0 引言
步入信息化時代最顯著的標志是信息網絡在各行業中的滲透和普及，其中數以太網最為典型。以太網作為一種成本低廉、吞吐能力強、適應性好、網絡管理能力日益提高的網絡，在各個領域都得到了廣泛的應用。基于LAN的新型LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)儀器總線正是利用了以太網的這些特點，構成了一種適應自動測試系統的儀器模塊組建標準。
LXI總線標準是由安捷倫公司和VXI技術公司于2004年9月聯合推出的，并于同年成立了技術聯盟。一年后聯盟制定了LXI 1．0標準，此標準對LXI的物理特性、觸發同步、儀器模塊間通信、模塊網絡接口特性和配置以及發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盟的建議。2006年8月LXI聯盟正式公布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LXI聯盟認證的LXI儀器面世，也揭開了LXI產品迅速升溫的序幕。2007 年10月聯盟又推出了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行修改和完善。在過去兩年里，LXI產品逐步成為市場熱點，到目前為止，超過50家國際頂尖儀器生產廠商共推出85種儀器類型的540余種產品。其中僅在2007年上半年時的銷售額就超過了1億美元。
在中國，LXI聯盟成員已經包括中國大學、研究機構和廠商在內的約100多家單位。北京航天測控公司等三家中國企業加入了LXI聯盟。2007年在北京召開的首屆LXI亞洲峰會上聯盟主席也誠摯地邀請中國的企業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部門為武器裝備研制配套的 ATS(Automatic Test System)系統，也離不開LXI總線的發展。
1 B類LXI同步原理
1．1 LXI產品分類和B類儀器的優勢
LXI聯盟充分利用了以太網觸發、網絡時間協議(NTP和IEEEl588)和硬件連線觸發功能。在此基礎上LXI提供精度由低劍高的三種觸發機制：基于 NTP的觸發方式；基于IEEEl588的觸發方式；基于LXI觸發總線(LXITrigger Bus)的硬件觸發。并根據這三種不同的機制將產品分為三類：C、B和A類。分別如下：
C類：具有通過LAN的編程控制能力，能夠與其他廠家的儀器協同工作；
B類：擁有C類的所有能力，并支持IEEEl588精確時間協議同步；
A類：擁有B類的所有能力，同時具備觸發總線硬件觸發機制。
顯然A類具備最高的同步精度是靠增加了硬件觸發功能，然而根據LXI標準可知，此類觸發是通過在儀器模塊之間另外增加觸發總線實現的，且該觸發總線的長度又不超過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。B類儀器所支持的IEEEl588精確時間協議不需要額外硬件開銷，同樣也是通過LAN傳送觸發信號，靈活方便。所以對B類同步觸發精度的研究具有極大的現實意義。
2. 2 IEEEl588時間協議同步原理
IEEEl588又稱為精確同步時間協議(Precision Time Protocol，PTP)，它在LXI儀器模塊中的實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時間協議同步的理想目標是使分散在各個LXI儀器模塊中的時鐘達到絕對的一致，但由于同步誤差的存在，現實中只能接近這個理想值。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，通過對主從機之間時鐘偏移量(offset)的測量修正主機和從機之間的時鐘偏差，在設定的時間間隔內(一般默認1~2s)，主機循環發送一個唯一的同步信息到相關的從機；主機測量發送的準確時間，從機測量接收的準確時間，之后從機發送攜有接收準確時間信息的數據包至主機，主機產生一個接收時間標記，接收的時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鐘協調完成任務。
根據上述闡述，假設在主、從時鐘接發信息包的時刻分別為T1、T2、T3、T4、T5；主時鐘到從時鐘和從時鐘到主時鐘的延時間隔分別為delayl和delay2。詳見圖l。
故我們得到如下式子：
假設網絡是對稱的，即主機到從機和從機到主機的延時是一樣的，可以得到：
如此便得到了offset和delay。
2．3 同步誤差來源和糾正方法
分析整個同步過程，可以將誤差來源歸結為兩大類：a．系統或儀器內部因素；b．系統或儀器外部因素。
內部因素主要來自傳輸線路的延時、系統的網卡中斷的響應、消息排隊等。從網絡和系統的角度看，可以將上述因素歸結為線路的不對稱性，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值的計算過程中，由于上述線路傳輸、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計算出來的offset值不定)后可以采用濾波算法將其濾除。當進行完晶振同步之后，可以簡化理解為offset偏差直接反映傳輸線路的不對稱，即直接反應內部因素導致的誤差。
