LXI 測試系統(tǒng)中IEEE 1588 的應(yīng)用

摘要:

LXI 聯(lián)盟是主要測試和測量廠商的一個(gè)組織，負(fù)責(zé)開拓基于LAN通信和融合IEEE 1588的模塊化、分布式的儀器體系結(jié)構(gòu)。

本文將概要說明與IEEE 1588 相關(guān)的LXI 規(guī)范，以及如何在基于LXI 測試和測量系統(tǒng)中用IEEE 1588 建立時(shí)基。

引言:

測試和測量行業(yè)于2004 年形成了LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)聯(lián)盟，聯(lián)盟致力于簡化測試系統(tǒng)的集成和降低與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及維護(hù)相關(guān)的成本。通過高速Ethernet和IEEE 1588 這些成熟技術(shù)，行業(yè)規(guī)定了保證廠商間兼容性的規(guī)則和建議。利用Ethernet 行業(yè)的成熟技術(shù)，LXI 提供許多超過當(dāng)前點(diǎn)對點(diǎn)和卡箱式解決方案的優(yōu)點(diǎn)，以簡化集成和支持任務(wù)，降低成本，并提供新的使用模型和能力。

LXI聯(lián)盟得到測試和測量行業(yè)所有領(lǐng)先公司的大力支持。所提出的規(guī)范通過利用自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和尋址，網(wǎng)絡(luò)和資產(chǎn)管理和對等通信這些技術(shù)簡化系統(tǒng)集成，它的統(tǒng)一觸發(fā)模型和IEEE 1588應(yīng)用使集成者能在許多應(yīng)用中用軟件觸發(fā)代替電纜，從而簡化系統(tǒng)組裝，解決困難的同步任務(wù)，它也為系統(tǒng)建造者提供以前沒有的選擇方案。LXI 還為合成儀器提供理想平臺(tái)，當(dāng)測試需要變化時(shí)能實(shí)現(xiàn)較小占用面積和易于重新配置，以及硬件 — 軟件獨(dú)立。由于接納了普遍存在的Ethernet 技術(shù)LXI 也因不需要專門的電纜、插卡、主機(jī)而降低了成本。

LXI 綜述

LXI 聯(lián)盟綜合了近年來的多方發(fā)展成果。首先，研究報(bào)告表明我們測試和測量行業(yè)已經(jīng)為基于LAN 儀器準(zhǔn)備就緒。Ethernet 基礎(chǔ)設(shè)施是普遍存在的，其設(shè)備價(jià)格按測試和測量標(biāo)準(zhǔn)來看是很低的，測試工程師也越來越醉心這項(xiàng)技術(shù)。其次，高速LAN的廣泛適應(yīng)性，它開放的IO接口符合測試和測量的需要。再次， IEEE 1588 把確定性的定時(shí)帶入網(wǎng)絡(luò)。最后，尋求更低測試系統(tǒng)支持成本的宇航/國防工業(yè)推動(dòng)了合成儀器的發(fā)展。

在 LXI 聯(lián)盟之前，測試和測量行業(yè)依靠特殊的點(diǎn)對點(diǎn)IO，如GPIB 和MXI，或是卡箱式背板實(shí)現(xiàn)，如VXI 和PXI。由于它們均由T&M行業(yè)開發(fā)，因此不能得到計(jì)算機(jī)行業(yè)的簡單使用方法，而且還需要昂貴的接口卡，電纜和主機(jī)。LXI 聯(lián)盟知道每天在Ethernet 上工作的工程師數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過整個(gè)T&M行業(yè)，我們完全可以利用他們的工作成果，得到復(fù)雜的對等和網(wǎng)絡(luò)管理能力，就像在計(jì)算機(jī)和外設(shè)上那樣。Ethernet是到處都有而且價(jià)格低廉; 由于今天售出的計(jì)算機(jī)上都配有LAN 適配器，用戶不需要專門的接口卡。Ethernet 支持多種傳輸媒介 — 銅纜、光纖、無線 — 它也是對稱的，因此您不必像USB 那樣擔(dān)心是主裝置還是從裝置。

