B類LXI儀器總線同步觸發(fā)技術(shù)

0 引言
步入信息化時(shí)代最顯著的標(biāo)志是信息網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)中的滲透和普及，其中數(shù)以太網(wǎng)最為典型。以太網(wǎng)作為一種成本低廉、吞吐能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、網(wǎng)絡(luò)管理能力日益提高的網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用?；贚AN的新型LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)儀器總線正是利用了以太網(wǎng)的這些特點(diǎn)，構(gòu)成了一種適應(yīng)自動(dòng)測試系統(tǒng)的儀器模塊組建標(biāo)準(zhǔn)。
LXI總線標(biāo)準(zhǔn)是由安捷倫公司和VXI技術(shù)公司于2004年9月聯(lián)合推出的，并于同年成立了技術(shù)聯(lián)盟。一年后聯(lián)盟制定了LXI 1．0標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對LXI的物理特性、觸發(fā)同步、儀器模塊間通信、模塊網(wǎng)絡(luò)接口特性和配置以及發(fā)現(xiàn)機(jī)制等方面作出了詳細(xì)規(guī)定，并且在其他方而也給出了聯(lián)盟的建議。2006年8月LXI聯(lián)盟正式公布LXI的1．1標(biāo)準(zhǔn)，糾正了1．0標(biāo)準(zhǔn)中存在的大量排版和語句上的錯(cuò)誤，并修改了部分內(nèi)容，包括修改了HTTP和HTML請求、刪除14節(jié)的MAC地址規(guī)則等等。期間第一批通過LXI聯(lián)盟認(rèn)證的LXI儀器面世，也揭開了LXI產(chǎn)品迅速升溫的序幕。2007年10月聯(lián)盟又推出了1．2標(biāo)準(zhǔn)，直至2008年9月推出最新的1．3版標(biāo)準(zhǔn)，不同版的標(biāo)準(zhǔn)都對其上一版進(jìn)行修改和完善。在過去兩年里，LXI產(chǎn)品逐步成為市場熱點(diǎn)，到目前為止，超過50家國際頂尖儀器生產(chǎn)廠商共推出85種儀器類型的540余種產(chǎn)品。其中僅在2007年上半年時(shí)的銷售額就超過了1億美元。
在中國，LXI聯(lián)盟成員已經(jīng)包括中國大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和廠商在內(nèi)的約100多家單位。北京航天測控公司等三家中國企業(yè)加入了LXI聯(lián)盟。2007年在北京召開的首屆LXI亞洲峰會(huì)上聯(lián)盟主席也誠摯地邀請中國的企業(yè)單位參與標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善。在我國的各軍兵種和國防工業(yè)部門為武器裝備研制配套的ATS(Automatic Test System)系統(tǒng)，也離不開LXI總線的發(fā)展。

