IEEE 1588之量测应用－LXI标准定义的规范

LXI采用IEEE 1588和Gigabit乙太网路等重要促成技术，可降低量测成本并简化系统整合。本文将重点介绍LXI规格中与IEEE 1588相关的部份，以及如何在采用LXI架构的量测系统中使用IEEE 1588所建立的时基。
LXI缘起
量测业界在2004年成立了LXI（LAN eXtensions for Instrumentation）联盟，目的是要简化测试系统整合的工作，以及降低测试系统设计与维护的相关成本。LXI标准系架构在高速乙太网路和IEEE 1588的促成技术上，藉由制订一些准则和建议来确保不同厂商间的仪器可以相容互运。LXI充分利用了乙太网路产业发展出来的技术，相较于既有的点对点和卡槽箱式架构，能提供多项优点，以简化系统整合与支援的工作、降低成本、以及提供新的使用模式和能力。

LXI联盟已获得量测产业中领导厂商的大力支援，所提出的规格善用了自动发现与定址、网路和资产管理、以及点对点通信等技术，可以简化系统整合的工作。LXI採统一的触发模式并使用IEEE 1588标准，在许多的应用中，都能让系统整合者以软件触发的方式取代接线，有助于简化系统的组装、消除困难度高的同步作业、以及提供系统建构人员前所未有的选项。LXI也是合成式仪器的理想平台，这种仪器的尺寸较小巧，当测试需求改变的时候，很容易重新配置，而且硬件和软件之间也能相互独立。最后，由于LXI采用普遍使用的乙太网路技术，不需要用到特殊的缆线、介面卡和主机，因此也可以降低成本。
LXI简介
根据一项研究结果显示，量测产业已经可以接受采用LAN技术的仪器了，乙太网路的基础建设已经非常普及，特别是与量测的标准比起来，网路设备的成本确实低廉许多，而且测试工程师也愈来愈习惯这项技术。其次，高速的LAN已无所不在，可以承载足以满足量测需求的IO通讯管道。第三，IEEE 1588标准可以让确定性的时序（Deterministic Timing）在网路上运行。第四个相关的因素则是合成式仪器的发展，这种仪器主要是由航太/国防产业所推动的，目的是要寻求更低的测试系统支援成本。

在LXI联盟成立之前，量测产业均仰赖特殊的点对点IO，如GPIB和MXI，或是卡槽箱式的背板架构，如VXI和PXI。这些都是量测产业自行发展出来的，完全没有应用电脑业界开发出的强大工程技术，因此依循的是相当简单的使用模式，且需仰赖昂贵的介面卡、缆线和主机。LXI联盟认为，既然每天从事乙太网路技术研发的工程师总数比整个量测产业的工程师人数还要多，何不运用这些已经发展得很完善的技术，直接拥有与电脑和周边装置一样先进的点对点通信及网路管理能力。乙太网路既普及又便宜，也不需要使用任何特殊的介面卡，因为目前大部分新的电脑都已经内建LAN介面了。乙太网路也可以支援任何一种媒介 － 铜导线、光纤玻璃、无线传输等，且其频宽是对称的，因此您不需要像使用USB一样，考虑装置是主控端或是受控端。

