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定時(shí)和同步在構(gòu)建測(cè)試與測(cè)量(T&M)系統(tǒng)中至關(guān)重要，因此IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議的易用性和高性能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)具有特殊吸引力。本文將概述IEEE 1588給T&M系統(tǒng)帶來(lái)的好處，特別是與LXI B類儀器功能配對(duì)使用時(shí)的好處；此外，這篇文章還會(huì)介紹如何將這些功能集成進(jìn)儀器中，從而為高性能測(cè)試系統(tǒng)創(chuàng)建提供強(qiáng)大的構(gòu)建模塊。 IEEE 1588概述 IEEE 1588規(guī)定了一種精密時(shí)間協(xié)議(PTP)，這種協(xié)議可以用來(lái)同步T&M系統(tǒng)中的時(shí)鐘。在T&M系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PTP時(shí)，系統(tǒng)中的每臺(tái)儀器、計(jì)算機(jī)或其它控制器都會(huì)有一個(gè)時(shí)鐘。PTP允許同步所有這些時(shí)鐘，并使它們保持同步。PTP要求在所有設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；在T&M系統(tǒng)中，一般利用以太網(wǎng)LAN實(shí)現(xiàn)通信。在T&M應(yīng)用中也用過(guò)其它時(shí)間同步方法，包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)、全球定位衛(wèi)星(GPS)系統(tǒng)和參考晶振信號(hào)的硬件方式分配。 然而，與上述這些方法相比，基于IEEE 1588的系統(tǒng)可以提供更精密和更準(zhǔn)確的同步性能，還能提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)連接所帶來(lái)的好處。另外有跡象表明，IEEE 1588將在T&M領(lǐng)域之外得到廣泛使用，從而具有更廣泛的實(shí)用性，并通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)IEEE 1588系統(tǒng)成本的下降。 LXI儀器與IEEE 1588 LXI概述：LXI(用于儀器的LAN擴(kuò)展)聯(lián)盟由最主要的一些T&M公司組成。自從幾年前成立后，LXI聯(lián)盟已經(jīng)開(kāi)發(fā)并發(fā)布了有關(guān)在儀器中使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)條標(biāo)準(zhǔn)。該聯(lián)盟已經(jīng)意識(shí)到IEEE 1588協(xié)議的潛力，因此LXI標(biāo)準(zhǔn)要求在多類LXI儀器中包含對(duì)IEEE 1588的支持。 LXI分類：LXI標(biāo)準(zhǔn)定義了三種設(shè)備。最基本的一類是C類設(shè)備，它規(guī)定了一致的LAN實(shí)現(xiàn)以及用于設(shè)置、控制和數(shù)據(jù)訪問(wèn)的web瀏覽器接口。這類設(shè)備還要求為規(guī)劃中的接口提供IVI儀器驅(qū)動(dòng)程序。B類設(shè)備構(gòu)建于C類基礎(chǔ)之上，要求使用IEEE 1588的時(shí)間功能和點(diǎn)到點(diǎn)LAN消息傳遞功能。A類設(shè)備構(gòu)建于C類和B類基礎(chǔ)之上，增加了一個(gè)高性能的硬連線觸發(fā)總線，面向那些帶有嚴(yán)格定時(shí)要求的應(yīng)用。雖然本白皮書(shū)的內(nèi)容主要討論的是LXI B類設(shè)備，但LXI A類設(shè)備也包含了B類設(shè)備的全部功能。 LXI B類規(guī)范細(xì)節(jié)：IEEE 1588規(guī)范規(guī)定了PTP許多方面的配置以適合廣泛的應(yīng)用。這個(gè)規(guī)范試圖設(shè)計(jì)得更為靈活，能夠滿足許多行業(yè)而不僅是T&M領(lǐng)域需求。另外，該規(guī)范僅對(duì)定時(shí)功能如何工作進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，沒(méi)有對(duì)在任何特定應(yīng)用中如何使用這些功能以及這些功能提供的時(shí)間戳的含義進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。雖然這種靈活性有助于促進(jìn)IEEE 1588在多個(gè)行業(yè)中的推廣，但也會(huì)在特定行業(yè)中造成互操作性和易用性問(wèn)題。因此，LXI B類規(guī)范提供了IEEE 1588配置和使用方面的額外指南。