(duì)等。從網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的角度看，可以將上述因素歸結(jié)為線路的不對稱性，從而直接影響到對offset和delay值的計(jì)算。offset和delay值是相互影響的，即得到準(zhǔn)確的offset值就同樣得到了準(zhǔn)確的delay值，所以可只研究offset值。
    在offset值的計(jì)算過程中，由于上述線路傳輸、路由功能、等待排隊(duì)等等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致對offset值的測量和計(jì)算結(jié)果有偏差。在此我們可以將上述誤差原因看作影響噪聲，故當(dāng)offset值初步穩(wěn)定(初始化后第一次同步時(shí)計(jì)算出來的offset值不定)后可以采用濾波算法將其濾除。當(dāng)進(jìn)行完晶振同步之后，可以簡化理解為offset偏差直接反映傳輸線路的不對稱，即直接反應(yīng)內(nèi)部因素導(dǎo)致的誤差。

    由于得到delay值后對offset值的計(jì)算是根據(jù)式(1)中的第一個(gè)式子得到，所以由圖2N分析可得，offset值可以比精確值偏大，也可以比精確值偏小，且從概率上來講應(yīng)為等概的，故可采用較為簡單的均值濾波算法進(jìn)行平滑即可。
    其次，引起誤差的外部因素主要來自環(huán)境對系統(tǒng)和儀器的影響和時(shí)間印章(時(shí)間戳)的準(zhǔn)確性，前者主要反映在晶振的速率上，而后者主要反映在IEEEl588時(shí)間協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上。
    在晶振速率方面，由于儀器的時(shí)鐘是由普通晶振提供的，所以環(huán)境(如溫度)的變化將極大地影響晶振的速率，常用品振精度不高，大概在100ppm左右，而對一般的LXI模塊則每隔2s進(jìn)行一次同步，那么可以計(jì)算得到兩個(gè)模塊之間最大的偏差是400μs，故不可忽略。通常高精度儀器的晶振可以安在恒溫槽中(如OCXO)，但考慮到成本和儀器簡化等因素，采用晶振同步自適應(yīng)方法改進(jìn)。設(shè)R，R′分別為主機(jī)和從機(jī)的品振速率，△t表示兩次測量晶振速率的時(shí)間問隔。那么分別計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)每臺從機(jī)記錄的本地時(shí)鐘時(shí)間，然后從機(jī)與主機(jī)進(jìn)行比較來調(diào)整時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，調(diào)準(zhǔn)方案如下式所示，M，N分別為存△t的時(shí)間間隔內(nèi)主從機(jī)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

   
    為了使其更具自適應(yīng)能力，可以根據(jù)上述方法計(jì)算t1′，t2′…tn′多個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)調(diào)整值，并據(jù)此由曲線擬合的方法得到下一時(shí)間段[tn′，tn+l′]內(nèi)的晶振速率，起到不斷校正品振偏差，使從機(jī)時(shí)鐘達(dá)到跟隨主機(jī)時(shí)鐘變化的目的。
    實(shí)現(xiàn)IEEEl588(PTP)時(shí)鐘協(xié)議的方法有通過FPGA實(shí)現(xiàn)、通過集成有PTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)等幾種。通過FPGA實(shí)現(xiàn)的方法是最常用的，但方法繁瑣、實(shí)現(xiàn)精度不高。而最近出現(xiàn)的集成有PTP時(shí)鐘協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案方便快捷、實(shí)璣精度高，因此迅速被廣大設(shè)計(jì)者所接受。其硬件框圖如圖3所示。

    在上述FPGA實(shí)現(xiàn)PTP的方案中，信息包加時(shí)間戳這一關(guān)鍵步驟也有幾種實(shí)現(xiàn)方法，每種方法產(chǎn)生不同的同步精度。見圖4所示。