客户对早期推出、可支援乙太网路的仪器接受度相当高，但是大部分先前推出的产品因延迟时间的不确定性、速度、以及非确定的时序等因素的限制，仅能做为配角而已。LXI采用IEEE 1588和Gigabit乙太网路等重要的促成技术，将乙太网路提升为测试系统与设备架构的核心角色。100 base-T和Gigabit乙太网路的普及为大部分实际的测试系统打通了速度上的瓶颈，而IEEE 1588则可以为乙太网路提供确定性的时序，能达到量测业界要求的严苛同步标准。
LXI联盟
随着LAN演进为可以取代GPIB和MXI，几家量测公司也开始使用LAN或考虑使用LAN做为主要的互连技术。我们意识到如果让每家公司各自设计自己的乙太网路机制的话，要让不同厂商做出来的仪器相容互通的机率可能相当低，最佳的状况是可能会有很多人打电话进来，塞爆技术支援专线，但更可能发生的状况是，不良的使用经验会阻碍测试产业继续使用乙太网路做为重要的介面标准。我们瞭解真要转移为乙太网路，必须透过产业联盟的努力才可能成功，也就是需要一个独立的产业组织，致力于确保互通性和推广标准的采用。有鉴于此，我们提出并共同成立了LXI联盟，此联盟的第一优先任务是提出一套一致的乙太网路实作建议，以确保各产品能相容互通。LXI联盟体认到如果无法大幅简化系统整合者的工作、降低成本、以及提高生产力的话，这个联盟可能也不会成功，同时LXI联盟也认为必须充分运用既有的商用技术，而不是重新设计一些独特的技术，以免重蹈覆辙，因此，LXI标准实际上是提供如何应用既有的开放式工业标准的建议。

LXI联盟的主要目标是设计和采用以LAN为基础的规格，以确保不同供应商做出来的仪器能相容互通。在成立后的第一年内，LXI联盟举行过五次全员出席的会议、两次相容性测试大会（plug-fest）、以及无数次的工作小组会议，我们也在2005年11月举行了第三次的相容性测试大会与开放会议。目前我们有40个会员，代表了量测产业所有主要的厂商，也有许多使用者和系统整合者参与。我们每一次的全员出席会议都有独立的系统整合者或潜在使用者的专题场次，以讨论其测试环境以及他们喜欢与不喜欢LXI的地方。我们在宣布成立的12个月后，也就是2005年9月26日，发表了第一版的LXI规格Release 1.0。
LXI触发
LXI仪器提供了三种功能类别的定义，分别标定为类别 A、B和C，其差异点在于触发的能力。类别C是基础的类别，不具有以时间为基准的触发能力，而LXI类别A和类别 B的仪器则采用IEEE 1588标准，可以让测试系统中的不同设备独立自主地执行复杂的事件序列，完全不需系统控制器的介入。类别B将IEEE 1588加入基础的类别中，而类别A则除了IEEE 1588之外，还多加了一个8通道的LVDS高速触发汇流排。

LXI规格的主要特色是采用统一的触发模式和API，它会一视同仁地看待所有的触发源。在LAN触发与硬件触发间定义出完全相同的程序呼叫方式，可以让程式设计人员使用单一套API呼叫功能，并轻易地切换不同的触发类型。举例来说，如果使用一个名为‘Arb’的驱动程式来设定一部任意波形产生器，当程式设计人员想要使用LXI触发汇流排的第二号线做为触发信号的来源时，这一行程式的写法为：Arb.Trigger.Source = “LXI2，如果他想要切换为使用相同的ID，但透过LAN来触发的话，只要将命令改为：Arb.Trigger.Source = “LAN2”就可以了。LXI的规格建议LXI仪器应该要能透过任何可用的方法，触发执行任何可进行的动作，不过，这样的建议并非所有的状况下都是实际可行的。如果某项量测可以透过传统的硬件触发线来触发的话，那么它应该也能透过LAN、或LXI触发汇流排、或该仪器支援的任何其它触发输入方式来进行触发。测试开发人员可以设定该仪器接受合适的触发源，并将触发源绕接到想要执行的动作上。

依循IEEE 1588同步标准的时间触发API可以让程式设计人员指定一个动作，并设定一个“闹钟”，在任何指定的时间到了的时候执行该动作，如此一来，程式设计人员和系统整合人员就能以近乎完美的一致程度，执行各种复杂的测试序列。举例来说，可以设定数字转换器（digitizer）在指定的时间开始执行量测，并在1秒钟后停止量测，然后等待100 msec，之后再开始执行其它量测，工程师可以设定同一测试系统中的接收器在数字转换器暂停等待的100 msec期间，改变其频率。透过IEEE 1588提供的时钟同步能力，这些动作都可以用近乎完美的时序来执行，而且仪器或控制器之间只要透过LAN来连接就可以了。

