LXI測試系統(tǒng)中IEEE1588 的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯LXI測試系統(tǒng)中IEEE1588的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用本文將概要說明與IEEE1588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IEEE1588建立時基。

引言：

測試和測量行業(yè)于2022年形成了LXI（LANeXtensionsforInstrumentation）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)計及維護(hù)相關(guān)的成本。通過高速Ethernet和IEEE1588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)前點對點和卡箱式解決方案的優(yōu)點，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)所有公司的大力支持。所提出的規(guī)范通過利用自動發(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IEEE1588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，當(dāng)測試需要變化時能實現(xiàn)較小占用面積和易于重新配置，以及硬件-軟件獨立。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，IEEE1588把確定性的定時帶入網(wǎng)絡(luò)。，尋求更低測試系統(tǒng)支持成本的宇航/國防工業(yè)推動了合成儀器的發(fā)展。

在LXI聯(lián)盟之前，測試和測量行業(yè)依靠特殊的點對點IO,如GPIB和MXI,或是卡箱式背板實現(xiàn)，如I和PXI.由于它們均由TM行業(yè)開發(fā)，因此不能得到計算機(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TM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，就像在計算機(jī)和外設(shè)上那樣。Ethernet是到處都有而且價格低廉；由于今天售出的計算機(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)前期實現(xiàn)因反應(yīng)時間、速度和非確定性定時的不確定性而遇到支持方面的問題。通過IEEE1588和GigabitEthernet這些關(guān)鍵促成技術(shù)，LXI把Ethernet提升到測試系統(tǒng)的地位。100baseT和GigabitEthernet的廣泛適應(yīng)性突破了多數(shù)實際測試系統(tǒng)的速度瓶頸，而IEEE1588給與Ethernet確定性的定時，從而能夠滿足測試和測量行業(yè)苛刻的定時要求。

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現(xiàn)相互之間的兼容。的情況是有一個各公司都支持的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)此，需要有一個行業(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2022年提議，并成為LXI聯(lián)盟的聯(lián)合創(chuàng)建者。聯(lián)盟先的任務(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，同時利用成熟的商業(yè)技術(shù)，而不是建立某些獨特技術(shù)。LXI標(biāo)準(zhǔn)實際上是推薦如何實現(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，3次專門會議和無數(shù)次的工作組會議。今天我們已有40多位會員，代表所有主要TM供應(yīng)商，此外還有許多用戶和系統(tǒng)集成商。我們的每全會上都有獨立的系統(tǒng)集成商或潛在用戶的會議，他們討論測試環(huán)境，以及對LXI優(yōu)缺點的評價。在宣布我們意向的12個月后，就于9月26日頒布了初的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，它沒有基于時間的觸發(fā)能力，A類和B類設(shè)備融入IEEE1588,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IEEE1588,A類除增加IEEE1588外，還加上8路的LVDS高速觸發(fā)總線。

LXI規(guī)范的一個主要特點是統(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)動程序編程一臺任意波形發(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)椋篈rb.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)任何可得動作，雖然并非所有情況時都能實現(xiàn)。如果一項測量可由傳統(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作。

IEEE1588基于時間觸發(fā)API允許程序員在任何規(guī)定時間執(zhí)行規(guī)定的動作，把“報警時鐘”設(shè)置為“行動”,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。例如把一個數(shù)字化儀編程為在規(guī)定時間開始測量，1秒后結(jié)束，等待100msec,再開始另測量。把同一測試系統(tǒng)中的接收設(shè)備編程為在數(shù)字化儀100msec工作暫停期間改變它的頻率。通過IEEE1588基時鐘同步，就能執(zhí)行這樣的操作，得到近乎完美的定時，而不需要儀器與LAN之外的其它控制器連接。

對于基于時間的觸發(fā)，必須了解如果系統(tǒng)內(nèi)所有時鐘嚴(yán)格同步，就不存在反應(yīng)時間。但真實世界中的時鐘同步并非完美；時鐘精度僅為50-100nsec,從而引入新類型的觸發(fā)不確定度-抖動。在IEEE1588時鐘同步算法調(diào)整系統(tǒng)時鐘時，某些引入的不確定度會掩蓋掉任何基于時間觸發(fā)的精度。工程師必須懂得反應(yīng)時間和抖動的不同，使用適合其應(yīng)用的觸發(fā)類型。