這些額外規(guī)范被選用，以裁剪和優(yōu)化IEEE 1588在T&M系統(tǒng)中的操作和使用，從而確保所有LXI B類和A類設(shè)備之間的互操作性。 LXI B類規(guī)范定義了： ?IEEE 1588的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，包括針對(duì)T&M應(yīng)用的裁剪 ?IEEE 1588提供的時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)含義 ?包含時(shí)間戳的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)到點(diǎn)LAN消息協(xié)議 ?連接事件、觸發(fā)和動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)配置機(jī)制 ?用時(shí)間戳記錄重要事件的標(biāo)準(zhǔn)記錄機(jī)制 IEEE 1588和LXI B類規(guī)范給T&M系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)好處 許多T&M系統(tǒng)都能從所有系統(tǒng)組件具有相同的精密時(shí)間中受益。T&M儀器及其應(yīng)用的變化非常廣泛，因此它們對(duì)精密時(shí)鐘同步的需求也是千變?nèi)f化。這些儀器或應(yīng)用需要的獨(dú)特功能以及要求的精確度各不相同，但以下例子描述了一些主要的測(cè)試系統(tǒng)需求。 測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間戳：給測(cè)量數(shù)據(jù)打時(shí)間戳(也就是將時(shí)間與每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái))被廣泛用于T&M應(yīng)用。例如，時(shí)間戳有助于保持質(zhì)量控制，滿足規(guī)范要求。然而，只有當(dāng)時(shí)間戳的準(zhǔn)確性和精密度已知并可靠的情況下，才有助于實(shí)現(xiàn)這種目的。 通過(guò)使用IEEE 1588 PTP協(xié)議，LXI B類儀器可以同步到具有足夠質(zhì)量的單個(gè)時(shí)間源，從而滿足應(yīng)用要求，消除由于失步造成的問(wèn)題，以及利用人工同步多個(gè)儀器和控制器時(shí)鐘所帶來(lái)的有關(guān)人力、不精確和誤差風(fēng)險(xiǎn)。 當(dāng)T&M系統(tǒng)中的所有儀器共享統(tǒng)一時(shí)間時(shí)，來(lái)自多臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)就可以通過(guò)簡(jiǎn)單地比較和排序時(shí)間戳進(jìn)行可靠的關(guān)聯(lián)。無(wú)需檢查數(shù)據(jù)是否按正確順序從儀器快速傳送出來(lái)，因?yàn)闀r(shí)間戳可以在必要時(shí)用來(lái)正確排序數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)查錯(cuò)是這種關(guān)聯(lián)功能的一個(gè)尤為有用的應(yīng)用。許多現(xiàn)代儀器可以記錄重要事件，如測(cè)量觸發(fā)和誤差條件，而這些事件可以像其它數(shù)據(jù)一樣打上時(shí)間戳。通過(guò)收集并關(guān)聯(lián)這些使用時(shí)間戳的事件記錄，事件的確切順序就可以得到重建，即使是使用了多臺(tái)儀器，也能驗(yàn)證正確的系統(tǒng)操作，并跟蹤所有問(wèn)題產(chǎn)生的根源。 同步測(cè)量觸發(fā)：給數(shù)據(jù)打時(shí)間戳不是同步時(shí)鐘的唯一用途。LXI B類儀器允許用戶啟動(dòng)測(cè)量或其它動(dòng)作，如在特定時(shí)間發(fā)送一個(gè)電壓。采用這種方式后，這些IEEE 1588功能就可以協(xié)調(diào)測(cè)試系統(tǒng)的操作，無(wú)需使用硬件連接的觸發(fā)電纜或中央控制器發(fā)出的精密定時(shí)命令。LXI B類儀器還能使用點(diǎn)到點(diǎn)LAN消息同步動(dòng)作。從一臺(tái)LXI設(shè)備發(fā)送消息到另一臺(tái)，可以觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作，而觸發(fā)的時(shí)間可以是信息收到后立即啟動(dòng)(類似于硬連線的觸發(fā)電纜)，也可以是在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)組件非常分散以致于無(wú)法用物理觸發(fā)電纜連接時(shí)，這些同步功能就顯得特別有價(jià)值。 減少或避免系統(tǒng)延時(shí)效應(yīng)：與其它通信總線相比，使用LAN互連T&M系統(tǒng)的一個(gè)潛在缺點(diǎn)，是LAN的延時(shí)及定時(shí)變化。