LXI 测试系统中IEEE 1588 的应用

摘要:
　　LXI 联盟是主要测试和测量厂商的一个组织，负责开拓基于LAN通信和融合IEEE 1588的模块化、分布式的仪器体系结构。
　　本文将概要说明与IEEE 1588 相关的LXI 规范，以及如何在基于LXI 测试和测量系统中用IEEE 1588 建立时基。
引言:
　　测试和测量行业于2004 年形成了LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)联盟，联盟致力于简化测试系统的集成和降低与测试系统设计及维护相关的成本。通过高速Ethernet和IEEE 1588 这些成熟技术，行业规定了保证厂商间兼容性的规则和建议。利用Ethernet 行业的成熟技术，LXI 提供许多超过当前点对点和卡箱式解决方案的优点，以简化集成和支持任务，降低成本，并提供新的使用模型和能力。
　　LXI联盟得到测试和测量行业所有领先公司的大力支持。所提出的规范通过利用自动发现和寻址，网络和资产管理和对等通信这些技术简化系统集成，它的统一触发模型和IEEE 1588应用使集成者能在许多应用中用软件触发代替电缆，从而简化系统组装，解决困难的同步任务，它也为系统建造者提供以前没有的选择方案。LXI 还为合成仪器提供理想平台，当测试需要变化时能实现较小占用面积和易于重新配置，以及硬件 — 软件独立。由于接纳了普遍存在的Ethernet 技术LXI 也因不需要专门的电缆、插卡、主机而降低了成本。
LXI 综述
　　LXI 联盟综合了近年来的多方发展成果。首先，研究报告表明我们测试和测量行业已经为基于LAN 仪器准备就绪。Ethernet 基础设施是普遍存在的，其设备价格按测试和测量标准来看是很低的，测试工程师也越来越醉心这项技术。其次，高速LAN的广泛适应性，它开放的IO接口符合测试和测量的需要。再次， IEEE 1588 把确定性的定时带入网络。最后，寻求更低测试系统支持成本的宇航/国防工业推动了合成仪器的发展。
　　在 LXI 联盟之前，测试和测量行业依靠特殊的点对点IO，如GPIB 和MXI，或是卡箱式背板实现，如VXI 和PXI。由于它们均由T&M行业开发，因此不能得到计算机行业的简单使用方法，而且还需要昂贵的接口卡，电缆和主机。LXI 联盟知道每天在Ethernet 上工作的工程师数量远远超过整个T&M行业，我们完全可以利用他们的工作成果，得到复杂的对等和网络管理能力，就像在计算机和外设上那样。Ethernet是到处都有而且价格低廉; 由于今天售出的计算机上都配有LAN 适配器，用户不需要专门的接口卡。Ethernet 支持多种传输媒介 — 铜缆、光纤、无线 — 它也是对称的，因此您不必像USB 那样担心是主装置还是从装置。
　　早期的Ethernet 使能仪器已很好地被客户接受，但大多数前期实现因反应时间、速度和非确定性定时的不确定性而遇到支持方面的问题。通过IEEE 1588 和Gigabit Ethernet 这些关键促成技术，LXI把Ethernet提升到测试系统的核心地位。100 base T 和Gigabit Ethernet 的广泛适应性突破了多数实际测试系统的速度瓶颈，而IEEE 1588给与Ethernet确定性的定时，从而能够满足测试和测量行业苛刻的定时要求。
LXI 联盟
