IEEE 1588协议在构建测试与测量系统中的好处及重要性

定时和同步在构建测试与测量（T&M）系统中至关重要，因此IEEE 1588精密时间协议的易用性和高性能对系统设计师来说具有特殊吸引力。本文将概述IEEE 1588给T&M系统带来的好处，特别是与LXI B类仪器功能配对使用时的好处；此外，这篇文章还会介绍如何将这些功能集成进仪器中，从而为高性能测试系统创建提供强大的构建模块。

IEEE 1588概述

IEEE 1588规定了一种精密时间协议（PTP），这种协议可以用来同步T&M系统中的时钟。在T&M系统实现PTP时，系统中的每台仪器、计算机或其它控制器都会有一个时钟。PTP允许同步所有这些时钟，并使它们保持同步。PTP要求在所有设备之间进行数据通信；在T&M系统中，一般利用以太网LAN实现通信。在T&M应用中也用过其它时间同步方法，包括网络时间协议（NTP）、全球定位卫星（GPS）系统和参考晶振信号的硬件方式分配。

然而，与上述这些方法相比，基于IEEE 1588的系统可以提供更精密和更准确的同步性能，还能提供标准以太网LAN网络连接所带来的好处。另外有迹象表明，IEEE 1588将在T&M领域之外得到广泛使用，从而具有更广泛的实用性，并通过规模经济实现IEEE 1588系统成本的下降。

LXI仪器与IEEE 1588

LXI概述：LXI（用于仪器的LAN扩展）联盟由最主要的一些T&M公司组成。自从几年前成立后，LXI联盟已经开发并发布了有关在仪器中使用以太网网络的数条标准。该联盟已经意识到IEEE 1588协议的潜力，因此LXI标准要求在多类LXI仪器中包含对IEEE 1588的支持。 LXI分类：LXI标准定义了三种设备。最基本的一类是C类设备，它规定了一致的LAN实现以及用于设置、控制和数据访问的web浏览器接口。这类设备还要求为规划中的接口提供IVI仪器驱动程序。B类设备构建于C类基础之上，要求使用IEEE 1588的时间功能和点到点LAN消息传递功能。A类设备构建于C类和B类基础之上，增加了一个高性能的硬连线触发总线，面向那些带有严格定时要求的应用。虽然本白皮书的内容主要讨论的是LXI B类设备，但LXI A类设备也包含了B类设备的全部功能。

LXI B类规范细节：IEEE 1588规范规定了PTP许多方面的配置以适合广泛的应用。这个规范试图设计得更为灵活，能够满足许多行业而不仅是T&M领域需求。另外，该规范仅对定时功能如何工作进行了标准化，没有对在任何特定应用中如何使用这些功能以及这些功能提供的时间戳的含义进行标准化。虽然这种灵活性有助于促进IEEE 1588在多个行业中的推广，但也会在特定行业中造成互操作性和易用性问题。因此，LXI B类规范提供了IEEE 1588配置和使用方面的额外指南。这些额外规范被选用，以裁剪和优化IEEE 1588在T&M系统中的操作和使用，从而确保所有LXI B类和A类设备之间的互操作性。

LXI B类规范定义了：

IEEE 1588的标准实现，包括针对T&M应用的裁剪

IEEE 1588提供的时间戳标准含义

包含时间戳的标准点到点LAN消息协议

连接事件、触发和动作的标准配置机制

用时间戳记录重要事件的标准记录机制

IEEE 1588和LXI B类规范给T&M系统设计带来好处

许多T&M系统都能从所有系统组件具有相同的精密时间中受益。T&M仪器及其应用的变化非常广泛，因此它们对精密时钟同步的需求也是千变万化。这些仪器或应用需要的独特功能以及要求的精确度各不相同，但以下例子描述了一些主要的测试系统需求。

测量数据时间戳：给测量数据打时间戳（也就是将时间与每个数据点关联起来）被广泛用于T&M应用。例如，时间戳有助于保持质量控制，满足规范要求。然而，只有当时间戳的准确性和精密度已知并可靠的情况下，才有助于实现这种目的。

通过使用IEEE 1588 PTP协议，LXI B类仪器可以同步到具有足够质量的单个时间源，从而满足应用要求，消除由于失步造成的问题，以及利用人工同步多个仪器和控制器时钟所带来的有关人力、不精确和误差风险。

当T&M系统中的所有仪器共享统一时间时，来自多台仪器的数据就可以通过简单地比较和排序时间戳进行可靠的关联。无需检查数据是否按正确顺序从仪器快速传送出来，因为时间戳可以在必要时用来正确排序数据。

系统查错是这种关联功能的一个尤为有用的应用。许多现代仪器可以记录重要事件，如测量触发和误差条件，而这些事件可以像其它数据一样打上时间戳。通过收集并关联这些使用时间戳的事件记录，事件的确切顺序就可以得到重建，即使是使用了多台仪器，也能验证正确的系统操作，并跟踪所有问题产生的根源。