早期的Ethernet 使能儀器已很好地被客戶接受，但大多數(shù)前期實(shí)現(xiàn)因反應(yīng)時(shí)間、速度和非確定性定時(shí)的不確定性而遇到支持方面的問題。通過IEEE 1588 和Gigabit Ethernet 這些關(guān)鍵促成技術(shù)，LXI把Ethernet提升到測試系統(tǒng)的核心地位。100 base T 和Gigabit Ethernet 的廣泛適應(yīng)性突破了多數(shù)實(shí)際測試系統(tǒng)的速度瓶頸，而IEEE 1588給與Ethernet確定性的定時(shí)，從而能夠滿足測試和測量行業(yè)苛刻的定時(shí)要求。

LXI 聯(lián)盟

隨著LAN 的發(fā)展而成為GPIB 和MXI 的可行替代方案，一些測試和測量公司開始使用LAN，并把它看作是主要的互連。但我們認(rèn)為如果每家儀器公司都獨(dú)立建立各自的Ethernet 連接標(biāo)準(zhǔn)，來自不同廠商儀器能將很難實(shí)現(xiàn)相互之間的兼容。最好的情況是有一個(gè)各公司都支持的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)此，需要有一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟來致力于標(biāo)準(zhǔn)的建立，也保證兼容性。安捷倫公司在2004 年提議，并成為LXI 聯(lián)盟的聯(lián)合創(chuàng)建者。聯(lián)盟最優(yōu)先的任務(wù)是通過推薦統(tǒng)一的基于Ethernet的儀器標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)保證相互之間的兼容性。LXI聯(lián)盟宗旨在于顯著簡化系統(tǒng)集成者的工作、降低成本、提高產(chǎn)能，同時(shí)利用成熟的商業(yè)技術(shù)，而不是建立某些獨(dú)特技術(shù)。LXI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是推薦如何實(shí)現(xiàn)已存在的開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

LXI 聯(lián)盟的主要目標(biāo)是建立和采用基于LAN 的儀器規(guī)范，以保證跨廠商的相互兼容。LXI 聯(lián)盟已舉行過5 次全會(huì)，3 次專門會(huì)議和無數(shù)次的工作組會(huì)議。今天我們已有40 多位會(huì)員，代表所有主要T&M供應(yīng)商，此外還有許多用戶和系統(tǒng)集成商。我們的每一次全會(huì)上都有獨(dú)立的系統(tǒng)集成商或潛在用戶的會(huì)議，他們討論測試環(huán)境，以及對LXI 優(yōu)缺點(diǎn)的評價(jià)。在宣布我們意向的12 個(gè)月后，就于9 月26 日頒布了最初的LXI 規(guī)范1.0 版。

LXI 觸發(fā)

LXI設(shè)備被定義為3種類型，按觸發(fā)能力的不同分為A類、B類和C類。C類是基本類，它沒有基于時(shí)間的觸發(fā)能力，A類和B 類設(shè)備融入IEEE 1588，它允許測試系統(tǒng)內(nèi)的不同設(shè)備自主地執(zhí)行復(fù)雜的事件序列，而無需系統(tǒng)控制器的干預(yù)。B類在C 類上增加IEEE 1588，A 類除增加IEEE 1588 外，還加上8 路的LVDS 高速觸發(fā)總線。

