IEEE 1588協(xié)議在構(gòu)建測試與測量系統(tǒng)中的好處及重要性

定時(shí)和同步在構(gòu)建測試與測量（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系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說具有特殊吸引力。本文將概述IEEE 1588給T&M系統(tǒng)帶來的好處，特別是與LXI B類儀器功能配對使用時(shí)的好處；此外，這篇文章還會介紹如何將這些功能集成進(jìn)儀器中，從而為高性能測試系統(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)中的每臺儀器、計(jì)算機(jī)或其它控制器都會有一個(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)范僅對定時(shí)功能如何工作進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，沒有對在任何特定應(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，但也會在特定行業(yè)中造成互操作性和易用性問題。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試系統(tǒng)需求。

測量數(shù)據(jù)時(shí)間戳：給測量數(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）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題，以及利用人工同步多個(gè)儀器和控制器時(shí)鐘所帶來的有關(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)，來自多臺儀器的數(shù)據(jù)就可以通過簡單地比較和排序時(shí)間戳進(jìn)行可靠的關(guān)聯(lián)。無需檢查數(shù)據(jù)是否按正確順序從儀器快速傳送出來，因?yàn)闀r(shí)間戳可以在必要時(shí)用來正確排序數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)查錯是這種關(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，即使是使用了多臺儀器，也能驗(yàn)證正確的系統(tǒng)操作，并跟蹤所有問題產(chǎn)生的根源。

同步測量觸發(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測量或其它動作，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)測試系統(tǒng)的操作，無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消息同步動作。從一臺LXI設(shè)備發(fā)送消息到另一臺，可以觸發(fā)一個(gè)動作，而觸發(fā)的時(shí)間可以是信息收到后立即啟動（類似于硬連線的觸發(fā)電纜），也可以是在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)組件非常分散以致于無法用物理觸發(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)用中通過使用時(shí)間協(xié)調(diào)和同步觸發(fā)及動作，可以消除人們在這方面的顧慮。

通過補(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，如果一臺儀器需要10ms作測量準(zhǔn)備，那么用這臺儀器做的測量總是要落后實(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就開始準(zhǔn)備工作，因此測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)鐘將變成最高級時(shí)鐘（GMC：Grand Master Clock）。接下來，所有其它時(shí)鐘會與最高級時(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，以確定新的最高級時(shí)鐘。

從時(shí)鐘通過交換含有時(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)用中一般會判斷哪些指標(biāo)對特定系統(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，主要取決于最高級時(shí)鐘的品質(zhì)以及用來設(shè)置最高級時(shí)鐘并維持正確時(shí)間的方法。使用GPS網(wǎng)絡(luò)來獲取并維持正確時(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調(diào)整時(shí)鐘獲得/保持同步

IEEE 1588包處理——這個(gè)模塊檢測網(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)，對于向測試系統(tǒng)構(gòu)建師提供具有理想定時(shí)系統(tǒng)性能的儀器來說至關(guān)重要。IEEE時(shí)鐘、時(shí)鐘控制和包處理模塊對同步精度有很大的影響，因此對所有最低要求的T&M應(yīng)用來說，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，因此對高要求的應(yīng)用來說，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。

儀器接口模塊不會影響同步精度，但它會影響時(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)和開銷將降低測量時(shí)間戳的精度，并增加時(shí)間觸發(fā)和動作之間的延時(shí)。對于一些重要應(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：對測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和編程人員來說定時(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)，以便那些能夠通過以太網(wǎng)發(fā)送的命令或通過硬連線觸發(fā)電纜觸發(fā)的任何動作，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)的方法允許測試系統(tǒng)集成商簡單地通過構(gòu)畫時(shí)序圖來編程測試系統(tǒng)，然后由軟件轉(zhuǎn)換為一系列基于時(shí)間的動作，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，無需將它們轉(zhuǎn)換成延時(shí)值，也無需補(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公司型號為3706的系統(tǒng)交換機(jī)/萬用表，就是一個(gè)帶IEEE 1588/LXI B類功能的商用測試儀器，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。

一些背景知識可能有助于理解這類儀器給測試系統(tǒng)構(gòu)建師提供的有利條件。

對于許多T&M應(yīng)用來說，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，無需獨(dú)立控制器就能建造出只有少量儀器的小型測試系統(tǒng)。其中有一臺儀器用作控制器，并協(xié)調(diào)其它儀器的操作。大型系統(tǒng)可以分成多個(gè)只有少量儀器的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)則由一臺基于腳本的儀器加以協(xié)調(diào)。這樣可以簡化系統(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)用或射頻測試應(yīng)用中。

Keithley公司的嵌入式測試腳本處理器（TSP）是一種板載微處理器，可以在儀器中存儲和執(zhí)行短程序（腳本），從而使得Model 3706能夠不依賴獨(dú)立控制器而開展測試。由于沒有必要在儀器和控制器之間頻繁地來回傳送指令和結(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還支持通用腳本語言，這種語言具有計(jì)算和程序流控功能，并能擴(kuò)展為儀器控制庫（ICL）命令來執(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)送來或是來自前面板處的某個(gè)單獨(dú)命令來執(zhí)行。測試腳本可以用內(nèi)置的web編輯器創(chuàng)建，也可以用測試腳本創(chuàng)建器（TSB）集成開發(fā)環(huán)境（IDE）創(chuàng)建。

Model 3706的交換主機(jī)和萬用表組合，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，因此具有無與倫比的密度和經(jīng)濟(jì)的每通道成本。內(nèi)置萬用表使得主機(jī)成為一種極高集成度的交換機(jī)和測量系統(tǒng)，可以滿足功能性測試系統(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)字萬用表做的測量數(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，以及用于儀器控制和腳本編輯的網(wǎng)頁，同時(shí)還提供LXI B類事件記錄功能。