    在圖4中，最簡單的IEEEl588實(shí)現(xiàn)包括在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧頂端的應(yīng)用層加上通用的時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)過程中會出現(xiàn)最大的協(xié)議堆棧延遲波動(dòng)，會產(chǎn)生最大偏差，這種情況下最差精度將被引入到時(shí)間戳中。并且在不同的操作系統(tǒng)中，偏差值會在幾百微秒到毫秒之問，嚴(yán)重影響同步精度。
    第二種是在中斷層實(shí)現(xiàn)時(shí)間戳，其實(shí)現(xiàn)精度比應(yīng)用層更高，但實(shí)現(xiàn)難度也隨之增大。硬件輔助的方式可以得到最精確的同步時(shí)鐘，產(chǎn)生的時(shí)間戳和物理層總線上事件的非常接近。使用專用以太網(wǎng)收發(fā)芯片的實(shí)現(xiàn)方案就是以這種方法實(shí)現(xiàn)PTP協(xié)議的，從而為得到最高的同步精度打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 基于專用芯片DP83640的實(shí)現(xiàn)方案
    通過上述的分析得知，基于專用網(wǎng)絡(luò)芯片的方案能獲得最高的實(shí)時(shí)同步精度，同時(shí)又能簡化設(shè)計(jì)。其中DP83640就是其中的典型代表。
    DP83640是NS公司在2007年推出的集成有IEEEl588時(shí)鐘協(xié)議的全新網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片，它呈現(xiàn)如下三個(gè)關(guān)于IEEEl588的關(guān)鍵特性：信息包中包含用于時(shí)間同步的時(shí)間戳、IEEEl588時(shí)鐘產(chǎn)生器、通過GPIO口的同步事件觸發(fā)。并且NS公司還創(chuàng)新性地賦予了它獨(dú)特的特性，其中包括基于錯(cuò)誤預(yù)測的鏈接質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測等。
    具體而言，DP83640的特點(diǎn)主要有：支持IEEE1588V1和V2；支持UDP／IPv4和UDP／IPv6；IEEEl588時(shí)鐘同步；8ns時(shí)間戳；12個(gè)觸發(fā)和捕獲IEEEl588的GPIO；可檢測的低的傳輸和接收時(shí)延；鏈接質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測；全雙工／半雙工和10／100Mb／s傳輸；支持雙絞線和光纖接口等等。以上這些也保證了該芯片能很好地滿足B類LXI儀器的同步要求。DP83640的功能模塊框圖詳見圖5。

    本方案中采用最為常見的基于ARM9核的S3C2410作為處理器，在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收端采用集成有IEEEl588的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片DP83640，兩者之間是MAC層芯片，這里選用AX88196。圖6給出的是S3C2410、AX88196和DP83640的主要連接框圖。在DP83640中，TX_CLK、TXD[0．．3]和TXD_EN共同構(gòu)成了以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送接口。TX_CLK在100Mb／s模式下能輸出25MHz的時(shí)鐘信號，在10Mb／s模式下則能輸出2．5MHz的時(shí)鐘信號，該時(shí)鐘信號來源于25MHz的系統(tǒng)參考時(shí)鐘；同理，RX_CLK、RXD[0．．3]、RX_DV和RX_ER構(gòu)成了以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收接口，其中不同的是RX_DV和RX_ER反映了接收數(shù)據(jù)的有效或錯(cuò)誤；COL則是用于網(wǎng)絡(luò)中碰撞檢測的。在處理器端，將地址總線、數(shù)據(jù)總線分別和MAC芯片的地址和數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，詳見圖6。

    在上述功能的軟件實(shí)現(xiàn)中，充分利用DP83640能提取數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳并發(fā)送給上層軟件的特點(diǎn)，可在應(yīng)用程序的改計(jì)中方便地實(shí)現(xiàn)同步、觸發(fā)、延時(shí)響應(yīng)等功能。再利用上文分析的算法提高模塊的同步觸發(fā)精度。軟件流程見圖7。

    在模塊初始化中，包含了主從時(shí)鐘的設(shè)定、外圍部件初始化(如DP83640初始化)等等。上文中提出的對offset值的濾波、品振速率的計(jì)算和晶振偏差自適應(yīng)算法也可利用上述框圖實(shí)現(xiàn)，所不同的是兩者利用不同的數(shù)據(jù)和不同的子程序。

4 結(jié)束語
    LXI儀器借助以太網(wǎng)的強(qiáng)大功能和web的靈活性，使得在ATS中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程式、分布式成為可能。LXI基本不受帶寬、軟件和背板插槽的限制。其更廣的覆蓋范圍、更好的繼承性能、更長的生命周期和更低的成本使其具有更為廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。其中B類儀器以其低廉的價(jià)格(相對于A類儀器)和較強(qiáng)的靈活性(相對于C類儀器)，更能適應(yīng)市場的需求。加之采用本文所提出的方法能提高同步觸發(fā)精度和降低成本，使其具有更強(qiáng)的市場競爭力。