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

定時和同步在構建測試與測量（T&M）系統(tǒng)中至關重要，因此IEEE 1588精密時間協(xié)議的易用性和高性能對系統(tǒng)設計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的好處；此外，這篇文章還會介紹如何將這些功能集成進儀器中，從而為高性能測試系統(tǒng)創(chuàng)建提供強大的構建模塊。

IEEE 1588概述

IEEE 1588規(guī)定了一種精密時間協(xié)議（PTP），這種協(xié)議可以用來同步T&M系統(tǒng)中的時鐘。在T&M系統(tǒng)實現(xiàn)PTP時，系統(tǒng)中的每臺儀器、計算機或其它控制器都會有一個時鐘。PTP允許同步所有這些時鐘，并使它們保持同步。PTP要求在所有設備之間進行數據通信；在T&M系統(tǒng)中，一般利用以太網LAN實現(xiàn)通信。在T&M應用中也用過其它時間同步方法，包括網絡時間協(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確的同步性能，還能提供標準以太網LAN網絡連接所帶來的好處。另外有跡象表明，IEEE 1588將在T&M領域之外得到廣泛使用，從而具有更廣泛的實用性，并通過規(guī)模經濟實現(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)盟已經開發(fā)并發(fā)布了有關在儀器中使用以太網網絡的數條標準。該聯(lián)盟已經意識到IEEE 1588協(xié)議的潛力，因此LXI標準要求在多類LXI儀器中包含對IEEE 1588的支持。 LXI分類：LXI標準定義了三種設備。最基本的一類是C類設備，它規(guī)定了一致的LAN實現(xiàn)以及用于設置、控制和數據訪問的web瀏覽器接口。這類設備還要求為規(guī)劃中的接口提供IVI儀器驅動程序。B類設備構建于C類基礎之上，要求使用IEEE 1588的時間功能和點到點LAN消息傳遞功能。A類設備構建于C類和B類基礎之上，增加了一個高性能的硬連線觸發(fā)總線，面向那些帶有嚴格定時要求的應用。雖然本白皮書的內容主要討論的是LXI B類設備，但LXI A類設備也包含了B類設備的全部功能。

LXI B類規(guī)范細節(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用。這個規(guī)范試圖設計得更為靈活，能夠滿足許多行業(yè)而不僅是T&M領域需求。另外，該規(guī)范僅對定時功能如何工作進行了標準化，沒有對在任何特定應用中如何使用這些功能以及這些功能提供的時間戳的含義進行標準化。雖然這種靈活性有助于促進IEEE 1588在多個行業(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類設備之間的互操作性。

LXI B類規(guī)范定義了：

IEEE 1588的標準實現(xiàn)，包括針對T&M應用的裁剪

IEEE 1588提供的時間戳標準含義

包含時間戳的標準點到點LAN消息協(xié)議

連接事件、觸發(fā)和動作的標準配置機制

用時間戳記錄重要事件的標準記錄機制

IEEE 1588和LXI B類規(guī)范給T&M系統(tǒng)設計帶來好處

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間中受益。T&M儀器及其應用的變化非常廣泛，因此它們對精密時鐘同步的需求也是千變萬化。這些儀器或應用需要的獨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。

測量數據時間戳：給測量數據打時間戳（也就是將時間與每個數據點關聯(lián)起來）被廣泛用于T&M應用。例如，時間戳有助于保持質量控制，滿足規(guī)范要求。然而，只有當時間戳的準確性和精密度已知并可靠的情況下，才有助于實現(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量的單個時間源，從而滿足應用要求，消除由于失步造成的問題，以及利用人工同步多個儀器和控制器時鐘所帶來的有關人力、不精確和誤差風險。

當T&M系統(tǒng)中的所有儀器共享統(tǒng)一時間時，來自多臺儀器的數據就可以通過簡單地比較和排序時間戳進行可靠的關聯(lián)。無需檢查數據是否按正確順序從儀器快速傳送出來，因為時間戳可以在必要時用來正確排序數據。

系統(tǒng)查錯是這種關聯(lián)功能的一個尤為有用的應用。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據一樣打上時間戳。通過收集并關聯(lián)這些使用時間戳的事件記錄，事件的確切順序就可以得到重建，即使是使用了多臺儀器，也能驗證正確的系統(tǒng)操作，并跟蹤所有問題產生的根源。