　　随着LAN 的发展而成为GPIB 和MXI 的可行替代方案，一些测试和测量公司开始使用LAN，并把它看作是主要的互连。但我们认为如果每家仪器公司都独立建立各自的Ethernet 连接标准，来自不同厂商仪器能将很难实现相互之间的兼容。最好的情况是有一个各公司都支持的标准。应此，需要有一个行业联盟来致力于标准的建立，也保证兼容性。安捷伦公司在2004 年提议，并成为LXI 联盟的联合创建者。联盟最优先的任务是通过推荐统一的基于Ethernet的仪器标准，实现保证相互之间的兼容性。LXI联盟宗旨在于显著简化系统集成者的工作、降低成本、提高产能，同时利用成熟的商业技术，而不是建立某些独特技术。LXI标准实际上是推荐如何实现已存在的开放工业标准。
　　LXI 联盟的主要目标是建立和采用基于LAN 的仪器规范，以保证跨厂商的相互兼容。LXI 联盟已举行过5 次全会，3 次专门会议和无数次的工作组会议。今天我们已有40 多位会员，代表所有主要T&M供应商，此外还有许多用户和系统集成商。我们的每一次全会上都有独立的系统集成商或潜在用户的会议，他们讨论测试环境，以及对LXI 优缺点的评价。在宣布我们意向的12 个月后，就于9 月26 日颁布了最初的LXI 规范1.0 版。
LXI 触发
　　LXI设备被定义为3种类型，按触发能力的不同分为A类、B类和C类。C类是基本类，它没有基于时间的触发能力，A类和B 类设备融入IEEE 1588，它允许测试系统内的不同设备自主地执行复杂的事件序列，而无需系统控制器的干预。B类在C 类上增加IEEE 1588，A 类除增加IEEE 1588 外，还加上8 路的LVDS 高速触发总线。
　　LXI 规范的一个主要特点是统一的触发模型，以及以同样方式处理所有触发源的API。通过定义LAN触发和硬件触发同一的程序调用，程序师就能用一套API 调用，并容易地在触发类型间切换。例如如果用被命名为“Arb”的驱动程序编程一台任意波形发生器，而程序员要把LXI 触发总线2 作为触发信号源，这一行代码就可写为: Arb.Trigger.Source ="LXI2"，而如果他希望切换到使用相同ID 的LAN触发，只需把命令变为: Arb.Trigger.Source = "LAN2"。LXI规范推荐LXI设备应能使用任何可行手段触发任何可得动作，虽然并非所有情况时都能实现。如果一项测量可由传统的硬件触发线触发，那么它也应可由LXI 触发总线，或装置支持的任何其它触发输入触发。测试开发者可把装置配置为接收相应触发源，并接到所要采取的动作。
　　IEEE 1588基于时间触发API 允许程序员在任何规定时间执行规定的动作，把“报警时钟”设置为“行动”，从而能让程序员和系统集成者以几乎完美的方式执行复杂的测试序列。例如把一个数字化仪编程为在规定时间开始测量，1秒后结束，等待100 msec，再开始另一次测量。把同一测试系统中的接收设备编程为在数字化仪100 msec 工作暂停期间改变它的频率。通过IEEE 1588 基时钟同步，就能执行这样的操作，得到近乎完美的定时，而不需要仪器与LAN之外的其它控制器连接。
　　对于基于时间的触发，必须了解如果系统内所有时钟严格同步，就不存在反应时间。但真实世界中的时钟同步并非完美; 时钟精度仅为50-100 nsec，从而引入新类型的触发不确定度 — 抖动。在IEEE 1588 时钟同步算法调整系统时钟时，某些引入的不确定度会掩盖掉任何基于时间触发的精度。工程师必须懂得反应时间和抖动的不同，使用最适合其应用的触发类型。
　　有些应用对触发抖动不敏感，或触发抖动带来的问题比反应时间轻。例如考虑雷达测试范围的情况，此时仪器间的距离可能相当大。IEEE 1588 时钟同步算法将把系统时钟排齐，而无论这些仪器相距多远。硬件触发反应时间始终约为1 nsec/英尺。如果仪器相距甚远，那么基于时间触发的抖动将小于硬件信号的反应时间。这对于某些应用可能变成一种关键的促成技术。
　　源于IEEE 的基于时间的触发并非适应所有测试应用的灵丹妙药，它只是提供另一种触发机制。基于时间的触发要求事先排出仪器动作的时间表，但这并非永远可行。例如基于时间的触发不能用于响应异步事件，对于UUT引入的触发事件也是很差的选择。
