B類(lèi)LXI儀器總線(xiàn)同步觸發(fā)技術(shù)

0 引言
步入信息化時(shí)代最顯著(zhù)的標志是信息網(wǎng)絡(luò )在各行業(yè)中的滲透和普及，其中數以太網(wǎng)最為典型。以太網(wǎng)作為一種成本低廉、吞吐能力強、適應性好、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用?；贚AN的新型LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)儀器總線(xiàn)正是利用了以太網(wǎng)的這些特點(diǎn)，構成了一種適應自動(dòng)測試系統的儀器模塊組建標準。
LXI總線(xiàn)標準是由安捷倫公司和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標準，此標準對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)現機制等方面作出了詳細規定，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標準，糾正了1．0標準中存在的大量排版和語(yǔ)句上的錯誤，并修改了部分內容，包括修改了HTTP和HTML請求、刪除14節的MAC地址規則等等。期間第一批通過(guò)LXI聯(lián)盟認證的LXI儀器面世，也揭開(kāi)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標準，直至2008年9月推出最新的1．3版標準，不同版的標準都對其上一版進(jìn)行修改和完善。在過(guò)去兩年里，LXI產(chǎn)品逐步成為市場(chǎng)熱點(diǎn)，到目前為止，超過(guò)50家國際頂尖儀器生產(chǎn)廠(chǎng)商共推出85種儀器類(lèi)型的540余種產(chǎn)品。其中僅在2007年上半年時(shí)的銷(xiāo)售額就超過(guò)了1億美元。
在中國，LXI聯(lián)盟成員已經(jīng)包括中國大學(xué)、研究機構和廠(chǎng)商在內的約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(kāi)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)單位參與標準的制定和完善。在我國的各軍兵種和國防工業(yè)部門(mén)為武器裝備研制配套的ATS(Automatic Test System)系統，也離不開(kāi)LXI總線(xiàn)的發(fā)展。

1 B類(lèi)LXI同步原理
1．1 LXI產(chǎn)品分類(lèi)和B類(lèi)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(xiàn)觸發(fā)功能。在此基礎上LXI提供精度由低劍高的三種觸發(fā)機制：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(xiàn)(LXITrigger Bus)的硬件觸發(fā)。并根據這三種不同的機制將產(chǎn)品分為三類(lèi)：C、B和A類(lèi)。分別如下：
C類(lèi)：具有通過(guò)LAN的編程控制能力，能夠與其他廠(chǎng)家的儀器協(xié)同工作；
B類(lèi)：擁有C類(lèi)的所有能力，并支持IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議同步；
A類(lèi)：擁有B類(lèi)的所有能力，同時(shí)具備觸發(fā)總線(xiàn)硬件觸發(fā)機制。
顯然A類(lèi)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LXI標準可知，此類(lèi)觸發(fā)是通過(guò)在儀器模塊之間另外增加觸發(fā)總線(xiàn)實(shí)現的，且該觸發(fā)總線(xiàn)的長(cháng)度又不超過(guò)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(lèi)儀器所支持的IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議不需要額外硬件開(kāi)銷(xiāo)，同樣也是通過(guò)LAN傳送觸發(fā)信號，靈活方便。所以對B類(lèi)同步觸發(fā)精度的研究具有極大的現實(shí)意義。
2. 2 IEEEl588時(shí)間協(xié)議同步原理
IEEEl588又稱(chēng)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)議同步的理想目標是使分散在各個(gè)LXI儀器模塊中的時(shí)鐘達到絕對的一致，但由于同步誤差的存在，現實(shí)中只能接近這個(gè)理想值。這里將系統中的LXI設備分為主、從機，基本同步原理是：在系統初始化階段，通過(guò)對主從機之間時(shí)鐘偏移量(offset)的測量修正主機和從機之間的時(shí)鐘偏差，在設定的時(shí)間間隔內(一般默認1~2s)，主機循環(huán)發(fā)送一個(gè)唯一的同步信息到相關(guān)的從機；主機測量發(fā)送的準確時(shí)間，從機測量接收的準確時(shí)間，之后從機發(fā)送攜有接收準確時(shí)間信息的數據包至主機，主機產(chǎn)生一個(gè)接收時(shí)間標記，接收的時(shí)間在延遲響應包中返回給從機。偏移測量和延遲(delay)測量完成了主機與各從機之間的同步，使系統使用統一的時(shí)鐘協(xié)調完成任務(wù)。

根據上述闡述，假設在主、從時(shí)鐘接發(fā)信息包的時(shí)刻分別為T(mén)1、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(jiàn)圖l。

故我們得到如下式子：

假設網(wǎng)絡(luò )是對稱(chēng)的，即主機到從機和從機到主機的延時(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(lái)源和糾正方法
分析整個(gè)同步過(guò)程，可以將誤差來(lái)源歸結為兩大類(lèi)：a．系統或儀器內部因素；b．系統或儀器外部因素。
內部因素主要來(lái)自傳輸線(xiàn)路的延時(shí)、系統的網(wǎng)卡中斷的響應、消息排隊等。從網(wǎng)絡(luò )和系統的角度看，可以將上述因素歸結為線(xiàn)路的不對稱(chēng)性，從而直接影響到對offset和delay值的計算。offset和delay值是相互影響的，即得到準確的offset值就同樣得到了準確的delay值，所以可只研究offset值。
在offset值的計算過(guò)程中，由于上述線(xiàn)路傳輸、路由功能、等待排隊等等現象的存在，導致對offset值的測量和計算結果有偏差。在此我們可以將上述誤差原因看作影響噪聲，故當offset值初步穩定(初始化后第一次同步時(shí)計算出來(lái)的offset值不定)后可以采用濾波算法將其濾除。當進(jìn)行完晶振同步之后，可以簡(jiǎn)化理解為offset偏差直接反映傳輸線(xiàn)路的不對稱(chēng)，即直接反應內部因素導致的誤差。