由于得到delay值后對offset值的計算是根據式(1)中的第一個式子得到，所以由圖2N分析可得，offset值可以比精確值偏大，也可以比精確值偏小，且從概率上來講應為等概的，故可采用較為簡單的均值濾波算法進行平滑即可。
其次，引起誤差的外部因素主要來自環境對系統和儀器的影響和時間印章(時間戳)的準確性，前者主要反映在晶振的速率上，而后者主要反映在IEEEl588時間協議的實現上。
在晶振速率方面，由于儀器的時鐘是由普通晶振提供的，所以環境(如溫度)的變化將極大地影響晶振的速率，常用品振精度不高，大概在100ppm左右，而對一般的LXI模塊則每隔2s進行一次同步，那么可以計算得到兩個模塊之間最大的偏差是400μs，故不可忽略。通常高精度儀器的晶振可以安在恒溫槽中(如 OCXO)，但考慮到成本和儀器簡化等因素，采用晶振同步自適應方法改進。設R，R′分別為主機和從機的品振速率，△t表示兩次測量晶振速率的時間問隔。那么分別計算一段時間內每臺從機記錄的本地時鐘時間，然后從機與主機進行比較來調整時鐘計數值，調準方案如下式所示，M，N分別為存△t的時間間隔內主從機的時鐘計數值。
為了使其更具自適應能力，可以根據上述方法計算t1′，t2′…tn′多個時間點時鐘計數調整值，并據此由曲線擬合的方法得到下一時間段[tn′，tn+l′]內的晶振速率，起到不斷校正品振偏差，使從機時鐘達到跟隨主機時鐘變化的目的。
實現IEEEl588(PTP)時鐘協議的方法有通過FPGA實現、通過集成有PTP協議的網絡收發芯片實現等幾種。通過FPGA實現的方法是最常用的，但方法繁瑣、實現精度不高。而最近出現的集成有PTP時鐘協議的實現方案方便快捷、實璣精度高，因此迅速被廣大設計者所接受。其硬件框圖如圖3所示。
在上述FPGA實現PTP的方案中，信息包加時間戳這一關鍵步驟也有幾種實現方法，每種方法產生不同的同步精度。見圖4所示。
在圖4中，最簡單的IEEEl588實現包括在網絡協議堆棧頂端的應用層加上通用的時間戳，實現過程中會出現最大的協議堆棧延遲波動，會產生最大偏差，這種情況下最差精度將被引入到時間戳中。并且在不同的操作系統中，偏差值會在幾百微秒到毫秒之問，嚴重影響同步精度。
第二種是在中斷層實現時間戳，其實現精度比應用層更高，但實現難度也隨之增大。硬件輔助的方式可以得到最精確的同步時鐘，產生的時間戳和物理層總線上事件的非常接近。使用專用以太網收發芯片的實現方案就是以這種方法實現PTP協議的，從而為得到最高的同步精度打好堅實基礎。
3 基于專用芯片DP83640的實現方案
通過上述的分析得知，基于專用網絡芯片的方案能獲得最高的實時同步精度，同時又能簡化設計。其中DP83640就是其中的典型代表。
DP83640是NS公司在2007年推出的集成有IEEEl588時鐘協議的全新網絡收發芯片，它呈現如下三個關于IEEEl588的關鍵特性：信息包中包含用于時間同步的時間戳、IEEEl588時鐘產生器、通過GPIO口的同步事件觸發。并且NS公司還創新性地賦予了它獨特的特性，其中包括基于錯誤預測的鏈接質量動態監測等。
具體而言，DP83640的特點主要有：支持IEEE1588V1和V2；支持UDP／IPv4和UDP／IPv6；IEEEl588時鐘同步；8ns時間戳；12個觸發和捕獲IEEEl588的GPIO；可檢測的低的傳輸和接收時延；鏈接質量動態監測；全雙工／半雙工和10／100Mb／s傳輸；支持雙絞線和光纖接口等等。以上這些也保證了該芯片能很好地滿足B類LXI儀器的同步要求。DP83640的功能模塊框圖詳見圖5。
本方案中采用最為常見的基于ARM9核的S3C2410作為處理器，在數據的發送和接收端采用集成有IEEEl588的網絡收發芯片DP83640，兩者之間是MAC層芯片，這里選用AX88196。圖6給出的是S3C2410、AX88196和DP83640的主要連接框圖。在DP83640 中，TX_CLK、TXD[0．．3]和TXD_EN共同構成了以太網絡的數據發送接口。TX_CLK在100Mb／s模式下能輸出25MHz的時鐘信號，在10Mb／s模式下則能輸出2．5MHz的時鐘信號，該時鐘信號來源于25MHz的系統參考時鐘；同理，RX_CLK、RXD[0．．3]、 RX_DV和RX_ER構成了以太網絡的數據接收接口，其中不同的是RX_DV和RX_ER反映了接收數據的有效或錯誤；COL則是用于網絡中碰撞檢測的。在處理器端，將地址總線、數據總線分別和MAC芯片的地址和數據總線相連，實現數據互通，詳見圖6。
在上述功能的軟件實現中，充分利用DP83640能提取數據包中的時間戳并發送給上層軟件的特點，可在應用程序的改計中方便地實現同步、觸發、延時響應等功能。再利用上文分析的算法提高模塊的同步觸發精度。軟件流程見圖7。
在模塊初始化中，包含了主從時鐘的設定、外圍部件初始化(如DP83640初始化)等等。上文中提出的對offset值的濾波、品振速率的計算和晶振偏差自適應算法也可利用上述框圖實現，所不同的是兩者利用不同的數據和不同的子程序。
4 結束語
LXI儀器借助以太網的強大功能和web的靈活性，使得在ATS中實現遠程式、分布式成為可能。LXI基本不受帶寬、軟件和背板插槽的限制。其更廣的覆蓋范圍、更好的繼承性能、更長的生命周期和更低的成本使其具有更為廣闊的應用與發展前景。其中B類儀器以其低廉的價格(相對于A類儀器)和較強的靈活性(相對于C類儀器)，更能適應市場的需求。加之采用本文所提出的方法能提高同步觸發精度和降低成本，使其具有更強的市場競爭力。