同步测量触发：给数据打时间戳不是同步时钟的唯一用途。LXI B类仪器允许用户启动测量或其它动作，如在特定时间发送一个电压。采用这种方式后，这些IEEE 1588功能就可以协调测试系统的操作，无需使用硬件连接的触发电缆或中央控制器发出的精密定时命令。LXI B类仪器还能使用点到点LAN消息同步动作。从一台LXI设备发送消息到另一台，可以触发一个动作，而触发的时间可以是信息收到后立即启动（类似于硬连线的触发电缆），也可以是在未来的某个时间点。当系统组件非常分散以致于无法用物理触发电缆连接时，这些同步功能就显得特别有价值。

减少或避免系统延时效应：与其它通信总线相比，使用LAN互连T&M系统的一个潜在缺点，是LAN的延时及定时变化。虽然在许多应用中这不是个问题，但具有严格定时要求的系统，必须处理好LAN定时特性。在大多数应用中通过使用时间协调和同步触发及动作，可以消除人们在这方面的顾虑。

通过补偿内部延时，LXI B类仪器可以比硬连线的触发系统获得更好的实时触发性能。例如，如果一台仪器需要10ms作测量准备，那么用这台仪器做的测量总是要落后实际触发10ms。然而，使用基于时间的触发允许仪器对此进行补偿，方法是在触发规定的时间之前10ms就开始准备工作，因此测量可以精确地在触发时间点发生，而不是10ms之后。

系统设计考虑

LXI B类系统由一组LXI设备组成，这些设备可以是仪器、控制器或其它组件。每个设备都包含一个IEEE 1588时钟，相互间通过以太网网络互连。当系统第一次加电时，所有设备上都要运行最佳的主时钟算法，系统中的最高质量时钟将变成最高级时钟（GMC：Grand Master Clock）。接下来，所有其它时钟会与最高级时钟取得同步。如果有个设备增加到系统中或从系统删除，那么最佳主时钟算法将在必要时再次运行，以确定新的最高级时钟。

从时钟通过交换含有时间戳的特定以太网消息，同步到主时钟。PTP算法使用这些时间戳逐渐调整从时钟，直到它们与主时钟取得同步。所有时钟取得同步可能要花好几分钟，接下来主从时钟将继续周期性地交换消息以保持相互间的同步。

性能考虑：基于IEEE 1588的测试系统有许多可能的性能指标。在实际应用中一般会判断哪些指标对特定系统而言最为重要，但是有两种指标的使用非常广泛。第一种是主时钟的精度——主时钟与“正确”时间的接近程度。这通常在IEEE 1588讨论范畴之外，主要取决于最高级时钟的品质以及用来设置最高级时钟并维持正确时间的方法。使用GPS网络来获取并维持正确时间的高品质主时钟，目前应用十分广泛。 IEEE 1588系统性能的第二个有用指标是同步精度——从时钟同步主时钟并与主时钟保持同步的接近程度。有许多因素会影响这个指标，包括PTP算法本身、以太网网络配置和设计，以及从时钟设计和包含从时钟的仪器。

其它有用的性能指标反映在IEEE 1588逻辑与仪器其余部分之间的接口方面。例如，考虑这样一个仪器：它被配置为在某个确定时间输出一个电压。当IEEE 1588时钟到达那个时间时，逻辑将检测到这个事件，并触发仪器输出电压值。由于内部处理等原因，时钟到达目标值与出现输出电压之间肯定会有一个延时。这个延时是衡量接口延时的一个有用指标。

图1：在仪器中实现IEEE 1588时通常所涉及的元件。

对IEEE 1588仪器内部的基本了解有助于为特定的T&M系统设计选择合适的仪器。图1描述了仪器中实现IEEE 1588通常所涉及的组件：

IEEE 1588时钟——这是保持本地时间值的地方

IEEE 1588时钟控制——这个模块与PTP代码和包处理模块一起通过调整时钟获得/保持同步

IEEE 1588包处理——这个模块检测网络上的特定IEEE 1588包，并执行必要的处理

PTP堆栈——需要时可以使用其它模块实现总体PTP控制

仪器接口——这个模块向仪器其余部分提供与时间相关的服务，如基于时间的触发、时间戳值等。

判断哪些模块用硬件实现、哪些模块用固件实现，对于向测试系统构建师提供具有理想定时系统性能的仪器来说至关重要。IEEE时钟、时钟控制和包处理模块对同步精度有很大的影响，因此对所有最低要求的T&M应用来说，最好是找到用专用硬件或FPGA逻辑实现这些模块的仪器。

市场上已经有专门内置IEEE 1588硬件支持的商用微处理器和物理层芯片。使逻辑部分在电气上尽可能接近以太网具有许多性能优势，因此对高要求的应用来说，推荐选择使用带IEEE 1588逻辑的物理芯片设计的仪器。