需要瞭解的一点是，如果系统内所有的时钟都完美地相互同步的话，采用以时间为基准（time-based）的触发方式就没有所谓的时间延迟（latency）了。虽然如此，在真实的世界中，时钟同步无法做到完美，时钟的准确度只能达到50-100 nsec而已，因此会导致一种新的触发不确定度产生，也就是抖动。当IEEE 1588的时钟同步演算法调整系统的时钟时，会带来一些不确定度而遮盖掉所有time-based触发的精确度。工程师必须要瞭解延迟与抖动之间的差异，并使用最适合其应用的触发类型。

有些应用对触发抖动较不敏感，或是觉得触发抖动的问题比延迟来得小。举雷达测试范围的例子来说，仪器之间的距离可能相当远，但不论仪器之间相隔多远，IEEE 1588时钟同步演算法都会将所有的系统时钟对准。硬件触发延迟大约为每英呎1 nsec，如果仪器距离很远的话，那么以时间为基准的触发抖动就会比硬件信号的延迟来得小。对某些应用而言，这有可能成为关键的促成技术。

IEEE带来的time-based触发并非所有测试应用的万灵丹，这也是我们还需要寻求其它触发机制的动机。以时间为基准的触发必须要事先排定仪器的动作，但这一点不一定都切合实际，举例来说，以时间为基准的触发无法用来反应非同步的事件，而且对UUT引发的触发事件来说，也不是很好的选择。

LXI支援LAN-based的触发，其运作方式是透过缆线送出一个电子信号，很像是传统的硬件触发方式。当接收装置收到该信号的时候，就会执行一个事先决定好的动作。在许多的应用中，透过LAN进行触发可以免除杂乱的触发接线，能简化系统整合及设备升级的作业。透过LAN进行触发可以超越传统的硬件触发，因为它可以携带时间戳记资讯，而硬件触发则不能。LXI仪器会依据经过同步的系统时钟来提供时间戳记，可以提供系统整合人员事件何时发生的时间记录，或当有多个事件发生时，用以协调各项工作的进行。在实用的层级上，这样的机制可以实做出一些重要的触发模式，例如循环式资料撷取缓冲区，在此情况下，可以设定LXI仪器到一个循环式缓冲区内撷取资料，就像逻辑分析仪一样。当LAN触发事件到达的时候，数字转换器就可以利用含在触发事件中的时间戳记，回到过去的时间来撷取触发信号收到之前就已经发生的事件。这种触发方法在过去大部分的仪器中都不可能办到。
IEEE 1588：关键的促成技术
与测试系统整合人员讨论的结果让LXI成员更加确信：IEEE 1588提供之前所未有的同步与时间戳记机制可以简化整合人员的工作。过去，整合人员需利用自行开发的程式码，透过程式来补偿系统硬件的延迟，但是每当硬件被换掉或缆线长度有变动的时候，原先的程式码就不再合用，需要付出高昂的除错和重新设计成本。随着整合人员对IEEE 1588的熟悉度愈来愈高，我们相信市场的需求自然会使它成为量测产业的主力标准。在许多的应用中，系统设计人员已不需要再针对触发缆线的延迟进行校准和修正，而且整合人员也可以任意地更换仪器 － 脆弱的测试程式再也不会因时序特性而无法执行。

