介绍一种B类LXI仪器总线同步触发技术

　　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。
　　
　　由于得到delay值后对offset值的计算是根据式（1）中的第一个式子得到，所以由图2N分析可得，offset值可以比精确值偏大，也可以比精确值偏小，且从概率上来讲应为等概的，故可采用较为简单的均值滤波算法进行平滑即可。
　　其次，引起误差的外部因素主要来自环境对系统和仪器的影响和时间印章（时间戳）的准确性，前者主要反映在晶振的速率上，而后者主要反映在IEEEl588时间协议的实现上。
　　在晶振速率方面，由于仪器的时钟是由普通晶振提供的，所以环境（如温度）的变化将极大地影响晶振的速率，常用品振精度不高，大概在100ppm左右，而对一般的LXI模块则每隔2s进行一次同步，那么可以计算得到两个模块之间最大的偏差是400μs，故不可忽略。通常高精度仪器的晶振可以安在恒温槽中（如 OCXO），但考虑到成本和仪器简化等因素，采用晶振同步自适应方法改进。设R，R′分别为主机和从机的品振速率，△t表示两次测量晶振速率的时间问隔。那么分别计算一段时间内每台从机记录的本地时钟时间，然后从机与主机进行比较来调整时钟计数值，调准方案如下式所示，M，N分别为存△t的时间间隔内主从机的时钟计数值。
　　为了使其更具自适应能力，可以根据上述方法计算t1′，t2′…tn′多个时间点时钟计数调整值，并据此由曲线拟合的方法得到下一时间段［tn′，tn+l′］内的晶振速率，起到不断校正品振偏差，使从机时钟达到跟随主机时钟变化的目的。
　　实现IEEEl588（PTP）时钟协议的方法有通过FPGA实现、通过集成有PTP协议的网络收发芯片实现等几种。通过FPGA实现的方法是最常用的，但方法繁琐、实现精度不高。而最近出现的集成有PTP时钟协议的实现方案方便快捷、实玑精度高，因此迅速被广大设计者所接受。其硬件框图如图3所示。
　　
　　在上述FPGA实现PTP的方案中，信息包加时间戳这一关键步骤也有几种实现方法，每种方法产生不同的同步精度。见图4所示。
　　
　　在图4中，最简单的IEEEl588实现包括在网络协议堆栈顶端的应用层加上通用的时间戳，实现过程中会出现最大的协议堆栈延迟波动，会产生最大偏差，这种情况下最差精度将被引入到时间戳中。并且在不同的操作系统中，偏差值会在几百微秒到毫秒之问，严重影响同步精度。
　　第二种是在中断层实现时间戳，其实现精度比应用层更高，但实现难度也随之增大。硬件辅助的方式可以得到最精确的同步时钟，产生的时间戳和物理层总线上事件的非常接近。使用专用以太网收发芯片的实现方案就是以这种方法实现PTP协议的，从而为得到最高的同步精度打好坚实基础。
　　3 基于专用芯片DP83640的实现方案
　　通过上述的分析得知，基于专用网络芯片的方案能获得最高的实时同步精度，同时又能简化设计。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时钟协议的全新网络收发芯片，它呈现如下三个关于IEEEl588的关键特性：信息包中包含用于时间同步的时间戳、IEEEl588时钟产生器、通过GPIO口的同步事件触发。并且NS公司还创新性地赋予了它独特的特性，其中包括基于错误预测的链接质量动态监测等。
　　具体而言，DP83640的特点主要有：支持IEEE1588V1和V2；支持UDP／IPv4和UDP／IPv6；IEEEl588时钟同步；8ns时间戳；12个触发和捕获IEEEl588的GPIO；可检测的低的传输和接收时延；链接质量动态监测；全双工／半双工和10／100Mb／s传输；支持双绞线和光纤接口等等。以上这些也保证了该芯片能很好地满足B类LXI仪器的同步要求。DP83640的功能模块框图详见图5。
　　本方案中采用最为常见的基于ARM9核的S3C2410作为处理器，在数据的发送和接收端采用集成有IEEEl588的网络收发芯片DP83640，两者之间是MAC层芯片，这里选用AX88196。图6给出的是S3C2410、AX88196和DP83640的主要连接框图。在DP83640 中，TX_CLK、TXD［0．．3］和TXD_EN共同构成了以太网络的数据发送接口。TX_CLK在100Mb／s模式下能输出25MHz的时钟信号，在10Mb／s模式下则能输出2．5MHz的时钟信号，该时钟信号来源于25MHz的系统参考时钟；同理，RX_CLK、RXD［0．．3］、 RX_DV和RX_ER构成了以太网络的数据接收接口，其中不同的是RX_DV和RX_ER反映了接收数据的有效或错误；COL则是用于网络中碰撞检测的。在处理器端，将地址总线、数据总线分别和MAC芯片的地址和数据总线相连，实现数据互通，详见图6。
　　
　　在上述功能的软件实现中，充分利用DP83640能提取数据包中的时间戳并发送给上层软件的特点，可在应用程序的改计中方便地实现同步、触发、延时响应等功能。再利用上文分析的算法提高模块的同步触发精度。软件流程见图7。
　　
　　在模块初始化中，包含了主从时钟的设定、外围部件初始化（如DP83640初始化）等等。上文中提出的对offset值的滤波、品振速率的计算和晶振偏差自适应算法也可利用上述框图实现，所不同的是两者利用不同的数据和不同的子程序。
　　4 结束语
　　LXI仪器借助以太网的强大功能和web的灵活性，使得在ATS中实现远程式、分布式成为可能。LXI基本不受带宽、软件和背板插槽的限制。其更广的覆盖范围、更好的继承性能、更长的生命周期和更低的成本使其具有更为广阔的应用与发展前景。其中B类仪器以其低廉的价格（相对于A类仪器）和较强的灵活性（相对于C类仪器），更能适应市场的需求。加之采用本文所提出的方法能提高同步触发精度和降低成本，使其具有更强的市场竞争力。