有些應(yīng)用對觸發(fā)抖動不敏感，或觸發(fā)抖動帶來的問題比反應(yīng)時間輕。例如考慮雷達(dá)測試范圍的情況，此時儀器間的距離可能相當(dāng)大。IEEE1588時鐘同步算法將把系統(tǒng)時鐘排齊，而無論這些儀器相距多遠(yuǎn)。硬件觸發(fā)反應(yīng)時間始終約為1nsec/英尺。如果儀器相距甚遠(yuǎn)，那么基于時間觸發(fā)的抖動將小于硬件信號的反應(yīng)時間。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?；跁r間的觸發(fā)要求事先排出儀器動作的時間表，但這并非永遠(yuǎn)可行。例如基于時間的觸發(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，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)接收裝置收到信號時，就執(zhí)行一個預(yù)先確定的行動。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)集成和實現(xiàn)流程式的裝置升級?；贚AN觸發(fā)強(qiáng)于傳統(tǒng)的硬件觸發(fā)，因為它能攜帶硬件觸發(fā)不具備的時戳信息。LXI儀器提供基于同步系統(tǒng)時鐘的時戳，給予系統(tǒng)集成者事件何時發(fā)生或協(xié)調(diào)多個事件發(fā)生的時間記錄。在實際應(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。此時可把一個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，數(shù)字化儀用包含在觸發(fā)中的時戳“回看”發(fā)生在觸發(fā)信號接收前的捕獲事件時間。這項觸發(fā)技術(shù)在過去大多數(shù)儀器中是不可能具備的。

IEEE1588:關(guān)鍵的促成技術(shù)

與測試系統(tǒng)集成商的討論證實，IEEE1588通過提供原來沒有的同步和時戳機(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，原來的代碼就失去作用，而需要投入昂貴的查錯和返工費用。隨著集成者越來越熟悉IEEE1588,我們相信市場需求會促使它成為測試和測量行業(yè)的一項主導(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，并相信定時特性不會干擾脆弱的測試程序。

IEEE1588把時間概念帶入網(wǎng)絡(luò)，提供協(xié)調(diào)跨分布節(jié)點動作的機(jī)制。雖然IEEE1588定義了如何同步網(wǎng)絡(luò)上的時鐘，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IEEE1588的基礎(chǔ)。LXI聯(lián)盟定義了基于LAN和基于時間的觸發(fā)特性，對如何施加基于時間的觸發(fā)作了詳細(xì)的API描述。一個統(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

IEEE1588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算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的多種優(yōu)點。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。有了LXI,儀器能實現(xiàn)獨立于控制器的相互通信。這就能簡化許多應(yīng)用，如激勵-響應(yīng)測量。LXI允許系統(tǒng)設(shè)計者可執(zhí)行代碼，它由來自系統(tǒng)中的一臺或多臺其它儀器觸發(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LXIIEEE1588啟用的對等通信帶來的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立或獨立于控制器，這樣，系統(tǒng)設(shè)計者和支持者在改變設(shè)備時就可不必改變?nèi)魏螠y試代碼。其結(jié)果是測試程序與底層硬件脫鉤，實現(xiàn)了測試程序的透明性。

把LAN和IEEE1588用于測試和測量應(yīng)用

系統(tǒng)集成者發(fā)現(xiàn)IEEE1558帶來許多優(yōu)點。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)的成本會低于硬件購置費。

IEEE1588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)械激勵的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用要求毫秒級或微秒級的分辨率，這正在今天IEEE1588的能力范圍內(nèi)。而有嚴(yán)格時間要求的應(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IEEE1588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)IEEE1588速度和分辨率的原動力。

用IEEE1588提供時戳，儀器提供商和系統(tǒng)集成商就能使用環(huán)形緩沖技術(shù)“回放時間”和調(diào)查觸發(fā)前的事件。這項技術(shù)已在邏輯分析儀和示波器中運(yùn)用多年，IEEE1588使它能用于許多其它儀器和系統(tǒng)。自動的數(shù)據(jù)時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)的時間，簡化開發(fā)大型測試系統(tǒng)中這一繁瑣和易錯的環(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)信號沿的暫停，從而去掉許多這樣的信號線。這就簡化了線纜和儀器至UUT的接口，縮短重配置時間，克服測試程序集，即通常稱為TPS的脆弱性。想象一臺有數(shù)千個傳感器的儀器，用它來監(jiān)視噴氣引擎的復(fù)雜激勵-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)格的定時關(guān)系是保持相鄰點間相位關(guān)系的關(guān)鍵。使用時戳和并行執(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10MHz基準(zhǔn)時鐘協(xié)調(diào)儀器，特別是用于要求嚴(yán)格定時同步的激勵-響應(yīng)測量，IEEE1588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IEEE1588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