简述LXI总线技术的分析及精密时钟同步的实现论文
一、引言
测试与测量技术进步的重点是测试总线技术的不断提升，测试总线的技术从GPIB到VXI，又到后来的PXI测试测量仪器也从机箱式发展到板卡式。但是由于现代测试测量对数据传输能力和实时数据处理能力的要求不断提高，使得这种发展依然不能满足测试需要，于是具有高速高可靠传输性能的以太网技术被引入到测试测量领域中。测试仪器的概念从“软件就是仪器”发展到“网络就是仪器”的新阶段，网络和软件技术为测试测量技术带来了前所未有的发展空间和机遇。
2004年9月，Agilent公司和VXI公司联合提出了一种基于技术、针对测试测量平的基于模块化的平台标准—LXI。LXI融合了工业标太网技术和VXI总线技术的优点，对控制仪器的语言和命令以及仪器间通信的协议进行扩展，结合了板卡框架系统的模块化思想和台式仪器的内置测量以及标准的输入输出端口的连通能力，组成了新一代基于模块化仪器的标准以适用于自动测试测量系统。
GPIB的总高性能、PXI / VXI的插卡式仪器的紧凑灵活性和LAN高吐率的特点为LXI总线技术所同时具备，使其成为一种更紧凑、更快速、成本更低的测试系统的解决方案。LXI采用了以太网的精密时钟PTP实现了各设备终端间的同步触发。下面对LXI总线接口技术和相关的精密时钟协议进行详细的分析和讨论。
二、LXI总线技术
1. LXI技术背景
测试总线，也称仪器总线，它负责系统指令的控制和测试数据的传输，相当于测试测量系统的中枢神经，因此起着至关重要的作用。随着网络通信与计算机技术的发展，测试总线发展了GPIB , VXI , PXI三个重要阶段。近几年来，测试测量领域出现了一些新的总线形式，如控制器局域网(CAN )、火线总线(Fire wire)、通用串行总线(USB)、现场总线(Field bus)等。
面对各种形式的测试总线，用户需要根据所搭建测试平台的性能要求来考虑选择何种形式的总线技术。而测试的要求以及被测试的对象也较复杂，目前的总线技术无法很好地满足用户的性能指标要求，一些系统需求越来越明显:
(1)采用通用接口和协议来简化系统的组成，降低搭建的复杂性和成本;
(2)在保证性能和兼容性的前提下，使系统更加紧凑;
(3)具有多重触发方式和高速的I/0，容易进行故障诊断;
(4)为GPIB, VXI, PXI等非标准或标准的测试提供兼容性接口。
为了解决性能指标要求，VXI和Agilent公司于2004年9月推出了新一代基于模块化仪器线标准—LXI，此技术是结合了计算机和通信领域发展的最新的研究成果。
LXI是以太网技术在测试测量技术领域内的应用与进步。其技术具有了GPIB的高性能、V XI / PXI的体积小和LAN的高吞吐率的特点，并解决了触发、定时、电磁兼容等性能要求，与以往测试系统相比，具有更快速、更稳定持久、成本更低廉的特点。
2. LXI的总线规范
LXI联盟于2005年9月正式发布了LXI总线标准的.1.0版本。其内容是:a.机械接口，b.网络触制，c. Web人机接口与网络配置，d.软件语法，e.硬件触发，f.数据通信格式，9.基于以太网同步和触发，h.电口，i.冷却条件。其中最重要的两个功能属性为:标准的LAN接口，提供web接口与编程控制的能力，支持对作和主从操作;基于IEEE1588标准的触发设备，使模块具有准确动间，且能经LAN发出触发事件。LXI标准所能完成的层次要求与不同测围由他们共同支撑。
LXI可分为三个功能级别:
C级:这类设备提供了LXI标准的标准化LAN和web浏览器接口。它既不需要支持物理触发，也不需要支持IEEE1588时间协议。这个类型特别适合将传统产品改造以适应本标准的应用，而且它还适合不需要提供触发和定时机制的应用。
B级:包含等级C的全部功能，并支持IEEE1588精确时钟同步协议。IEEE1588接口允许设备等同于通过GPIB可用的触发功能，但是具有相当或更佳的定时精度。
A级:包含等级B的全部能力，并支持总线硬件触发机制。硬件触发提供了一个标准化能力以支持设备间的触发事件，其定时精度仅受限于仪器设计及电缆的物理限制。
等级C对触发和时间控制要求不高，但必须保证合格的网络通信;等级B需要总线上连续地精确触发实现同步;等级A保证被测数据点之间额紧密相位关系，即提供确定的硬件触发机制。
3. LXI的优点
与PXI, VXI, GPIB等原来的测控总线相比，LXI具有很多优点。
(1) LXI提供了基于Web的人机交互以及程控接口，基于以太网标准。
LXI仪器一般没有传统仪器的控制面板，通过使用本地主机登陆仪器的IP地址，打开浏览器就可以查看并可以修改仪器的配置信息，进行测量和记录测量结果。并且，LXI也提供以太网无线接口和特有的对等操作。实际上，LXI是一个互联标准，只是这种标准是以开放式的以太网为系统背板。在这个标准之下，用户可以根据需求去扩充测量测试仪器，同时不受仪器的放置地点以及数量的限制，并且可以减小测试系统的搭建时间，提升了利用率。