LXI 規(guī)范的一個(gè)主要特點(diǎn)是統(tǒng)一的觸發(fā)模型，以及以同樣方式處理所有觸發(fā)源的API。通過定義LAN觸發(fā)和硬件觸發(fā)同一的程序調(diào)用，程序師就能用一套API 調(diào)用，并容易地在觸發(fā)類型間切換。例如如果用被命名為“Arb”的驅(qū)動(dòng)程序編程一臺(tái)任意波形發(fā)生器，而程序員要把LXI 觸發(fā)總線2 作為觸發(fā)信號(hào)源，這一行代碼就可寫為: Arb.Trigger.Source ="LXI2"，而如果他希望切換到使用相同ID 的LAN觸發(fā)，只需把命令變?yōu)? Arb.Trigger.Source = "LAN2"。LXI規(guī)范推薦LXI設(shè)備應(yīng)能使用任何可行手段觸發(fā)任何可得動(dòng)作，雖然并非所有情況時(shí)都能實(shí)現(xiàn)。如果一項(xiàng)測量可由傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)線觸發(fā)，那么它也應(yīng)可由LXI 觸發(fā)總線，或裝置支持的任何其它觸發(fā)輸入觸發(fā)。測試開發(fā)者可把裝置配置為接收相應(yīng)觸發(fā)源，并接到所要采取的動(dòng)作。

IEEE 1588基于時(shí)間觸發(fā)API 允許程序員在任何規(guī)定時(shí)間執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作，把“報(bào)警時(shí)鐘”設(shè)置為“行動(dòng)”，從而能讓程序員和系統(tǒng)集成者以幾乎完美的方式執(zhí)行復(fù)雜的測試序列。例如把一個(gè)數(shù)字化儀編程為在規(guī)定時(shí)間開始測量，1秒后結(jié)束，等待100 msec，再開始另一次測量。把同一測試系統(tǒng)中的接收設(shè)備編程為在數(shù)字化儀100 msec 工作暫停期間改變它的頻率。通過IEEE 1588 基時(shí)鐘同步，就能執(zhí)行這樣的操作，得到近乎完美的定時(shí)，而不需要儀器與LAN之外的其它控制器連接。

對于基于時(shí)間的觸發(fā)，必須了解如果系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘嚴(yán)格同步，就不存在反應(yīng)時(shí)間。但真實(shí)世界中的時(shí)鐘同步并非完美; 時(shí)鐘精度僅為50-100 nsec，從而引入新類型的觸發(fā)不確定度 — 抖動(dòng)。在IEEE 1588 時(shí)鐘同步算法調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，某些引入的不確定度會(huì)掩蓋掉任何基于時(shí)間觸發(fā)的精度。工程師必須懂得反應(yīng)時(shí)間和抖動(dòng)的不同，使用最適合其應(yīng)用的觸發(fā)類型。

有些應(yīng)用對觸發(fā)抖動(dòng)不敏感，或觸發(fā)抖動(dòng)帶來的問題比反應(yīng)時(shí)間輕。例如考慮雷達(dá)測試范圍的情況，此時(shí)儀器間的距離可能相當(dāng)大。IEEE 1588 時(shí)鐘同步算法將把系統(tǒng)時(shí)鐘排齊，而無論這些儀器相距多遠(yuǎn)。硬件觸發(fā)反應(yīng)時(shí)間始終約為1 nsec/英尺。如果儀器相距甚遠(yuǎn)，那么基于時(shí)間觸發(fā)的抖動(dòng)將小于硬件信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間。這對于某些應(yīng)用可能變成一種關(guān)鍵的促成技術(shù)。

源于IEEE 的基于時(shí)間的觸發(fā)并非適應(yīng)所有測試應(yīng)用的靈丹妙藥，它只是提供另一種觸發(fā)機(jī)制。基于時(shí)間的觸發(fā)要求事先排出儀器動(dòng)作的時(shí)間表，但這并非永遠(yuǎn)可行。例如基于時(shí)間的觸發(fā)不能用于響應(yīng)異步事件，對于UUT引入的觸發(fā)事件也是很差的選擇。