同步測量觸發(fā)：給數據打時間戳不是同步時鐘的唯一用途。LXI B類儀器允許用戶啟動測量或其它動作，如在特定時間發(fā)送一個電壓。采用這種方式后，這些IEEE 1588功能就可以協(xié)調測試系統(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)出的精密定時命令。LXI B類儀器還能使用點到點LAN消息同步動作。從一臺LXI設備發(fā)送消息到另一臺，可以觸發(fā)一個動作，而觸發(fā)的時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時間點。當系統(tǒng)組件非常分散以致于無法用物理觸發(fā)電纜連接時，這些同步功能就顯得特別有價值。

減少或避免系統(tǒng)延時效應：與其它通信總線相比，使用LAN互連T&M系統(tǒng)的一個潛在缺點，是LAN的延時及定時變化。雖然在許多應用中這不是個問題，但具有嚴格定時要求的系統(tǒng)，必須處理好LAN定時特性。在大多數應用中通過使用時間協(xié)調和同步觸發(fā)及動作，可以消除人們在這方面的顧慮。

通過補償內部延時，LXI B類儀器可以比硬連線的觸發(fā)系統(tǒng)獲得更好的實時觸發(fā)性能。例如，如果一臺儀器需要10ms作測量準備，那么用這臺儀器做的測量總是要落后實際觸發(fā)10ms。然而，使用基于時間的觸發(fā)允許儀器對此進行補償，方法是在觸發(fā)規(guī)定的時間之前10ms就開始準備工作，因此測量可以精確地在觸發(fā)時間點發(fā)生，而不是10ms之后。

系統(tǒng)設計考慮

LXI B類系統(tǒng)由一組LXI設備組成，這些設備可以是儀器、控制器或其它組件。每個設備都包含一個IEEE 1588時鐘，相互間通過以太網網絡互連。當系統(tǒng)第一次加電時，所有設備上都要運行最佳的主時鐘算法，系統(tǒng)中的最高質量時鐘將變成最高級時鐘（GMC：Grand Master Clock）。接下來，所有其它時鐘會與最高級時鐘取得同步。如果有個設備增加到系統(tǒng)中或從系統(tǒng)刪除，那么最佳主時鐘算法將在必要時再次運行，以確定新的最高級時鐘。

從時鐘通過交換含有時間戳的特定以太網消息，同步到主時鐘。PTP算法使用這些時間戳逐漸調整從時鐘，直到它們與主時鐘取得同步。所有時鐘取得同步可能要花好幾分鐘，接下來主從時鐘將繼續(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。在實際應用中一般會判斷哪些指標對特定系統(tǒng)而言最為重要，但是有兩種指標的使用非常廣泛。第一種是主時鐘的精度——主時鐘與“正確”時間的接近程度。這通常在IEEE 1588討論范疇之外，主要取決于最高級時鐘的品質以及用來設置最高級時鐘并維持正確時間的方法。使用GPS網絡來獲取并維持正確時間的高品質主時鐘，目前應用十分廣泛。 IEEE 1588系統(tǒng)性能的第二個有用指標是同步精度——從時鐘同步主時鐘并與主時鐘保持同步的接近程度。有許多因素會影響這個指標，包括PTP算法本身、以太網網絡配置和設計，以及從時鐘設計和包含從時鐘的儀器。

其它有用的性能指標反映在IEEE 1588邏輯與儀器其余部分之間的接口方面。例如，考慮這樣一個儀器：它被配置為在某個確定時間輸出一個電壓。當IEEE 1588時鐘到達那個時間時，邏輯將檢測到這個事件，并觸發(fā)儀器輸出電壓值。由于內部處理等原因，時鐘到達目標值與出現(xiàn)輸出電壓之間肯定會有一個延時。這個延時是衡量接口延時的一個有用指標。

圖1：在儀器中實現(xiàn)IEEE 1588時通常所涉及的元件。

對IEEE 1588儀器內部的基本了解有助于為特定的T&M系統(tǒng)設計選擇合適的儀器。圖1描述了儀器中實現(xiàn)IEEE 1588通常所涉及的組件：

IEEE 1588時鐘——這是保持本地時間值的地方

IEEE 1588時鐘控制——這個模塊與PTP代碼和包處理模塊一起通過調整時鐘獲得/保持同步

IEEE 1588包處理——這個模塊檢測網絡上的特定IEEE 1588包，并執(zhí)行必要的處理

PTP堆棧——需要時可以使用其它模塊實現(xiàn)總體PTP控制

儀器接口——這個模塊向儀器其余部分提供與時間相關的服務，如基于時間的觸發(fā)、時間戳值等。

判斷哪些模塊用硬件實現(xiàn)、哪些模塊用固件實現(xiàn)，對于向測試系統(tǒng)構建師提供具有理想定時系統(tǒng)性能的儀器來說至關重要。IEEE時鐘、時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應用來說，最好是找到用專用硬件或FPGA邏輯實現(xiàn)這些模塊的儀器。

