B类LXI仪器总线同步触发技术

0 引言
步入信息化时代最显著的标志是信息网络在各行业中的渗透和普及，其中数以太网最为典型。以太网作为一种成本低廉、吞吐能力强、适应性好、网络管理能力日益提高的网络，在各个领域都得到了广泛的应用。基于LAN的新型LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)仪器总线正是利用了以太网的这些特点，构成了一种适应自动测试系统的仪器模块组建标准。
LXI总线标准是由安捷伦公司和VXI技术公司于2004年9月联合推出的，并于同年成立了技术联盟。一年后联盟制定了LXI 1．0标准，此标准对LXI的物理特性、触发同步、仪器模块间通信、模块网络接口特性和配置以及发现机制等方面作出了详细规定，并且在其他方而也给出了联盟的建议。2006年8月LXI联盟正式公布LXI的1．1标准，纠正了1．0标准中存在的大量排版和语句上的错误，并修改了部分内容，包括修改了HTTP和HTML请求、删除14节的MAC地址规则等等。期间第一批通过LXI联盟认证的LXI仪器面世，也揭开了LXI产品迅速升温的序幕。2007年10月联盟又推出了1．2标准，直至2008年9月推出最新的1．3版标准，不同版的标准都对其上一版进行修改和完善。在过去两年里，LXI产品逐步成为市场热点，到目前为止，超过50家国际顶尖仪器生产厂商共推出85种仪器类型的540余种产品。其中仅在2007年上半年时的销售额就超过了1亿美元。
在中国，LXI联盟成员已经包括中国大学、研究机构和厂商在内的约100多家单位。北京航天测控公司等三家中国企业加入了LXI联盟。2007年在北京召开的首届LXI亚洲峰会上联盟主席也诚挚地邀请中国的企业单位参与标准的制定和完善。在我国的各军兵种和国防工业部门为武器装备研制配套的ATS(Automatic Test System)系统，也离不开LXI总线的发展。

1 B类LXI同步原理
1．1 LXI产品分类和B类仪器的优势
LXI联盟充分利用了以太网触发、网络时间协议(NTP和IEEEl588)和硬件连线触发功能。在此基础上LXI提供精度由低剑高的三种触发机制：基于NTP的触发方式；基于IEEEl588的触发方式；基于LXI触发总线(LXITrigger Bus)的硬件触发。并根据这三种不同的机制将产品分为三类：C、B和A类。分别如下：
C类：具有通过LAN的编程控制能力，能够与其他厂家的仪器协同工作；
B类：拥有C类的所有能力，并支持IEEEl588精确时间协议同步；
A类：拥有B类的所有能力，同时具备触发总线硬件触发机制。
显然A类具备最高的同步精度是靠增加了硬件触发功能，然而根据LXI标准可知，此类触发是通过在仪器模块之间另外增加触发总线实现的，且该触发总线的长度又不超过3m，故极大地限制了LXI仪器的灵活性，而灵活性又是LXI和VXI等仪器所具备的特点。B类仪器所支持的IEEEl588精确时间协议不需要额外硬件开销，同样也是通过LAN传送触发信号，灵活方便。所以对B类同步触发精度的研究具有极大的现实意义。
2. 2 IEEEl588时间协议同步原理
IEEEl588又称为精确同步时间协议(Precision Time Protocol，PTP)，它在LXI仪器模块中的实现是要求硬件和软件共同支持，它的同步原理如下图l所示。在由LXI仪器模块所组成的ATS中，IEEEl588时间协议同步的理想目标是使分散在各个LXI仪器模块中的时钟达到绝对的一致，但由于同步误差的存在，现实中只能接近这个理想值。这里将系统中的LXI设备分为主、从机，基本同步原理是：在系统初始化阶段，通过对主从机之间时钟偏移量(offset)的测量修正主机和从机之间的时钟偏差，在设定的时间间隔内(一般默认1~2s)，主机循环发送一个唯一的同步信息到相关的从机；主机测量发送的准确时间，从机测量接收的准确时间，之后从机发送携有接收准确时间信息的数据包至主机，主机产生一个接收时间标记，接收的时间在延迟响应包中返回给从机。偏移测量和延迟(delay)测量完成了主机与各从机之间的同步，使系统使用统一的时钟协调完成任务。

根据上述阐述，假设在主、从时钟接发信息包的时刻分别为T1、T2、T3、T4、T5；主时钟到从时钟和从时钟到主时钟的延时间隔分别为delayl和delay2。详见图l。

故我们得到如下式子：

假设网络是对称的，即主机到从机和从机到主机的延时是一样的，可以得到：

如此便得到了offset和delay。
2．3 同步误差来源和纠正方法
分析整个同步过程，可以将误差来源归结为两大类：a．系统或仪器内部因素；b．系统或仪器外部因素。
内部因素主要来自传输线路的延时、系统的网卡中断的响应、消息排队等。从网络和系统的角度看，可以将上述因素归结为线路的不对称性，从而直接影响到对offset和delay值的计算。offset和delay值是相互影响的，即得到准确的offset值就同样得到了准确的delay值，所以可只研究offset值。
在offset值的计算过程中，由于上述线路传输、路由功能、等待排队等等现象的存在，导致对offset值的测量和计算结果有偏差。在此我们可以将上述误差原因看作影响噪声，故当offset值初步稳定(初始化后第一次同步时计算出来的offset值不定)后可以采用滤波算法将其滤除。当进行完晶振同步之后，可以简化理解为offset偏差直接反映传输线路的不对称，即直接反应内部因素导致的误差。