通過在導(dǎo)線上發(fā)送電信號(hào)，LXI 支持基于LAN 的觸發(fā)，這很像是傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)。當(dāng)接收裝置收到信號(hào)時(shí)，就執(zhí)行一個(gè)預(yù)先確定的行動(dòng)。在許多應(yīng)用中，基于LAN的觸發(fā)可去掉雜亂的觸發(fā)電纜，從而簡化系統(tǒng)集成和實(shí)現(xiàn)流程式的裝置升級(jí)。基于LAN觸發(fā)強(qiáng)于傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)，因?yàn)樗軘y帶硬件觸發(fā)不具備的時(shí)戳信息。LXI 儀器提供基于同步系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)戳，給予系統(tǒng)集成者事件何時(shí)發(fā)生或協(xié)調(diào)多個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間記錄。在實(shí)際應(yīng)用中，它提出了一些重要的觸發(fā)模型，如環(huán)形數(shù)據(jù)捕獲緩沖器。此時(shí)可把一個(gè)LXI 裝置編程為捕獲環(huán)形緩沖器中的數(shù)據(jù)，就像邏輯分析儀所做的那樣。當(dāng)LAN觸發(fā)到達(dá)時(shí)，數(shù)字化儀用包含在觸發(fā)中的時(shí)戳“回看”發(fā)生在觸發(fā)信號(hào)接收前的捕獲事件時(shí)間。這項(xiàng)觸發(fā)技術(shù)在過去大多數(shù)儀器中是不可能具備的。

IEEE 1588: 關(guān)鍵的促成技術(shù)

與測試系統(tǒng)集成商的討論證實(shí)， IEEE 1588 通過提供原來沒有的同步和時(shí)戳機(jī)制，能夠簡化集成工程師的任務(wù)。從歷史上看，集成工程是通過為系統(tǒng)硬件編寫專門的代碼，以編程方式補(bǔ)償延遲，但在更換硬件或電纜長度改變時(shí)，原來的代碼就失去作用，而需要投入昂貴的查錯(cuò)和返工費(fèi)用。隨著集成者越來越熟悉 IEEE 1588，我們相信市場需求會(huì)促使它成為測試和測量行業(yè)的一項(xiàng)主導(dǎo)產(chǎn)品。對于許多應(yīng)用來說，系統(tǒng)開發(fā)者不再需要校準(zhǔn)和修正觸發(fā)電纜延遲，并相信定時(shí)特性不會(huì)干擾脆弱的測試程序。

IEEE 1588 把時(shí)間概念帶入網(wǎng)絡(luò)，提供協(xié)調(diào)跨分布節(jié)點(diǎn)動(dòng)作的機(jī)制。雖然IEEE 1588 定義了如何同步網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)鐘，卻沒有說明如何施加這一同步。LXI通過定義如何在測試環(huán)境中進(jìn)行而擴(kuò)展了IEEE 1588 的基礎(chǔ)。LXI 聯(lián)盟定義了基于LAN和基于時(shí)間的觸發(fā)特性，對如何施加基于時(shí)間的觸發(fā)作了詳細(xì)的API 描述。一個(gè)統(tǒng)一的LXI 觸發(fā)模型允許測試程序員容易地在硬件、軟件和時(shí)間感應(yīng)觸發(fā)間轉(zhuǎn)換，通過減少硬件和電纜簡化集成者的任務(wù)。

LXI 對等通信

IEEE 1588 和LXI 規(guī)范幫助啟用對等的或模塊 — 模塊的通信。在LXI 出現(xiàn)前，大多數(shù)測試和測量系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)依賴使用中央控制器的主從配置。除承載較快觸發(fā)沿的基本觸發(fā)線外，它們沒有儀器至儀器的通信。每臺(tái)儀器直接與控制器通信，然后把命令發(fā)送到其它儀器。這種在行業(yè)內(nèi)存在多年的方式不能利用分布式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的多種優(yōu)點(diǎn)。高通道數(shù)系統(tǒng)或基于控制器的測量應(yīng)用讓中央控制器承受很重的負(fù)擔(dān)，這就造成了處理瓶頸，而難以很好利用高帶寬IO，也達(dá)不到預(yù)期的性能級(jí)。有了LXI，儀器能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于控制器的相互通信。這就能簡化許多應(yīng)用，如激勵(lì) — 響應(yīng)測量。LXI允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者下載可執(zhí)行代碼，它由來自系統(tǒng)中的一臺(tái)或多臺(tái)其它儀器觸發(fā)，讓控制器處理數(shù)據(jù)，而不是執(zhí)行控制任務(wù)。較少的系統(tǒng)管理得到系統(tǒng)響應(yīng)更敏捷的結(jié)果。