IEEE 1588时钟模块经常被实现为由精密晶振驱动的计数器链。晶振稳定度成为影响高要求应用中同步精度的重要因素。稳定的晶振能够在主时钟的更新间隙中保持时钟精度。

仪器接口模块不会影响同步精度，但它会影响时间戳精度和基于时间的触发精度。如果这种模块用固件实现，那么正常的固件处理延时和开销将降低测量时间戳的精度，并增加时间触发和动作之间的延时。对于一些重要应用，应选择用硬件实现该模块的仪器。

用户接口考虑：对测试系统设计师和编程人员来说定时一直是一个重要的考虑因素，但大多数人不习惯于用IEEE 1588允许的直接方式处理时间。一个简单但有效的方法，是以与处理其它触发源一样的方式处理基于时间的触发，以便那些能够通过以太网发送的命令或通过硬连线触发电缆触发的任何动作，也能够在给定时间触发或响应LAN触发消息而被触发。同样，任何能够产生触发输出的内部功能，如测量完成或输出稳定，也应能产生合适的LAN消息。

更先进的方法允许测试系统集成商简单地通过构画时序图来编程测试系统，然后由软件转换为一系列基于时间的动作，并发送给合适的仪器。这种方法直接使用图上的时间值，无需将它们转换成延时值，也无需补偿通信或控制器的处理时间和延时。

基于IEEE 1588的仪器作为T&M系统的构建模块

Keithley公司型号为3706的系统交换机/万用表，就是一个带IEEE 1588/LXI B类功能的商用测试仪器，在构建T&M系统时如何将其作为一个有用且具成本效益的构建模块使用的极好例子。

一些背景知识可能有助于理解这类仪器给测试系统构建师提供的有利条件。

对于许多T&M应用来说，将PC作为控制器实现与独立仪器的通信，或使用带集成控制器的槽道式系统是完全可以的。然而在其它情况下，采用上述方法要么是“杀鸡焉用牛刀”（直接导致的结果是成本过于昂贵），要么是不足以执行任务。这些应用可以从基于脚本的仪器（如Model 3706）所能提供的额外功能和灵活性中受益。

采用基于脚本的仪器后，无需独立控制器就能建造出只有少量仪器的小型测试系统。其中有一台仪器用作控制器，并协调其它仪器的操作。大型系统可以分成多个只有少量仪器的子系统，每个子系统则由一台基于脚本的仪器加以协调。这样可以简化系统设计，并有助于提高性能。当采用基于LXI脚本的仪器时，这种子系统可以在物理上分布得更广，例如在装配线、科学应用或射频测试应用中。

Keithley公司的嵌入式测试脚本处理器（TSP）是一种板载微处理器，可以在仪器中存储和执行短程序（脚本），从而使得Model 3706能够不依赖独立控制器而开展测试。由于没有必要在仪器和控制器之间频繁地来回传送指令和结果，也就消除了控制器和通信延时，因此这种处理器可以显著提高T&M系统的总体性能。

TSP还支持通用脚本语言，这种语言具有计算和程序流控功能，并能扩展为仪器控制库（ICL）命令来执行仪器功能。ICL命令可以单独从一个控制器发送给仪器，或者是多条命令组成一个脚本，然后由从远端发送来或是来自前面板处的某个单独命令来执行。测试脚本可以用内置的web编辑器创建，也可以用测试脚本创建器（TSB）集成开发环境（IDE）创建。

Model 3706的交换主机和万用表组合，向系统构建师提供了系统设计中最急需的许多功能。3706在紧凑的机壳中包含6个插卡的插槽，非常适合中高通道数量的应用需要。

满载时，主机可以支持多达576个双线多路复用通道，因此具有无与伦比的密度和经济的每通道成本。内置万用表使得主机成为一种极高集成度的交换机和测量系统，可以满足功能性测试系统的严格应用要求，还能提供独立数据采集和测量应用所需的灵活性。

IEEE 1588-2002和LXI B类规范提供的功能完全被集成在Model 3706中。利用内置7-1/2位数字万用表做的测量数据，可以用IEEE 1588时钟打上时间戳。LXI B类LAN触发消息和基于IEEE 1588时间的触发可以像任何其它触发事件一样处理。Model 3706有一个灵活的事件系统，允许运行TSP脚本以响应触发。这些脚本可以根据触发消息执行仪器功能的任意目标组合。因为脚本还能发送LXI B类LAN消息，这意味着任何仪器事件都可以触发一条LAN消息，并用这条消息来触发或控制其它LXI B类仪器。

Model 3706包含用于配置网络和IEEE 1588功能的标准LXI B类网页，以及用于仪器控制和脚本编辑的网页，同时还提供LXI B类事件记录功能。