雖然在許多應(yīng)用中這不是個(gè)問(wèn)題，但具有嚴(yán)格定時(shí)要求的系統(tǒng)，必須處理好LAN定時(shí)特性。在大多數(shù)應(yīng)用中通過(guò)使用時(shí)間協(xié)調(diào)和同步觸發(fā)及動(dòng)作，可以消除人們?cè)谶@方面的顧慮。 通過(guò)補(bǔ)償內(nèi)部延時(shí)，LXI B類儀器可以比硬連線的觸發(fā)系統(tǒng)獲得更好的實(shí)時(shí)觸發(fā)性能。例如，如果一臺(tái)儀器需要10ms作測(cè)量準(zhǔn)備，那么用這臺(tái)儀器做的測(cè)量總是要落后實(shí)際觸發(fā)10ms。然而，使用基于時(shí)間的觸發(fā)允許儀器對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，方法是在觸發(fā)規(guī)定的時(shí)間之前10ms就開(kāi)始準(zhǔn)備工作，因此測(cè)量可以精確地在觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生，而不是10ms之后。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮 LXI B類系統(tǒng)由一組LXI設(shè)備組成，這些設(shè)備可以是儀器、控制器或其它組件。每個(gè)設(shè)備都包含一個(gè)IEEE 1588時(shí)鐘，相互間通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連。當(dāng)系統(tǒng)第一次加電時(shí)，所有設(shè)備上都要運(yùn)行最佳的主時(shí)鐘算法，系統(tǒng)中的最高質(zhì)量時(shí)鐘將變成最高級(jí)時(shí)鐘(GMC：Grand Master Clock)。接下來(lái)，所有其它時(shí)鐘會(huì)與最高級(jí)時(shí)鐘取得同步。如果有個(gè)設(shè)備增加到系統(tǒng)中或從系統(tǒng)刪除，那么最佳主時(shí)鐘算法將在必要時(shí)再次運(yùn)行，以確定新的最高級(jí)時(shí)鐘。 從時(shí)鐘通過(guò)交換含有時(shí)間戳的特定以太網(wǎng)消息，同步到主時(shí)鐘。PTP算法使用這些時(shí)間戳逐漸調(diào)整從時(shí)鐘，直到它們與主時(shí)鐘取得同步。所有時(shí)鐘取得同步可能要花好幾分鐘，接下來(lái)主從時(shí)鐘將繼續(xù)周期性地交換消息以保持相互間的同步。 性能考慮：基于IEEE 1588的測(cè)試系統(tǒng)有許多可能的性能指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)判斷哪些指標(biāo)對(duì)特定系統(tǒng)而言最為重要，但是有兩種指標(biāo)的使用非常廣泛。第一種是主時(shí)鐘的精度——主時(shí)鐘與“正確”時(shí)間的接近程度。這通常在IEEE 1588討論范疇之外，主要取決于最高級(jí)時(shí)鐘的品質(zhì)以及用來(lái)設(shè)置最高級(jí)時(shí)鐘并維持正確時(shí)間的方法。使用GPS網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取并維持正確時(shí)間的高品質(zhì)主時(shí)鐘，目前應(yīng)用十分廣泛。 IEEE 1588系統(tǒng)性能的第二個(gè)有用指標(biāo)是同步精度——從時(shí)鐘同步主時(shí)鐘并與主時(shí)鐘保持同步的接近程度。有許多因素會(huì)影響這個(gè)指標(biāo)，包括PTP算法本身、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置和設(shè)計(jì)，以及從時(shí)鐘設(shè)計(jì)和包含從時(shí)鐘的儀器。 其它有用的性能指標(biāo)反映在IEEE 1588邏輯與儀器其余部分之間的接口方面。例如，考慮這樣一個(gè)儀器：它被配置為在某個(gè)確定時(shí)間輸出一個(gè)電壓。當(dāng)IEEE 1588時(shí)鐘到達(dá)那個(gè)時(shí)間時(shí)，邏輯將檢測(cè)到這個(gè)事件，并觸發(fā)儀器輸出電壓值。由于內(nèi)部處理等原因，時(shí)鐘到達(dá)目標(biāo)值與出現(xiàn)輸出電壓之間肯定會(huì)有一個(gè)延時(shí)。這個(gè)延時(shí)是衡量接口延時(shí)的一個(gè)有用指標(biāo)。 圖1：在儀器中實(shí)現(xiàn)IEEE 1588時(shí)通常所涉及的元件。 對(duì)IEEE 1588儀器內(nèi)部的基本了解有助于為特定的T&M系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇合適的儀器。