LXI 測試系統中IEEE 1588 的應用

摘要:

LXI 聯盟是主要測試和測量廠商的一個組織，負責開拓基于LAN通信和融合IEEE 1588的模塊化、分布式的儀器體系結構。

本文將概要說明與IEEE 1588 相關的LXI 規范，以及如何在基于LXI 測試和測量系統中用IEEE 1588 建立時基。

引言:

測試和測量行業于2004 年形成了LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)聯盟，聯盟致力于簡化測試系統的集成和降低與測試系統設計及維護相關的成本。通過高速Ethernet和IEEE 1588 這些成熟技術，行業規定了保證廠商間兼容性的規則和建議。利用Ethernet 行業的成熟技術，LXI 提供許多超過當前點對點和卡箱式解決方案的優點，以簡化集成和支持任務，降低成本，并提供新的使用模型和能力。

LXI聯盟得到測試和測量行業所有領先公司的大力支持。所提出的規范通過利用自動發現和尋址，網絡和資產管理和對等通信這些技術簡化系統集成，它的統一觸發模型和IEEE 1588應用使集成者能在許多應用中用軟件觸發代替電纜，從而簡化系統組裝，解決困難的同步任務，它也為系統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，當測試需要變化時能實現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LXI 也因不需要專門的電纜、插卡、主機而降低了成本。

LXI 綜述

LXI 聯盟綜合了近年來的多方發展成果。首先，研究報告表明我們測試和測量行業已經為基于LAN 儀器準備就緒。Ethernet 基礎設施是普遍存在的，其設備價格按測試和測量標準來看是很低的，測試工程師也越來越醉心這項技術。其次，高速LAN的廣泛適應性，它開放的IO接口符合測試和測量的需要。再次， IEEE 1588 把確定性的定時帶入網絡。最后，尋求更低測試系統支持成本的宇航/國防工業推動了合成儀器的發展。

在 LXI 聯盟之前，測試和測量行業依靠特殊的點對點IO，如GPIB 和MXI，或是卡箱式背板實現，如VXI 和PXI。由于它們均由TM行業開發，因此不能得到計算機行業的簡單使用方法，而且還需要昂貴的接口卡，電纜和主機。LXI 聯盟知道每天在Ethernet 上工作的工程師數量遠遠超過整個TM行業，我們完全可以利用他們的工作成果，得到復雜的對等和網絡管理能力，就像在計算機和外設上那樣。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，但大多數前期實現因反應時間、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IEEE 1588 和Gigabit Ethernet 這些關鍵促成技術，LXI把Ethernet提升到測試系統的核心地位。100 base T 和Gigabit Ethernet 的廣泛適應性突破了多數實際測試系統的速度瓶頸，而IEEE 1588給與Ethernet確定性的定時，從而能夠滿足測試和測量行業苛刻的定時要求。

LXI 聯盟

隨著LAN 的發展而成為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。但我們認為如果每家儀器公司都獨立建立各自的Ethernet 連接標準，來自不同廠商儀器能將很難實現相互之間的兼容。最好的情況是有一個各公司都支持的標準。應此，需要有一個行業聯盟來致力于標準的建立，也保證兼容性。安捷倫公司在2004 年提議，并成為LXI 聯盟的聯合創建者。聯盟最優先的任務是通過推薦統一的基于Ethernet的儀器標準，實現保證相互之間的兼容性。LXI聯盟宗旨在于顯著簡化系統集成者的工作、降低成本、提高產能，同時利用成熟的商業技術，而不是建立某些獨特技術。LXI標準實際上是推薦如何實現已存在的開放工業標準。

LXI 聯盟的主要目標是建立和采用基于LAN 的儀器規范，以保證跨廠商的相互兼容。LXI 聯盟已舉行過5 次全會，3 次專門會議和無數次的工作組會議。今天我們已有40 多位會員，代表所有主要TM供應商，此外還有許多用戶和系統集成商。我們的每一次全會上都有獨立的系統集成商或潛在用戶的會議，他們討論測試環境，以及對LXI 優缺點的評價。在宣布我們意向的12 個月后，就于9 月26 日頒布了最初的LXI 規范1.0 版。

LXI 觸發

LXI設備被定義為3種類型，按觸發能力的不同分為A類、B類和C類。C類是基本類，它沒有基于時間的觸發能力，A類和B 類設備融入IEEE 1588，它允許測試系統內的不同設備自主地執行復雜的事件序列，而無需系統控制器的干預。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 高速觸發總線。

