（测试计量技术及仪器专业论文）lxi逻辑分析仪模块硬件设计.pdf

摘要 摘要 伴随着计算机技术的发展和渗透，测试对象与任务的多样性要求，仪器总线 和自动测试系统的相关技术研究也在不断地推陈出新。在这种情况下，l x i 总线技 术由l x i 联盟从原有的v x i 总线技术基础上规范和提出。越来越多的测量仪器厂 家和研究单位投入到符合l x i 规范的设备仪器的开发中。 本课题主要是针对l x i 这种新型总线技术进行研究与探索，通过对l x i 相关 协议和技术的研究，进而实现最高采样率5 0 0 m h z ，具有6 4 个数据通道和4 个时 钟通道的符合l x i 规范的逻辑分析仪模块。 全文在研究分析l x i 总线技术规范和相关技术的基础上，阐述了l x i 设备的 一种设计思路，详细叙述了相关模块的设计过程。在前期充分的实验和总结之上， l x i 逻辑分析仪模块采用了a r m 9 + f p g a 基本架构，包含数据采集控制、系统时 钟同步与触发机制，l a n 通信由嵌入式微处理器的带网络支持的嵌入式操作系统 实现。整个结构主要包括前向通道、数据采集模块、嵌入式微处理器模块以及各 种接口等。 主要工作内容为：先从整体到局部就l x i 规范标准进行细致学习，并深入总 结研究了相关技术各部分的内容；同时不断对已有方案进行改进并予以验证，在 给出系统的硬件系统架构后，根据l x i 数据采集模块的技术指标要求分别实现模 块的硬件单元设计，配合软件系统的开发实现最终指标。最后，对课题做了技术 总结和改进展望。 关键词：l x i ，i e e e l 5 8 8 ，同步触发，逻辑分析仪 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp e n e t r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya sw e l la st h e d i v e r s i t yo ft e s t i n go b j e c t sa n dt a s k s ，t h ei n s t r u m e n tb u s e s ，a u t o m a t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e ma n dr e l a t e dp r o d u c t sh a v eb e e nu p d a t e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h el x ib u s t e c h n o l o g ys t a n d a r dh a sb e e nf o r w a r d e db yt h el x ic o n s o r t i u mb a s e do nt h ef o r m e r m o r ea n dm o r ec o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v ec o n c e n t r a t e de f f o r t st o d e v e l o pt h ei n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t sa c c o r d i n gw i mt h el x is t a n d a r d h o w e v e r , c u r r e n t l yt h e r eh a sb e e naf e wc e r t i f i e dl x ip r o d u c t si nc h i n a t h em a i ni s s u ei nt h ed i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c ht h el x is t a n d a r da n dt e c h n o l o g y a n db a s eo nt h i ss t a n d a r dt od e v e l o pt h el o g i ca n a l y z e rm o d u l ew i t hh i g h e s ts a m p l i n g r a t eo f5 0 0 m h z ，6 4d a t ac h a n n e l sa n d4c l o c kc h a n n e l s t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h el x ib u st e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g y , t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h ed e s i g nc o n c e p to fl x id e v i c e sa n dd e t a i l e d l y d e s c r i b e dt h ed e s i g np r o c e s so ft h er e l e v a n tm o d u l e s