　　通过在导线上发送电信号，LXI 支持基于LAN 的触发，这很像是传统的硬件触发。当接收装置收到信号时，就执行一个预先确定的行动。在许多应用中，基于LAN的触发可去掉杂乱的触发电缆，从而简化系统集成和实现流程式的装置升级。基于LAN触发强于传统的硬件触发，因为它能携带硬件触发不具备的时戳信息。LXI 仪器提供基于同步系统时钟的时戳，给予系统集成者事件何时发生或协调多个事件发生的时间记录。在实际应用中，它提出了一些重要的触发模型，如环形数据捕获缓冲器。此时可把一个LXI 装置编程为捕获环形缓冲器中的数据，就像逻辑分析仪所做的那样。当LAN触发到达时，数字化仪用包含在触发中的时戳“回看”发生在触发信号接收前的捕获事件时间。这项触发技术在过去大多数仪器中是不可能具备的。
IEEE 1588: 关键的促成技术
　　与测试系统集成商的讨论证实， IEEE 1588 通过提供原来没有的同步和时戳机制，能够简化集成工程师的任务。从历史上看，集成工程是通过为系统硬件编写专门的代码，以编程方式补偿延迟，但在更换硬件或电缆长度改变时，原来的代码就失去作用，而需要投入昂贵的查错和返工费用。随着集成者越来越熟悉 IEEE 1588，我们相信市场需求会促使它成为测试和测量行业的一项主导产品。对于许多应用来说，系统开发者不再需要校准和修正触发电缆延迟，并相信定时特性不会干扰脆弱的测试程序。
　　IEEE 1588 把时间概念带入网络，提供协调跨分布节点动作的机制。虽然IEEE 1588 定义了如何同步网络上的时钟，却没有说明如何施加这一同步。LXI通过定义如何在测试环境中进行而扩展了IEEE 1588 的基础。LXI 联盟定义了基于LAN和基于时间的触发特性，对如何施加基于时间的触发作了详细的API 描述。一个统一的LXI 触发模型允许测试程序员容易地在硬件、软件和时间感应触发间转换，通过减少硬件和电缆简化集成者的任务。
LXI 对等通信
　　IEEE 1588 和LXI 规范帮助启用对等的或模块 — 模块的通信。在LXI 出现前，大多数测试和测量系统体系结构依赖使用中央控制器的主从配置。除承载较快触发沿的基本触发线外，它们没有仪器至仪器的通信。每台仪器直接与控制器通信，然后把命令发送到其它仪器。这种在行业内存在多年的方式不能利用分布式计算机体系结构的多种优点。高通道数系统或基于控制器的测量应用让中央控制器承受很重的负担，这就造成了处理瓶颈，而难以很好利用高带宽IO，也达不到预期的性能级。有了LXI，仪器能实现独立于控制器的相互通信。这就能简化许多应用，如激励 — 响应测量。LXI允许系统设计者下载可执行代码，它由来自系统中的一台或多台其它仪器触发，让控制器处理数据，而不是执行控制任务。较少的系统管理得到系统响应更敏捷的结果。
　　也许LXI IEEE 1588 启用的对等通信带来的最大好处是能把测试软件与系统硬件脱钩。每一LXI 装置都知道自己的响应时间，这意味着它能事先把自己设置为执行命令或脚本，然后等待触发。装置可以多点传送命令，而不必了解谁在听取命令，装置也可听取命令，而不必了解是谁发送的命令，并过滤掉除所需命令外的其它内容。控制器和测试软件不需要知道装置的执行时间，也不必在任何事件前建造设置或延迟。我们现在拥有的系统允许装置的行为彼此独立或独立于控制器，这样，系统设计者和支持者在改变设备时就可不必改变任何测试代码。其结果是测试程序与底层硬件脱钩，实现了测试程序的透明性。
把LAN 和IEEE 1588 用于测试和测量应用