IEEE 1588将时间的概念带到网路中，提供了可以横跨分散式节点协调各自动作的机制。不过，IEEE 1588只定义如何将网路上的各个时钟加以同步，却没有提到应该如何应用这种同步机制，LXI则进一步将IEEE 1588的基础加以延伸，定义了在测试环境中该如何加以运用的问题。LXI联盟制订了透过LAN进行和以时间为基准的触发功能，并设计出细部的API，清楚地描述要如何运用以时间为基准的触发。统一的LXI触发模式可以让测试程式设计人员轻易地切换使用不同的硬件、软件、以及由时间引发的各种触发，并藉由减少硬件与接线的工作，简化系统整合的作业。
LXI的点对点通信
IEEE 1588加上LXI的规格可进行点对点或模组对模组的通信。在LXI出现之前，大部分的量测系统都是仰赖使用中央控制器的主从式架构，在此架构下，除了有一些基本的触发线之外（仅能用来传递触发信号缘而已），就没有其它仪器对仪器之间的通信了，每一部仪器都需直接与控制器进行通信，再由控制器将命令送到其它仪器上。虽然这样的架构在产业中已成功地运作了很多年，但却无法充分利用分散式运算架构的优点。含有高频道数的系统或是以控制器为主的量测应用很容易造成中央控制器极大的负担，形成处理速度的瓶颈，使得高频宽的IO发挥不了作用，并将可以实现的效能降到低于预期的水准。透过LXI，仪器可以直接与其它仪器进行通信，不需要透过控制器，如此一来，就可以简化诸如激发-响应量测等应用。当收到来自系统内的一部或多部其它仪器的触发信息时，LXI可以让系统设计人员命令系统下载可执行的程式码，控制器不必再处理控制信息后，可以更专心处理资料，如此一来，系统管理的作业变少了，系统的反应就会变得更快速。

LXI透过IEEE 1588进行点对点通信最有意思的部份或许是可以将测试软件和系统硬件分开。每一部LXI仪器都会知道自己的反应时间，表示说LXI仪器可以事先将自己设定好以执行命令或程式，然后再等待触发事件。一部仪器可以透过群播（multicast）的方式送出命令，不需要先知道有哪些仪器正在聆听，同样地，一部仪器也可以在不知道是谁送出命令的情况下，聆听网路上传来的命令，并将所有无关的命令滤除掉，只处理自己需要处理的命令。控制器和测试软件不需要知道任何有关仪器执行时间的资讯，也不需要内建任何事件发生前的设定或延迟时间。如此一来，就可以建构出一套可让各个仪器独立运作，不需仰赖控制器处理的系统，也可以让系统设计和支援人员视需要更换仪器，而不必修改任何测试程式。将测试程式与赖以执行的硬件分离开来的结果就是测试程式更容易移转使用。
LAN和IEEE 1588在量测上的应用
系统整合者发现IEEE 1588可以带来多项独特的优点，有些很明显，很容易想得到，例如可以克服很远的距离进行同步，天线测试范围的应用就是一例。有些优点则比较无法直接想得到，例如，在许多应用中都可以不必再使用实体的触发缆线，或是不必再校准和修正多条触发缆线的延迟等。这些都可以简化程式设计人员的工作，并且让软件的维护工作变得更容易，因为更换硬件丝毫不会造成测试程式无法执行。在典型的测试系统中，软件的开发和维护成本往往会远高于硬件购置的成本。

IEEE 1588加上LAN的触发能力可以取代一些触发缆线，但也无法完全取代，能否取代缆线需取决于测试系统的速度要求，这一点往往是由待测品来决定的。有些测试系统（如量测温度、压力、或机械刺激等物理的资料搜集应用）需要毫秒或微秒的解析度，还在目前的IEEE 1588所能应付的范围内。但在RF的应用（如高速雷达）和一些无线通信的应用，以及示波器与逻辑分析仪的触发中，常常会出现时间极为关键的应用，需要奈秒和次奈秒级的解析度，是目前的IEEE 1588无法提供的。其它含快速非同步事件或由DUT引发的触发也不太适合使用IEEE 1588的触发机制，诸如这些应用正是我们需要进一步提升IEEE 1588的速度和解析度的动机。