圖1描述了儀器中實(shí)現(xiàn)IEEE 1588通常所涉及的組件： ?IEEE 1588時(shí)鐘——這是保持本地時(shí)間值的地方 ?IEEE 1588時(shí)鐘控制——這個(gè)模塊與PTP代碼和包處理模塊一起通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘獲得/保持同步 ?IEEE 1588包處理——這個(gè)模塊檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上的特定IEEE 1588包，并執(zhí)行必要的處理 ?PTP堆�！枰獣r(shí)可以使用其它模塊實(shí)現(xiàn)總體PTP控制 ?儀器接口——這個(gè)模塊向儀器其余部分提供與時(shí)間相關(guān)的服務(wù)，如基于時(shí)間的觸發(fā)、時(shí)間戳值等。 判斷哪些模塊用硬件實(shí)現(xiàn)、哪些模塊用固件實(shí)現(xiàn)，對(duì)于向測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建師提供具有理想定時(shí)系統(tǒng)性能的儀器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。IEEE時(shí)鐘、時(shí)鐘控制和包處理模塊對(duì)同步精度有很大的影響，因此對(duì)所有最低要求的T&M應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最好是找到用專用硬件或FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)這些模塊的儀器。 市場(chǎng)上已經(jīng)有專門內(nèi)置IEEE 1588硬件支持的商用微處理器和物理層芯片。使邏輯部分在電氣上盡可能接近以太網(wǎng)具有許多性能優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)高要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，推薦選擇使用帶IEEE 1588邏輯的物理芯片設(shè)計(jì)的儀器。 IEEE 1588時(shí)鐘模塊經(jīng)常被實(shí)現(xiàn)為由精密晶振驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器鏈。晶振穩(wěn)定度成為影響高要求應(yīng)用中同步精度的重要因素。穩(wěn)定的晶振能夠在主時(shí)鐘的更新間隙中保持時(shí)鐘精度。 儀器接口模塊不會(huì)影響同步精度，但它會(huì)影響時(shí)間戳精度和基于時(shí)間的觸發(fā)精度。如果這種模塊用固件實(shí)現(xiàn)，那么正常的固件處理延時(shí)和開(kāi)銷將降低測(cè)量時(shí)間戳的精度，并增加時(shí)間觸發(fā)和動(dòng)作之間的延時(shí)。對(duì)于一些重要應(yīng)用，應(yīng)選擇用硬件實(shí)現(xiàn)該模塊的儀器。 用戶接口考慮：對(duì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和編程人員來(lái)說(shuō)定時(shí)一直是一個(gè)重要的考慮因素，但大多數(shù)人不習(xí)慣于用IEEE 1588允許的直接方式處理時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的方法，是以與處理其它觸發(fā)源一樣的方式處理基于時(shí)間的觸發(fā)，以便那些能夠通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的命令或通過(guò)硬連線觸發(fā)電纜觸發(fā)的任何動(dòng)作，也能夠在給定時(shí)間觸發(fā)或響應(yīng)LAN觸發(fā)消息而被觸發(fā)。同樣，任何能夠產(chǎn)生觸發(fā)輸出的內(nèi)部功能，如測(cè)量完成或輸出穩(wěn)定，也應(yīng)能產(chǎn)生合適的LAN消息。 更先進(jìn)的方法允許測(cè)試系統(tǒng)集成商簡(jiǎn)單地通過(guò)構(gòu)畫(huà)時(shí)序圖來(lái)編程測(cè)試系統(tǒng)，然后由軟件轉(zhuǎn)換為一系列基于時(shí)間的動(dòng)作，并發(fā)送給合適的儀器。這種方法直接使用圖上的時(shí)間值，無(wú)需將它們轉(zhuǎn)換成延時(shí)值，也無(wú)需補(bǔ)償通信或控制器的處理時(shí)間和延時(shí)。 基于IEEE 1588的儀器作為T&M系統(tǒng)的構(gòu)建模塊 Keithley公司型號(hào)為3706的系統(tǒng)交換機(jī)/萬(wàn)用表，就是一個(gè)帶IEEE 1588/LXI B類功能的商用測(cè)試儀器，在構(gòu)建T&M系統(tǒng)時(shí)如何將其作為一個(gè)有用且具成本效益的構(gòu)建模塊使用的極好例子。 一些背景知識(shí)可能有助于理解這類儀器給測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建師提供的有利條件。 