市場上已經有專門內置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具有許多性能優(yōu)勢，因此對高要求的應用來說，推薦選擇使用帶IEEE 1588邏輯的物理芯片設計的儀器。

IEEE 1588時鐘模塊經常被實現(xiàn)為由精密晶振驅動的計數器鏈。晶振穩(wěn)定度成為影響高要求應用中同步精度的重要因素。穩(wěn)定的晶振能夠在主時鐘的更新間隙中保持時鐘精度。

儀器接口模塊不會影響同步精度，但它會影響時間戳精度和基于時間的觸發(fā)精度。如果這種模塊用固件實現(xiàn)，那么正常的固件處理延時和開銷將降低測量時間戳的精度，并增加時間觸發(fā)和動作之間的延時。對于一些重要應用，應選擇用硬件實現(xiàn)該模塊的儀器。

用戶接口考慮：對測試系統(tǒng)設計師和編程人員來說定時一直是一個重要的考慮因素，但大多數人不習慣于用IEEE 1588允許的直接方式處理時間。一個簡單但有效的方法，是以與處理其它觸發(fā)源一樣的方式處理基于時間的觸發(fā)，以便那些能夠通過以太網發(fā)送的命令或通過硬連線觸發(fā)電纜觸發(fā)的任何動作，也能夠在給定時間觸發(fā)或響應LAN觸發(fā)消息而被觸發(fā)。同樣，任何能夠產生觸發(fā)輸出的內部功能，如測量完成或輸出穩(wěn)定，也應能產生合適的LAN消息。

更先進的方法允許測試系統(tǒng)集成商簡單地通過構畫時序圖來編程測試系統(tǒng)，然后由軟件轉換為一系列基于時間的動作，并發(fā)送給合適的儀器。這種方法直接使用圖上的時間值，無需將它們轉換成延時值，也無需補償通信或控制器的處理時間和延時。

基于IEEE 1588的儀器作為T&M系統(tǒng)的構建模塊

Keithley公司型號為3706的系統(tǒng)交換機/萬用表，就是一個帶IEEE 1588/LXI B類功能的商用測試儀器，在構建T&M系統(tǒng)時如何將其作為一個有用且具成本效益的構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)構建師提供的有利條件。

對于許多T&M應用來說，將PC作為控制器實現(xiàn)與獨立儀器的通信，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”（直接導致的結果是成本過于昂貴），要么是不足以執(zhí)行任務。這些應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)調其它儀器的操作。大型系統(tǒng)可以分成多個只有少量儀器的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)則由一臺基于腳本的儀器加以協(xié)調。這樣可以簡化系統(tǒng)設計，并有助于提高性能。當采用基于LXI腳本的儀器時，這種子系統(tǒng)可以在物理上分布得更廣，例如在裝配線、科學應用或射頻測試應用中。

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果，也就消除了控制器和通信延時，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，這種語言具有計算和程序流控功能，并能擴展為儀器控制庫（ICL）命令來執(zhí)行儀器功能。ICL命令可以單獨從一個控制器發(fā)送給儀器，或者是多條命令組成一個腳本，然后由從遠端發(fā)送來或是來自前面板處的某個單獨命令來執(zhí)行。測試腳本可以用內置的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的交換主機和萬用表組合，向系統(tǒng)構建師提供了系統(tǒng)設計中最急需的許多功能。3706在緊湊的機殼中包含6個插卡的插槽，非常適合中高通道數量的應用需要。

滿載時，主機可以支持多達576個雙線多路復用通道，因此具有無與倫比的密度和經濟的每通道成本。內置萬用表使得主機成為一種極高集成度的交換機和測量系統(tǒng)，可以滿足功能性測試系統(tǒng)的嚴格應用要求，還能提供獨立數據采集和測量應用所需的靈活性。

IEEE 1588-2002和LXI B類規(guī)范提供的功能完全被集成在Model 3706中。利用內置7-1/2位數字萬用表做的測量數據，可以用IEEE 1588時鐘打上時間戳。LXI B類LAN觸發(fā)消息和基于IEEE 1588時間的觸發(fā)可以像任何其它觸發(fā)事件一樣處理。Model 3706有一個靈活的事件系統(tǒng)，允許運行TSP腳本以響應觸發(fā)。這些腳本可以根據觸發(fā)消息執(zhí)行儀器功能的任意目標組合。因為腳本還能發(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包含用于配置網絡和IEEE 1588功能的標準LXI B類網頁，以及用于儀器控制和腳本編輯的網頁，同時還提供LXI B類事件記錄功能。