也許LXI IEEE 1588 啟用的對等通信帶來的最大好處是能把測試軟件與系統(tǒng)硬件脫鉤。每一LXI 裝置都知道自己的響應(yīng)時(shí)間，這意味著它能事先把自己設(shè)置為執(zhí)行命令或腳本，然后等待觸發(fā)。裝置可以多點(diǎn)傳送命令，而不必了解誰在聽取命令，裝置也可聽取命令，而不必了解是誰發(fā)送的命令，并過濾掉除所需命令外的其它內(nèi)容?？刂破骱蜏y試軟件不需要知道裝置的執(zhí)行時(shí)間，也不必在任何事件前建造設(shè)置或延遲。我們現(xiàn)在擁有的系統(tǒng)允許裝置的行為彼此獨(dú)立或獨(dú)立于控制器，這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和支持者在改變設(shè)備時(shí)就可不必改變?nèi)魏螠y試代碼。其結(jié)果是測試程序與底層硬件脫鉤，實(shí)現(xiàn)了測試程序的透明性。

把LAN 和IEEE 1588 用于測試和測量應(yīng)用

系統(tǒng)集成者發(fā)現(xiàn)IEEE 1558帶來許多優(yōu)點(diǎn)。有些是明顯和容易想到的，例如在長距離上的同步能力。天線測試范圍就屬這種情況。但有些卻不甚明顯，如可在某些應(yīng)用中去掉觸發(fā)電纜，或是不需要校準(zhǔn)和修正多條觸發(fā)電纜的延遲。由于改變硬件不影響測試程序，因此這兩種情況都能簡化程序員的任務(wù)，使軟件維護(hù)更為容易。在典型測試系統(tǒng)中，軟件開發(fā)和維護(hù)的成本會(huì)低于硬件購置費(fèi)。

IEEE 1588和LAN觸發(fā)能代替部分，但非全部觸發(fā)電纜。代替電纜的能力取決于測試系統(tǒng)的速度要求，而往往由被測裝置決定。某些測試系統(tǒng)，例如測量溫度、壓力或機(jī)械激勵(lì)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用要求毫秒級(jí)或微秒級(jí)的分辨率，這正在今天IEEE 1588 的能力范圍內(nèi)。而有嚴(yán)格時(shí)間要求的應(yīng)用，例如高速雷達(dá)和一些無線應(yīng)用這類射頻應(yīng)用，以及示波器和邏輯分析儀的觸發(fā)，都要求達(dá)到納秒甚至亞納秒的分辨率，這已超出今天IEEE 1588 的能力。基于IEEE 的觸發(fā)也不能很好適用于具有快速異步或設(shè)備感應(yīng)觸發(fā)的應(yīng)用。但這些應(yīng)用也正是改進(jìn)IEEE 1588 速度和分辨率的原動(dòng)力。