對(duì)于許多T&M應(yīng)用來(lái)說(shuō)，將PC作為控制器實(shí)現(xiàn)與獨(dú)立儀器的通信，或使用帶集成控制器的槽道式系統(tǒng)是完全可以的。然而在其它情況下，采用上述方法要么是“殺雞焉用牛刀”(直接導(dǎo)致的結(jié)果是成本過(guò)于昂貴)，要么是不足以執(zhí)行任務(wù)。這些應(yīng)用可以從基于腳本的儀器(如Model 3706)所能提供的額外功能和靈活性中受益。 采用基于腳本的儀器后，無(wú)需獨(dú)立控制器就能建造出只有少量?jī)x器的小型測(cè)試系統(tǒng)。其中有一臺(tái)儀器用作控制器，并協(xié)調(diào)其它儀器的操作。大型系統(tǒng)可以分成多個(gè)只有少量?jī)x器的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)則由一臺(tái)基于腳本的儀器加以協(xié)調(diào)。這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并有助于提高性能。當(dāng)采用基于LXI腳本的儀器時(shí)，這種子系統(tǒng)可以在物理上分布得更廣，例如在裝配線、科學(xué)應(yīng)用或射頻測(cè)試應(yīng)用中。 Keithley公司的嵌入式測(cè)試腳本處理器(TSP)是一種板載微處理器，可以在儀器中存儲(chǔ)和執(zhí)行短程序(腳本)，從而使得Model 3706能夠不依賴獨(dú)立控制器而開(kāi)展測(cè)試。由于沒(méi)有必要在儀器和控制器之間頻繁地來(lái)回傳送指令和結(jié)果，也就消除了控制器和通信延時(shí)，因此這種處理器可以顯著提高T&M系統(tǒng)的總體性能。 TSP還支持通用腳本語(yǔ)言，這種語(yǔ)言具有計(jì)算和程序流控功能，并能擴(kuò)展為儀器控制庫(kù)(ICL)命令來(lái)執(zhí)行儀器功能。ICL命令可以單獨(dú)從一個(gè)控制器發(fā)送給儀器，或者是多條命令組成一個(gè)腳本，然后由從遠(yuǎn)端發(fā)送來(lái)或是來(lái)自前面板處的某個(gè)單獨(dú)命令來(lái)執(zhí)行。測(cè)試腳本可以用內(nèi)置的web編輯器創(chuàng)建，也可以用測(cè)試腳本創(chuàng)建器(TSB)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)創(chuàng)建。 Model 3706的交換主機(jī)和萬(wàn)用表組合，向系統(tǒng)構(gòu)建師提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最急需的許多功能。3706在緊湊的機(jī)殼中包含6個(gè)插卡的插槽，非常適合中高通道數(shù)量的應(yīng)用需要。 滿載時(shí)，主機(jī)可以支持多達(dá)576個(gè)雙線多路復(fù)用通道，因此具有無(wú)與倫比的密度和經(jīng)濟(jì)的每通道成本。內(nèi)置萬(wàn)用表使得主機(jī)成為一種極高集成度的交換機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)，可以滿足功能性測(cè)試系統(tǒng)的嚴(yán)格應(yīng)用要求，還能提供獨(dú)立數(shù)據(jù)采集和測(cè)量應(yīng)用所需的靈活性。 IEEE 1588-2002和LXI B類規(guī)范提供的功能完全被集成在Model 3706中。利用內(nèi)置7-1/2位數(shù)字萬(wàn)用表做的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以用IEEE 1588時(shí)鐘打上時(shí)間戳。LXI B類LAN觸發(fā)消息和基于IEEE 1588時(shí)間的觸發(fā)可以像任何其它觸發(fā)事件一樣處理。Model 3706有一個(gè)靈活的事件系統(tǒng)，允許運(yùn)行TSP腳本以響應(yīng)觸發(fā)。這些腳本可以根據(jù)觸發(fā)消息執(zhí)行儀器功能的任意目標(biāo)組合。因?yàn)槟_本還能發(fā)送LXI B類LAN消息，這意味著任何儀器事件都可以觸發(fā)一條LAN消息，并用這條消息來(lái)觸發(fā)或控制其它LXI B類儀器。 Model 3706包含用于配置網(wǎng)絡(luò)和IEEE 1588功能的標(biāo)準(zhǔn)LXI B類網(wǎng)頁(yè)，以及用于儀器控制和腳本編輯的網(wǎng)頁(yè)，同時(shí)還提供LXI B類事件記錄功能。 作者：Paul F.Franklin 吉時(shí)利儀器公司 |
IEEE 1588對(duì)下一代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性.rar
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