t h ed e s i g no fl x it h el o g i c a n a l y z e rm o d u l e su t i l i z e dt h eb a s i cf r a m eo fa r m 9 + f p g a ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，e l o e ks y n c h r o n i z e da n dt r i g g e rm o d e ，a n dl a nc o m m u n i c a t i o n sr e a l i z e db ya n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i mn e t w o r ks u p p o r tb a s e do ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fs a m p l i n gc h a n n e l ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s ， e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sm o d u l e sa n di n t e r f a c e sb e t w e e nt h em o d u l e s f i r s t l yt h e p a p e ri n v e s t i g a t e dt h eo v e r a l ll x is t a n d a r da n ds u m m a r i z e dt h et e c h n i c a lm e a n so f v a r i o u sp a r t s a f t e rt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mw a sa d v a n c e d ，w ed e s i g n e dt h e h a r d w a r eu n i to ft h em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fl x id a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e s t h el o g i ca n a l y z e rm o d u l ew a sr e a l i z e di nf p g ai n t e r n a lc i r c u i t s ， w h i l et h el x i t r i g g e ra n ds y n c h r o n i z a t i o ni nam i x e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r es o l u t i o n a tl a s t ，t h ep r o s p e c tt oi m p r o v et h es y s t e mw a s p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：l x i ，i e e e l5 8 8p t p ，s y n c h r o n i z a t i o n t r i g g e r , l o g i ca n a l y z e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：日期：2 0 0 9 年j 月土d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：t 嘲导师签名 日期：2 0 0 9 年f 月如日 第一章绪论 1 1 仪器系统总线的发展 第一章绪论 在日益发展的信息技术中，仪器系统的内涵是信息获取。人们利用仪器作为 基本途径，不断从自然界获取所需的各种信息。遗憾的是当前通过仪器系统所获 取的信息资源，尤其是测试系统中的各类测试数据，大多还不能进行实时传输、 存储与处理。由此可以说明，目前以仪器科学技术为标志的信息获取技术还不能 适应信息技术发展的大格局。 仪器总线也称测试总线，相当于测试系统的中枢神经系统，负责控制指令和 测试数据流的传输，起着至关重要的作用。伴随着计算机技术的发展与渗透，仪 器总线技术在上世纪近5 0 年的时间里取得了突飞猛进的成果，主要经历了g p i b 、 v x i 、p x i 等几个发展阶段【，如图1 1 所示。 基于p c i 总线 基于l a n 和硬触发总线 图1 - 1 仪器总线的发展历程 a g i l e n t 和v x i 公司针对g p i b 和v x i 总线技术优点进行总结，在此基础上于 2 0 0 4 年开发并颁布了新一代模块化仪器总线l x i 和相关技术规范。符合l x i 规范的仪器设备严格基于i e e e 8 0 2 3 、i e e e l 5 8 8 时钟同步协议、网络总线和浏览 器、t c p i p 协议、i c o m 驱动程序以及相关物理电气特性标准。