用IEEE 1588提供時(shí)戳，儀器提供商和系統(tǒng)集成商就能使用環(huán)形緩沖技術(shù)“回放時(shí)間”和調(diào)查觸發(fā)前的事件。這項(xiàng)技術(shù)已在邏輯分析儀和示波器中運(yùn)用多年，IEEE 1588 使它能用于許多其它儀器和系統(tǒng)。自動(dòng)的數(shù)據(jù)時(shí)戳意味著控制器和應(yīng)用軟件不再需要跟蹤獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，簡化開發(fā)大型測試系統(tǒng)中這一繁瑣和易錯(cuò)的環(huán)節(jié)。許多航空航天系統(tǒng)有成百上千條控制和數(shù)據(jù)線，可通過分布式的檢測測試系統(tǒng)信號(hào)沿的暫停，從而去掉許多這樣的信號(hào)線。這就簡化了線纜和儀器至UUT的接口，縮短重配置時(shí)間，克服測試程序集，即通常稱為TPS的脆弱性。想象一臺(tái)有數(shù)千個(gè)傳感器的儀器，用它來監(jiān)視噴氣引擎的復(fù)雜激勵(lì) — 響應(yīng)通道?；蚩紤]在飛機(jī)機(jī)身上貼有數(shù)千應(yīng)變片的模態(tài)分析系統(tǒng)，在這些應(yīng)用中，嚴(yán)格的定時(shí)關(guān)系是保持相鄰點(diǎn)間相位關(guān)系的關(guān)鍵。使用時(shí)戳和并行執(zhí)行，數(shù)據(jù)翻譯和故障定位變得較為簡單，測試能更快速地執(zhí)行，許多困難的通道同步任務(wù)也變得易行。

測試和測量歷來用普遍存在的高精度10 MHz 基準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)調(diào)儀器，特別是用于要求嚴(yán)格定時(shí)同步的激勵(lì) — 響應(yīng)測量，IEEE 1588 目前還達(dá)不到這類應(yīng)用所需要的穩(wěn)定性，它提供的是對未來的承諾。與其類似，在電信應(yīng)用中，我們開始看到IEEE 1588 同步出現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備中，用它來代替或傳播GPS定時(shí)。我們預(yù)期未來的測試儀器將會(huì)用這一定時(shí)基準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜的解調(diào)或延遲傳播的測量及監(jiān)視，它也可優(yōu)化蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施中所用寬帶線性放大器的數(shù)字預(yù)失真算法。

LXI網(wǎng)絡(luò)接口和Ethernet連通能力促成高度分布的應(yīng)用。最吸引人的能力之一是對所需要地方的遠(yuǎn)程專業(yè)知識(shí)提供和支持。例如一位在芬蘭Salo 的工程師不離開家，就能與在中國的同事合作，在同一儀器屏幕上查找問題，或是監(jiān)視一個(gè)流程。這對于公司在不同地點(diǎn)溝通專業(yè)知識(shí)有深遠(yuǎn)的意義。

如前所述，LXI 的對等通信模型把測試程序與底層硬件資產(chǎn)相隔離，在系統(tǒng)增加新儀器時(shí)，它把測試設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)支持人員從繁瑣和昂貴的軟件調(diào)整中解放出來。這對于系統(tǒng)生命期一般達(dá)到數(shù)十年，其間必須更換硬件資產(chǎn)的宇航_ 國防這類工業(yè)部門帶來極為巨大的利益。

結(jié)論

2004年由測試和測量行業(yè)建立的LXI 聯(lián)盟的目標(biāo)是簡化測試集成和降低測試系統(tǒng)的成本，聯(lián)盟制定的規(guī)則和建議推動(dòng)一致性的、相互兼容的Ethernet 實(shí)現(xiàn)。通過利用Ethernet行業(yè)開發(fā)和用于它自身的技術(shù)，LXI為測試設(shè)計(jì)師提供前所未有的能力。

IEEE 1588 是LXI 的核心促成技術(shù)，它提供一個(gè)低價(jià)的網(wǎng)絡(luò)中心時(shí)基。通過規(guī)定如何將它用于測試和測量環(huán)境，在IEEE 1588規(guī)范上建立起LXI。它為測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要價(jià)值，雖然今天IEEE 1588 的速度和分辨率尚不能滿足最苛刻的測試應(yīng)用，但它仍能滿足許多應(yīng)用，并為未來提供令人振奮的可能性。