使用IEEE 1588来提供时间戳记可让仪器供应商和系统整合者利用循环式缓冲区技术，”回到过去的时间”，搜寻是否有合乎触发条件的事件。这种技术在逻辑分析仪和示波器中已经使用了很多年，而IEEE 1588则让许多其它的仪器和系统也可以运用这项技术。能够自动为资料加上时间戳记意味着控制器和应用软体不需要再追踪资料是什么时候撷取到的，可以简化开发大型测试系统时最乏味、也最脆弱的其中一个部份。许多航太用的系统常常会有数百条或数千条控制和资料线，当中有许多都可以透过将时间分散到测试系统的各个部份而免除掉，如此一来，就可以简化缆线架接和仪器到UUT之间的介面需求、缩短重新配置所需的时间、以及消除测试程式组（一般称为TPS）中一些比较脆弱的部份。想像为一具喷射机引擎架设仪器，需要用到数千个感应器来监测复杂的激发和响应频道，或试想一个需要在机身上放置数千个应变规（strain gage）的模态分析系统，在这样的应用中，严谨的时序相互关联对于维持邻近点的相位关系非常重要。运用时间戳记与平行执行的能力，资料的解译与错误树的建构会变得容易许多，而且测试的执行速度会比较快，许多困难的频道同步工作也会变得相当简单。

长久以来，量测都是仰赖普遍使用的10 MHz高精确参考时脉来协调各个仪器，特别是需要进行非常严格的时序同步的激发-响应量测。虽然IEEE 1588目前还无法提供这种应用所需的稳定度，但未来肯定有机会可以提供。同样地，在电信的应用中，我们已经开始看见IEEE 1588的同步能力出现在基础架构的设备中，用以取代或是传递GPS的时序。未来，我们预期测试仪器会需要这种时序参考机制来进行复杂的解调或到处存在着延迟的量测，或是监测和最佳化移动通信基础设备中使用之宽频线性放大器上的数字预失真（predistortion）演算法。

LXI的网页介面和乙太网路连线能力可支援分散得很远的应用，其中一项最吸引人的特色是能够在需要的地方由远端的专家进行遥控。举例来说，位在芬兰Salo的工程师可以与位在中国的同事一起合作，检视同一个仪器画面以找出问题所在，或是不需要离开家里，也可以监测某个执行程序。当一家公司在不同的地点有不同的专家，需要将其各自的专业匯集起来的时候，这样的能力相当有帮助。

最后，如前面所述，LXI的点对点通信模式可以将测试程式与赖以执行的硬件资产分开来，让测试设计人员和系统支援工程师需要将一部新仪器加入系统中的时候，不需要再进行冗长乏味且成本又高的软件修改工作，这对于航太/国防等产业来说具有极大的优点，因为这些产业的系统使用期限往往长达数十年，其间，必须汰换一些硬件资产。
结语
为了简化测试整合的工作以及降低测试系统的成本，量测业界于2004年成立LXI联盟，负责订定准则与建议，推动一致且能相容互通的乙太网路实做标准。目前，有好几家测试仪器制造商（包括安捷伦科技、VXI Technologies、Pickering Interfaces及Elgar Electronics）都已经陆续推出LXI产品，还有许多其它的厂商也正在积极地发展LXI产品。符合LXI标准的产品也于2005年11月29日举行的LXI plugfest相容性测试大会之后陆续发表。LXI可提供前所未有的能力，让测试设计人员充分运用乙太网路产业已经发展出来的顶尖技术。

IEEE 1588是LXI的核心促成技术，可提供以网路为中心的低成本时基。LXI是一套建构在IEEE 1588规格上的标准，提出了如何在不同的量测状况下应用该规格的定义，对测试系统的设计来说极具价值。虽然目前IEEE 1588的速度和解析度还不足以因应最严格的测试应用之需，但还是能满足许多应用的需求，且日后肯定能提供更多令人期待的可能性。