l x i 仪器模块 自身已具有处理器、网络连接、电源和触发总线，相比与需要昂贵的电源、背板、 电子科技大学硕士学位论文 控制器等其他附属设施的模块化插卡框架，将大大降低成本。同时l x i 仪器模块 的标准机架单位高、全宽或半宽的机械尺寸为实现各种功能模块的混装提供了便 利。与传统的v x i 或p x i 系统不同的是，由l x i 模块组成的l x i 仪器系统不需要 零槽控制器和系统机箱，测试时通过主机或网络浏览器来控制和操作l x i 仪器模 块，i - c o m 驱动程序用来实现通信，最终将结果输出显示。 1 2l x i 仪器的研究现状 l x i 联盟由业界领先的测量仪器厂商( v x it e c h n o l o g yi n c 和a g i l e n t t e c h n o l o g yi n c ) 、系统集成商和最终用户于2 0 0 4 年共同组建的非盈利组织，其目 标是开发、支持和促进推广l x i 标准，用公开的标准与功能测试来获得对测试测 量的标准解决方案。联盟自成立以来不断研究相关技术及方案并推出l x i ( l a n e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，局域网的仪器扩展) 规范，目前己更新到1 3 版本。 如今l x i 仪器总线技术已广泛实际应用于众多测试系统领域，如美国海军综 合自动化测试系统( c a s s ) 、海军陆战队的第三梯队测试系统( t e t s ) 和陆军的 综合测试设备系列( i f t e ) 总线系统的升级改造等等。目前绝大多数著名测试测 量研究单位和厂商都已加入联盟成为会员，迄今已有5 3 家单位，如泰克、r & s 、 吉时利、v t i 等( 详见h t t p ：w w w 1 x i s t a n d a r d o r g c o m p a n yr o s t e r ) 。 a g i l e n t 公司作为l x i 联盟的主要发起者之一，自然大力推广l x i 技术的全面 应用。a g i l e n t 公司早在2 0 0 5 年9 月l x i 标准1 0 版正式发布时就宣布将陆续推出 3 0 种符合l x i 标准的测量产品。并在随后的短短数年里带动引发了仪器总线行业 对l x i 规范标准的高度关注和参与。当前全球总共推出1 3 5 个系列约1 1 7 0 余种支 持和通过l x i 验证的产品。如图1 - 2 所示。 国内方面加入l x i 联盟的企业主要有北京航天测控公司、普源精电、陕西海 泰电子和凌华科技等公司。全国测控、计量、仪器仪表学术年会，中国l x i 联合 体成立暨2 0 0 6 年总线技术与l x i 学术交流大会于2 0 0 6 年1 1 月在中国湖南省张家 界召开。中国的l x i 联合体包括约国内的1 0 0 所大学，研究机构和厂商。由此不 难看出中国企业正在以积极的态度参与和接入国际标准化组织。 2 0 0 8 年2 月2 5 日，普源精电( r i g o l ) 推出的d s l 0 0 0 b 系列四通道数字示 2 第章绪论 ； ； ； ； s ； s ； ji；j 三jj ：；j三jj ! 三 暑jji 图1 - 2 l x i 产品增长图 波器通过l x i 联盟的c l a s sc 认证，成为国内第一款获得l x ic l a s sc 认证的数字 示波嚣。并月在2 0 0 9 年1 月，普源槠电通过了l x i c l a s s c t e s t h o u s e 认证，成为 亚洲第一家l x i 标准兼容性测试实验室。在通过该实验室的认证和l x i 联盟的最 终授权后，设备制造商将可以在获得认证的产品外观设计和市场宣传中使用l x i 标志。 与此同时海蠢、航天测控等企业和北航、电子科大、西电等众多高校已经对 l x i 标准和相关技术有了深刻理解，并有不同级别的设计研制和工程实践，相信未 来将有种类更多、功能更强大的通过l x i 认证的产品面世。 几年来l x i 仪器及其实现技术的研究，已从利用传统仪器技术，通过增加相 关接口进行的l x i 仪器整机技术的研究，逐步发展成为啪模块化仪器和l x i 仪 器模块单元的实现研究。迄今l x i 仪器技术的快速发展，尤其是以l x i 设备( l x i 整机仪器、l x i 模块化仪器和l x i 仪器模块单元) 为自动测试系统主要组成部分 的仪器系统集成技术，正是得益于这种实现方式上的转变。从目前的发展趋势和 应用方向上，我们可咀预见今后的l x i 仪器系统将会有有更多的实现形式，如集 中架装式、集中与分布组合式、分布式以及l x l 仪器与其他种类总线仪器共同组 成的混合系统等。多实现形式的发展将会使l x i 仪器在应用领域上有更大的拓展。 同时l x i 技术最大的商机和意义正是在于使用方便、经济使用的开放式仪器 m删州 电子科技大学硕士学位论文 接口。未来伴随着1 0 g 以太网的发展和地域扩展，l x i 的网络架构可以向下兼容， l x i 技术将不断演进并完全可以实现全球接入。 我们有理由预见，l x i 技术的发展将像1 9 7 2 年g p i b 一样给测试测量行业带 来巨大影响。 1 3 课题的研究内容及设计要求 根据国内外l x i 规范标准的发展现状，本课题主要是针对l x i 这种新型总线 技术进行研究与探索。