LXI 規范的一個主要特點是統一的觸發模型，以及以同樣方式處理所有觸發源的API。通過定義LAN觸發和硬件觸發同一的程序調用，程序師就能用一套API 調用，并容易地在觸發類型間切換。例如如果用被命名為“Arb”的驅動程序編程一臺任意波形發生器，而程序員要把LXI 觸發總線2 作為觸發信號源，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，只需把命令變為: Arb.Trigger.Source = LAN2。LXI規范推薦LXI設備應能使用任何可行手段觸發任何可得動作，雖然并非所有情況時都能實現。如果一項測量可由傳統的硬件觸發線觸發，那么它也應可由LXI 觸發總線，或裝置支持的任何其它觸發輸入觸發。測試開發者可把裝置配置為接收相應觸發源，并接到所要采取的動作。

IEEE 1588基于時間觸發API 允許程序員在任何規定時間執行規定的動作，把“報警時鐘”設置為“行動”，從而能讓程序員和系統集成者以幾乎完美的方式執行復雜的測試序列。例如把一個數字化儀編程為在規定時間開始測量，1秒后結束，等待100 msec，再開始另一次測量。把同一測試系統中的接收設備編程為在數字化儀100 msec 工作暫停期間改變它的頻率。通過IEEE 1588 基時鐘同步，就能執行這樣的操作，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，必須了解如果系統內所有時鐘嚴格同步，就不存在反應時間。但真實世界中的時鐘同步并非完美; 時鐘精度僅為50-100 nsec，從而引入新類型的觸發不確定度 — 抖動。在IEEE 1588 時鐘同步算法調整系統時鐘時，某些引入的不確定度會掩蓋掉任何基于時間觸發的精度。工程師必須懂得反應時間和抖動的不同，使用最適合其應用的觸發類型。

有些應用對觸發抖動不敏感，或觸發抖動帶來的問題比反應時間輕。例如考慮雷達測試范圍的情況，此時儀器間的距離可能相當大。IEEE 1588 時鐘同步算法將把系統時鐘排齊，而無論這些儀器相距多遠。硬件觸發反應時間始終約為1 nsec/英尺。如果儀器相距甚遠，那么基于時間觸發的抖動將小于硬件信號的反應時間。這對于某些應用可能變成一種關鍵的促成技術。

源于IEEE 的基于時間的觸發并非適應所有測試應用的靈丹妙藥，它只是提供另一種觸發機制。基于時間的觸發要求事先排出儀器動作的時間表，但這并非永遠可行。例如基于時間的觸發不能用于響應異步事件，對于UUT引入的觸發事件也是很差的選擇。

通過在導線上發送電信號，LXI 支持基于LAN 的觸發，這很像是傳統的硬件觸發。當接收裝置收到信號時，就執行一個預先確定的行動。在許多應用中，基于LAN的觸發可去掉雜亂的觸發電纜，從而簡化系統集成和實現流程式的裝置升級。基于LAN觸發強于傳統的硬件觸發，因為它能攜帶硬件觸發不具備的時戳信息。LXI 儀器提供基于同步系統時鐘的時戳，給予系統集成者事件何時發生或協調多個事件發生的時間記錄。在實際應用中，它提出了一些重要的觸發模型，如環形數據捕獲緩沖器。此時可把一個LXI 裝置編程為捕獲環形緩沖器中的數據，就像邏輯分析儀所做的那樣。當LAN觸發到達時，數字化儀用包含在觸發中的時戳“回看”發生在觸發信號接收前的捕獲事件時間。這項觸發技術在過去大多數儀器中是不可能具備的。

IEEE 1588: 關鍵的促成技術

與測試系統集成商的討論證實， IEEE 1588 通過提供原來沒有的同步和時戳機制，能夠簡化集成工程師的任務。從歷史上看，集成工程是通過為系統硬件編寫專門的代碼，以編程方式補償延遲，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 IEEE 1588，我們相信市場需求會促使它成為測試和測量行業的一項主導產品。對于許多應用來說，系統開發者不再需要校準和修正觸發電纜延遲，并相信定時特性不會干擾脆弱的測試程序。

IEEE 1588 把時間概念帶入網絡，提供協調跨分布節點動作的機制。雖然IEEE 1588 定義了如何同步網絡上的時鐘，卻沒有說明如何施加這一同步。LXI通過定義如何在測試環境中進行而擴展了IEEE 1588 的基礎。LXI 聯盟定義了基于LAN和基于時間的觸發特性，對如何施加基于時間的觸發作了詳細的API 描述。一個統一的LXI 觸發模型允許測試程序員容易地在硬件、軟件和時間感應觸發間轉換，通過減少硬件和電纜簡化集成者的任務。

