0引言

    測試與測量（test and measurement，t&m）的發(fā)展以測試總線的發(fā)展為標志。測試總線從gpib到vxi再到pxi，測試儀器也由機架式發(fā)展到了插卡式。但是t&m對數(shù)據(jù)傳輸與處理綜合要求的逐步提高使得這種發(fā)展已經(jīng)遠遠不能滿足人們的需求，于是以太網(wǎng)以其優(yōu)秀的傳輸性能開始被廣泛采用。

    人們開始在測試與測量系統(tǒng)中直接接入以太網(wǎng)，然后使用gpib、vxi或者pxi總線連接儀器，達到向遠程地點傳輸數(shù)據(jù)或者從遠程地點接收命令的目的。去年9月，agilent公司和vxi科技公司聯(lián)合推出了lxi（lanbased extensions for instruments），這是一種適用于測試系統(tǒng)的新一代基于lan的模塊化平臺標準。lxi總線不受帶寬、軟件和計算機背板體系結(jié)構(gòu)的限制，而且能利用日益增長的ethernet吞吐能力。

    lxi是一種基于網(wǎng)絡的儀器接口規(guī)范，為實現(xiàn)各種終端設備之間的同步控制，采用了以太網(wǎng)的精密時間協(xié)議（precision time protocol，ptp），即ieee1588。ieee1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡中，與網(wǎng)絡交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時鐘的協(xié)議（ptp）。下面介紹這種精密時鐘協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)、工作原理以及它的精度分析。

    1ieee1588體系結(jié)構(gòu)

    1.1關(guān)于精密時鐘

    一個1588精密時鐘（ptp）系統(tǒng)包括多個節(jié)點，每一個都代表一個時鐘，時鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡連接。按工作原理，時鐘可以分為普通時鐘和邊界時鐘兩種。二者的區(qū)別是普通時鐘只有一個ptp端口，而邊界時鐘包括多個ptp端口。在網(wǎng)絡中，每一個時鐘都可能處于下面3種狀態(tài)：從屬時鐘（slave）、主時鐘（master）和原主時鐘（passive）。每個時鐘所處的狀態(tài)是根據(jù)最優(yōu)化的時鐘算法決定的，圖2ieee1588的三層結(jié)構(gòu)這些狀態(tài)隨著網(wǎng)絡構(gòu)造的改變而改變。

    1.2ptp參考體系結(jié)構(gòu)

    ptp體系結(jié)構(gòu)的特別之處在于硬件部分與協(xié)議的分離，以及軟件部分與協(xié)議的分離，因此，運行時對處理器的要求很低。事實上，下面可以看到，ptp的體系結(jié)構(gòu)是一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

    ptp參考體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件單元由一個高度精確的實時時鐘和一個用來產(chǎn)生時間印章的時間印章單元（tsu）組成。軟件部分通過與實時時鐘和硬件時間印章單元的聯(lián)系來實現(xiàn)時鐘同步。

    圖1同步元件組成框圖

    ptp這種體系結(jié)構(gòu)的目的是為了支持一種完全脫離操作系統(tǒng)的軟件組成模型，如圖2所示。根據(jù)抽象程度的不同，ptp可分為3層結(jié)構(gòu)： 協(xié)議層、os抽象層和os層。

    協(xié)議層包含完成網(wǎng)絡時鐘同步的精密時鐘協(xié)議，它能運用在不同的通信元件中（如pc、集線器、路由器等）。協(xié)議層中使用的僅僅是ansi/iso c中的保角函數(shù)（conformal functions），因此無需對不同平臺的接口功能函數(shù)有很深的了解，就能很容易地移植該協(xié)議。協(xié)議層與os抽象層之間的通信是通過一個序列和3個精確定義的接口實現(xiàn)的。

    os抽象層包含了基于操作系統(tǒng)的功能函數(shù)，

    因此，這一層操作者必須掌握。這一層中包含ptp的3個通信接口：時間印章接口、時鐘接口、端口接口。時間印章接口通過對sync和delayreq信號加蓋時間印章來提供精密時鐘協(xié)議，同時根據(jù)精度需要決定到底是硬件還是軟件產(chǎn)生時間印章。產(chǎn)生“軟件時間印章”的最好方法是依賴操作系統(tǒng)的nic網(wǎng)絡接口卡驅(qū)動，并且要在傳輸媒介中取得越近越好。通過時鐘接口能夠?qū)Ρ镜貢r鐘進行讀和更改的操作，當然，這些操作是建立在熟知各類功能函數(shù)的基礎(chǔ)上。該接口包含了與時鐘同步質(zhì)量（如精確度、穩(wěn)定度等）密切相關(guān)的控制算法。端口接口用來分配/接收ptp信息。

    這種模塊化的軟件平臺在windows與linux中的應用是通過軟件中的時間印章實現(xiàn)的。純粹的軟件實現(xiàn)也能達到大約100μs 的精確度，而且精確度很有可能達到小于10μs的精確度。

    1.3ieee1588 與集線器

    ieee1588的精確度與所基于網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的偏移抖動（latency jitter）密切相關(guān)。測量時，點對點連接能提供最高的精確度，而hub的使用會產(chǎn)生網(wǎng)絡抖動（jitter）。當負載很低或者根本沒有負載時第二層集線器（layer 2 switches）的處理時間很短，一般是2μs~10μs外加信息包接收時間。但是，集