1 B類LXI同步原理
1．1 LXI產(chǎn)品分類和B類儀器的優(yōu)勢
LXI聯(lián)盟充分利用了以太網(wǎng)觸發(fā)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP和IEEEl588)和硬件連線觸發(fā)功能。在此基礎(chǔ)上LXI提供精度由低劍高的三種觸發(fā)機(jī)制：基于NTP的觸發(fā)方式；基于IEEEl588的觸發(fā)方式；基于LXI觸發(fā)總線(LXITrigger Bus)的硬件觸發(fā)。并根據(jù)這三種不同的機(jī)制將產(chǎn)品分為三類：C、B和A類。分別如下：
C類：具有通過LAN的編程控制能力，能夠與其他廠家的儀器協(xié)同工作；
B類：擁有C類的所有能力，并支持IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議同步；
A類：擁有B類的所有能力，同時(shí)具備觸發(fā)總線硬件觸發(fā)機(jī)制。
顯然A類具備最高的同步精度是靠增加了硬件觸發(fā)功能，然而根據(jù)LXI標(biāo)準(zhǔn)可知，此類觸發(fā)是通過在儀器模塊之間另外增加觸發(fā)總線實(shí)現(xiàn)的，且該觸發(fā)總線的長度又不超過3m，故極大地限制了LXI儀器的靈活性，而靈活性又是LXI和VXI等儀器所具備的特點(diǎn)。B類儀器所支持的IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議不需要額外硬件開銷，同樣也是通過LAN傳送觸發(fā)信號(hào)，靈活方便。所以對B類同步觸發(fā)精度的研究具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。
2. 2 IEEEl588時(shí)間協(xié)議同步原理
IEEEl588又稱為精確同步時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)，它在LXI儀器模塊中的實(shí)現(xiàn)是要求硬件和軟件共同支持，它的同步原理如下圖l所示。在由LXI儀器模塊所組成的ATS中，IEEEl588時(shí)間協(xié)議同步的理想目標(biāo)是使分散在各個(gè)LXI儀器模塊中的時(shí)鐘達(dá)到絕對的一致，但由于同步誤差的存在，現(xiàn)實(shí)中只能接近這個(gè)理想值。這里將系統(tǒng)中的LXI設(shè)備分為主、從機(jī)，基本同步原理是：在系統(tǒng)初始化階段，通過對主從機(jī)之間時(shí)鐘偏移量(offset)的測量修正主機(jī)和從機(jī)之間的時(shí)鐘偏差，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)(一般默認(rèn)1~2s)，主機(jī)循環(huán)發(fā)送一個(gè)唯一的同步信息到相關(guān)的從機(jī)；主機(jī)測量發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間，從機(jī)測量接收的準(zhǔn)確時(shí)間，之后從機(jī)發(fā)送攜有接收準(zhǔn)確時(shí)間信息的數(shù)據(jù)包至主機(jī)，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)接收時(shí)間標(biāo)記，接收的時(shí)間在延遲響應(yīng)包中返回給從機(jī)。偏移測量和延遲(delay)測量完成了主機(jī)與各從機(jī)之間的同步，使系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時(shí)鐘協(xié)調(diào)完成任務(wù)。

根據(jù)上述闡述，假設(shè)在主、從時(shí)鐘接發(fā)信息包的時(shí)刻分別為T1、T2、T3、T4、T5；主時(shí)鐘到從時(shí)鐘和從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的延時(shí)間隔分別為delayl和delay2。詳見圖l。

故我們得到如下式子：

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對稱的，即主機(jī)到從機(jī)和從機(jī)到主機(jī)的延時(shí)是一樣的，可以得到：

如此便得到了offset和delay。
2．3 同步誤差來源和糾正方法
分析整個(gè)同步過程，可以將誤差來源歸結(jié)為兩大類：a．系統(tǒng)或儀器內(nèi)部因素；b．系統(tǒng)或儀器外部因素。
內(nèi)部因素主要來自傳輸線路的延時(shí)、系統(tǒng)的網(wǎng)卡中斷的響應(yīng)、消息排隊(duì)等。從網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的角度看，可以將上述因素歸結(jié)為線路的不對稱性，從而直接影響到對offset和delay值的計(jì)算。offset和delay值是相互影響的，即得到準(zhǔn)確的offset值就同樣得到了準(zhǔn)確的delay值，所以可只研究offset值。
在offset值的計(jì)算過程中，由于上述線路傳輸、路由功能、等待排隊(duì)等等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致對offset值的測量和計(jì)算結(jié)果有偏差。在此我們可以將上述誤差原因看作影響噪聲，故當(dāng)offset值初步穩(wěn)定(初始化后第一次同步時(shí)計(jì)算出來的offset值不定)后可以采用濾波算法將其濾除。當(dāng)進(jìn)行完晶振同步之后，可以簡化理解為offset偏差直接反映傳輸線路的不對稱，即直接反應(yīng)內(nèi)部因素導(dǎo)致的誤差。