LXI 對等通信

IEEE 1588 和LXI 規范幫助啟用對等的或模塊 — 模塊的通信。在LXI 出現前，大多數測試和測量系統體系結構依賴使用中央控制器的主從配置。除承載較快觸發沿的基本觸發線外，它們沒有儀器至儀器的通信。每臺儀器直接與控制器通信，然后把命令發送到其它儀器。這種在行業內存在多年的方式不能利用分布式計算機體系結構的多種優點。高通道數系統或基于控制器的測量應用讓中央控制器承受很重的負擔，這就造成了處理瓶頸，而難以很好利用高帶寬IO，也達不到預期的性能級。有了LXI，儀器能實現獨立于控制器的相互通信。這就能簡化許多應用，如激勵 — 響應測量。LXI允許系統設計者下載可執行代碼，它由來自系統中的一臺或多臺其它儀器觸發，讓控制器處理數據，而不是執行控制任務。較少的系統管理得到系統響應更敏捷的結果。

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硬件脫鉤。每一LXI 裝置都知道自己的響應時間，這意味著它能事先把自己設置為執行命令或腳本，然后等待觸發。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，而不必了解是誰發送的命令，并過濾掉除所需命令外的其它內容。控制器和測試軟件不需要知道裝置的執行時間，也不必在任何事件前建造設置或延遲。我們現在擁有的系統允許裝置的行為彼此獨立或獨立于控制器，這樣，系統設計者和支持者在改變設備時就可不必改變任何測試代碼。其結果是測試程序與底層硬件脫鉤，實現了測試程序的透明性。

把LAN 和IEEE 1588 用于測試和測量應用

系統集成者發現IEEE 1558帶來許多優點。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，如可在某些應用中去掉觸發電纜，或是不需要校準和修正多條觸發電纜的延遲。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，使軟件維護更為容易。在典型測試系統中，軟件開發和維護的成本會低于硬件購置費。

IEEE 1588和LAN觸發能代替部分，但非全部觸發電纜。代替電纜的能力取決于測試系統的速度要求，而往往由被測裝置決定。某些測試系統，例如測量溫度、壓力或機械激勵的數據采集應用要求毫秒級或微秒級的分辨率，這正在今天IEEE 1588 的能力范圍內。而有嚴格時間要求的應用，例如高速雷達和一些無線應用這類射頻應用，以及示波器和邏輯分析儀的觸發，都要求達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 的觸發也不能很好適用于具有快速異步或設備感應觸發的應用。但這些應用也正是改進IEEE 1588 速度和分辨率的原動力。

用IEEE 1588提供時戳，儀器提供商和系統集成商就能使用環形緩沖技術“回放時間”和調查觸發前的事件。這項技術已在邏輯分析儀和示波器中運用多年，IEEE 1588 使它能用于許多其它儀器和系統。自動的數據時戳意味著控制器和應用軟件不再需要跟蹤獲取數據的時間，簡化開發大型測試系統中這一繁瑣和易錯的環節。許多航空航天系統有成百上千條控制和數據線，可通過分布式的檢測測試系統信號沿的暫停，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。想象一臺有數千個傳感器的儀器，用它來監視噴氣引擎的復雜激勵 — 響應通道。或考慮在飛機機身上貼有數千應變片的模態分析系統，在這些應用中，嚴格的定時關系是保持相鄰點間相位關系的關鍵。使用時戳和并行執行，數據翻譯和故障定位變得較為簡單，測試能更快速地執行，許多困難的通道同步任務也變得易行。

測試和測量歷來用普遍存在的高精度10 MHz 基準時鐘協調儀器，特別是用于要求嚴格定時同步的激勵 — 響應測量，IEEE 1588 目前還達不到這類應用所需要的穩定性，它提供的是對未來的承諾。與其類似，在電信應用中，我們開始看到IEEE 1588 同步出現在基礎設施設備中，用它來代替或傳播GPS定時。我們預期未來的測試儀器將會用這一定時基準進行復雜的解調或延遲傳播的測量及監視，它也可優化蜂窩基礎設施中所用寬帶線性放大器的數字預失真算法。

LXI網絡接口和Ethernet連通能力促成高度分布的應用。最吸引人的能力之一是對所需要地方的遠程專業知識提供和支持。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，或是監視一個流程。這對于公司在不同地點溝通專業知識有深遠的意義。

如前所述，LXI 的對等通信模型把測試程序與底層硬件資產相隔離，在系統增加新儀器時，它把測試設計師和系統支持人員從繁瑣和昂貴的軟件調整中解放出來。這對于系統生命期一般達到數十年，其間必須更換硬件資產的宇航_ 國防這類工業部門帶來極為巨大的利益。

結論

2004年由測試和測量行業建立的LXI 聯盟的目標是簡化測試集成和降低測試系統的成本，聯盟制定的規則和建議推動一致性的、相互兼容的Ethernet 實現。通過利用Ethernet行業開發和用于它自身的技術，LXI為測試設計師提供前所未有的能力。

IEEE 1588 是LXI 的核心促成技術，它提供一個低價的網絡中心時基。通過規定如何將它用于測試和測量環境，在IEEE 1588規范上建立起LXI。它為測試系統設計提供了重要價值，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用，但它仍能滿足許多應用，并為未來提供令人振奮的可能性。