(2) LXI通过标准化和自集成设计，使系统的搭建灵活方便。
处理器、LAN接口、电源和触发输入等，集成在所有的LXI模块上，节约了昂贵的机箱背和电缆。LXI具备模块化的特点，其模块宽度为半个或全架的宽，而高度只有一个或者两个标准机架高，方便功能的升级和扩展，降低了系统集成的成本。
(3)支持设备的互换性、互操作性、软件的可移植性，其具备灵活的仪器驱动程序与编程接口。
IVI-CUM驱动程序与其他处理器或主机联系被推荐使用于LXI，并采用了IVI规范。这些驱动程序简化了测试系统的调试过程，兼容各种开放式仪器驱动程序标准，易于对故障诊断，并达到了校准计量，而且可以简单完成仪器间的互换，实现了测试系统从产品的开发到产品的加工生产的完美结合。
三、LXI同步触发与定时技术
V XI / PXI总线的同步触发和定时等功能的实现依赖于昂贵的背板触发总线，通过硬件方式实现同步。由于LAN网线没有同步信号线，因此LXI的突出问题是解决网络中仪器设备之间的触发同步和定时。LXI提供了三种不同精度的触发机制:基于LXI触发总线的硬件触发、基于精确定时协议( PTP)触发和基于网络定时协议(NTP)触发。
1.基于网络时间协议的触发方式
网络时间协议，是把计算机的时间同步到某些时间标准，是一种联网的时间同步标准协议。世界协调时是目前采用的标准。网络时间协议的结构采用Client/Server式，并且以GPS传送的时间消息为参考标准，其设计充分虑了互联网上时间的复杂性。
2.基于IEEE1588的触发方式
LXI接口标准的关键特征之一是基于IEEE1588密时间同步协议的触发，通过LAN使得多个器模块达到时间同步，并使仪器模块能够对触事件做出响应，仪器模块在规定的时间内完一定的功能操作任务，从而保证系统中多个LXI模工作的连贯性。
基于IEEE1588精时间同步协议的触发方式类似于传统器设备的时钟触发，即可以预先设定计时钟，当计时结束时，仪器执行预定的操作。此在测试系统中，需要仪器在无主机制的情况下，能够自动执行一系预定的操作。也就是说，基于IEEE1588精确间同步协议的触发方式是通过器自身来实现的，因此与传统定时触方式一样具有本地性的点。但是，与传统仪器不同的是，该触方式是按照IEEE1588协议提供的钟基准来定时触发的。在测试系统中实现仪器的基触发时，必须有一台仪器的时钟作为系统的主钟来为其它仪器提供时钟基准。
3.基于触发总线的硬件触发方式
基于高速有的低压差分信号触发总线是LXI应用的硬件触发系统。连接方式与VXI和PXI的背板十分相似，其总线可以将各个模块与硬件接口连接在一起，是一种适用于高速数据传输的通用接标准，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强、成本低廉的特点。此接口标准没有对协议、互联或连接器等方面的标准进行任何具体规定，只规定了驱动程序及接收器的特性，为了保障LVDS能成为一个多用途接口标准，其应用方案的技术规格留有自定选择功能。
四、IEEE1588分析及同步实现
1. IEEE1588的体系结构
该体系结构的最大特点在于件部分与协议的分离，因此运行时对件的要求比较低。PTP体系结构是一种完全脱离操作系统的软件结构，硬件部分是由一个时间印章单元和一个高精度实时钟组成。而软件部分则是根据时间印章单元和实时时钟间的联系从而进行时钟同步。该体系构的是一种完全脱离操作系统的件组成模型。根据抽象程度的不同，PTP可以分为3层构:协议层、US抽象层和US层。
2.实现IEEE1588时间同步
延迟测量阶段与偏移测量阶段是实现IEEE1588时间同步的两个阶段。偏移测量的功能是修正从属时钟和主时钟的时差。在偏移测量的修正过程中，主时钟周期性的发出一个确定的同步信息(每两秒钟一次)，此同步信息中包含着一个时间印章，其精确地表述了数据包发出的计算时间。延迟测量的作用是用来测量网络传输过程中产生的延迟时间。IEEE1588定义了一个延迟请求信息包(Delay Request Packet )，简称Delay Red，解决网络传输延迟时间。
因为网络延迟的时间是对称相等的，所以:经过同步信息的交换后，从属时钟与主时钟便实现了精确的同步。
相比传统的总线标准，LXI是基于开放的以太网技术的新一代仪器平台，LXI模块不受计算机的背板总线、软带宽的限制，具有继承性能好、覆盖范围更广、生命周期教长、成本低的一些特点。LXI具有广阔的应用范围及发展前景。随着以太网技术的不断发展，LXI定会逐渐发展成自动测试系统的理想解决方案。
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