　　系统集成者发现IEEE 1558带来许多优点。有些是明显和容易想到的，例如在长距离上的同步能力。天线测试范围就属这种情况。但有些却不甚明显，如可在某些应用中去掉触发电缆，或是不需要校准和修正多条触发电缆的延迟。由于改变硬件不影响测试程序，因此这两种情况都能简化程序员的任务，使软件维护更为容易。在典型测试系统中，软件开发和维护的成本会低于硬件购置费。
　　IEEE 1588和LAN触发能代替部分，但非全部触发电缆。代替电缆的能力取决于测试系统的速度要求，而往往由被测装置决定。某些测试系统，例如测量温度、压力或机械激励的数据采集应用要求毫秒级或微秒级的分辨率，这正在今天IEEE 1588 的能力范围内。而有严格时间要求的应用，例如高速雷达和一些无线应用这类射频应用，以及示波器和逻辑分析仪的触发，都要求达到纳秒甚至亚纳秒的分辨率，这已超出今天IEEE 1588 的能力。基于IEEE 的触发也不能很好适用于具有快速异步或设备感应触发的应用。但这些应用也正是改进IEEE 1588 速度和分辨率的原动力。
　　用IEEE 1588提供时戳，仪器提供商和系统集成商就能使用环形缓冲技术“回放时间”和调查触发前的事件。这项技术已在逻辑分析仪和示波器中运用多年，IEEE 1588 使它能用于许多其它仪器和系统。自动的数据时戳意味着控制器和应用软件不再需要跟踪获取数据的时间，简化开发大型测试系统中这一繁琐和易错的环节。许多航空航天系统有成百上千条控制和数据线，可通过分布式的检测测试系统信号沿的暂停，从而去掉许多这样的信号线。这就简化了线缆和仪器至UUT的接口，缩短重配置时间，克服测试程序集，即通常称为TPS的脆弱性。想象一台有数千个传感器的仪器，用它来监视喷气引擎的复杂激励 — 响应通道。或考虑在飞机机身上贴有数千应变片的模态分析系统，在这些应用中，严格的定时关系是保持相邻点间相位关系的关键。使用时戳和并行执行，数据翻译和故障定位变得较为简单，测试能更快速地执行，许多困难的通道同步任务也变得易行。
　　测试和测量历来用普遍存在的高精度10 MHz 基准时钟协调仪器，特别是用于要求严格定时同步的激励 — 响应测量，IEEE 1588 目前还达不到这类应用所需要的稳定性，它提供的是对未来的承诺。与其类似，在电信应用中，我们开始看到IEEE 1588 同步出现在基础设施设备中，用它来代替或传播GPS定时。我们预期未来的测试仪器将会用这一定时基准进行复杂的解调或延迟传播的测量及监视，它也可优化蜂窝基础设施中所用宽带线性放大器的数字预失真算法。
　　LXI网络接口和Ethernet连通能力促成高度分布的应用。最吸引人的能力之一是对所需要地方的远程专业知识提供和支持。例如一位在芬兰Salo 的工程师不离开家，就能与在中国的同事合作，在同一仪器屏幕上查找问题，或是监视一个流程。这对于公司在不同地点沟通专业知识有深远的意义。
　　如前所述，LXI 的对等通信模型把测试程序与底层硬件资产相隔离，在系统增加新仪器时，它把测试设计师和系统支持人员从繁琐和昂贵的软件调整中解放出来。这对于系统生命期一般达到数十年，其间必须更换硬件资产的宇航_ 国防这类工业部门带来极为巨大的利益。
结论
　　2004年由测试和测量行业建立的LXI 联盟的目标是简化测试集成和降低测试系统的成本，联盟制定的规则和建议推动一致性的、相互兼容的Ethernet 实现。通过利用Ethernet行业开发和用于它自身的技术，LXI为测试设计师提供前所未有的能力。
　　IEEE 1588 是LXI 的核心促成技术，它提供一个低价的网络中心时基。通过规定如何将它用于测试和测量环境，在IEEE 1588规范上建立起LXI。它为测试系统设计提供了重要价值，虽然今天IEEE 1588 的速度和分辨率尚不能满足最苛刻的测试应用，但它仍能满足许多应用，并为未来提供令人振奋的可能性。