通过对l x i 相关协议和技术的研究，主要实现l x i 逻辑分 析仪模块的开发与研制。 该项目的总体目标是研制最高采样率5 0 0 m h z ，具有6 4 个数据通道和4 个时 钟通道的符合l x i 规范的逻辑分析仪模块。部分设计指标如下： 1 i e e e1 5 8 8 协议，同步精度到l u s ，分辨率l o o n s 。 2 支持硬件触发，触发精度到纳秒级( 5 n s 米) 。 3 触发方式：边沿，码形，序列，毛刺等协议触发。 4 毛刺检测：5 n s 。 5 最大采样率：5 0 0 m s a s 。 6 最大存储深度：2 m b 通道。 7 通道数：6 4 个数据通道，4 个时钟通道；通道间延迟误差： = 3 n s 。 8 支持以太网标准协议和软件标准接口；支持设备网页浏览访问设备。 本人在课题中承担的任务是：完成l x i 逻辑分析仪模块的硬件电路的设计与 调试。 4 第二章l x i 规范及其相关技术研究 第二章l x i 规范及其相关技术研究 2 1l x i 规范概述 l x i 标准使用开放的l a n 标准为系统设备间的通信来定义设备，同时不断的 发展，及时吸取当前和未来的l a n 的性能优势，融合g p i b 仪器的高性能和 v x i p x i 卡式仪器的小体积以及l a n 的高速吞吐率的优点，l x i 为用户提供了比 传统仪器总线更为快速廉价和紧凑微型的解决方案。l x i 规范必将成为基于以太网 的新一代自动测试系统模块化平台标准。 2 0 0 5 年9 月2 3 日，l x i 联盟( l c o n s o r t i u m ) 发布了l x i 总线标准的1 0 版本，并不断有相关的产品推出。目前标准的1 0 版本进行了部分修改，在2 0 0 8 年已更新到1 3 版本。l x i 规范参考了v x i 总线的格式，主要包括引言概述、机 械与电气说明、l x i 设备同步与事件、l x i 事件的数据通信、硬触发、l x i 界面的 程序设计与驱动、l a n 说明、l a n 配置、w e b 接口、l a n 识别、规范化文档、 l x i 商标和许可等十四章内容。 2 2l x i 仪器模块分类与特点 l x i 规范依据同步与触发种类和功能的不同而把l x i 仪器模块分为a 、b 、c 三种基本类型【2 1 ，以满足不同场合的应用要求。 c 类是基本类，也最简单。c 类支持动态口( d h c p ) 、s n m p 、d n s 、m d n s ( l x is t a n d a r dr e v i s i o n1 3 ) 等网络管理协议；仪器可以自动配置自己的口地址， 仪器或模块间可以通过l a n 进行连接；定义了对所有l x i 仪器都使用的网络通用 接口u i 和ia p i ，支持t c p i p 和t c p u d p 、m u l t i c a s t 等网络通讯协议。l x i 仪器还具有符合规范的网页浏览接口，使得用户在授权的情况下就可以像操作任 何一台虚拟仪器那样操作l x i 仪器的全部功能。基本类的这些技术特征使得不同 厂商开发的l x i 产品间拥有良好的移植性和兼容性。但是l x i 的c 类仪器模块只 是一致性的l a n 实现，对同步触发并没有特殊要求。 c 类设备特别适合在系统中尚无符合l x i 规范的产品应用中或者是无需提供 高精度触发与同步的场合。c 类还包括一些低成本的小体积设备，如使用电池或 5 电子科技大学硕士学位论文 p o e ( p o w e r o v e r e t h e m e t ) 供电的传感器等等。 b 类包括c 类的全部功能，且增加了基于i e e e l 5 8 8 精密时间同步协议的触发 功能带合i e e e i5 8 8 协议的b 类仪器都内置一个高精度系统时钟和实现i e e e l 5 8 8 协议封装、解析的软件。在i e e e l 5 8 8 系统中，b 类l x i 仪器通过将自身内部系统 时钟与当前网络中最精确时间( 公共意义上的主时钟) 的同步，实现系统内仪器 设备的协调同步工作。同时b 类l x i 仪器模块可以为所有事件和数据加盖时间印 章，可以不需要触发线来同步测量或输出信号，实现在预先设定的时间开始或停 止测量。 l x i 的a 类仪器模块在涵盖b 类和c 类的所有功能之外，又增加了基于硬件 触发总线的触发功能，并对相关同步精度有更高要求。通过硬件触发总线，仪器 模块间可以以标准方式提供极短反应时间的触发信号( 约5 n s 米) 。在中国l x i 联 合体的成立大会上，a g i l e n t 就展示了其研制的边界时钟设各在连线6 0 m 情况下可 以达到4 0 n s 的最大同步触发误差。这种8 通道的m l v d s ( 多点低压差分信号) 硬件触发总线可以将相距很近的仪器模块以星型、菊花链或它们的组合方式进行 连接，这是一种传输速率更快，精度更高，组合灵活的触发拓扑结构。同时在其 基本类型上可以增加更多的功能。 图2 1 是l x i 仪器的三种基本类型功能关系图。 图2 - 1l x i 仪器等级艽系图 可以总结l x i 仪器模块有三个关键的功能： 1 有开放的标准化l a n 接口( 无线连接接口和物理连接接口) 提供基于端 口和程控的网络框架。 第二章l x i 规范及其相关技术研究 2 有基于i e e e1 5 8 8 精密时钟同步的触发性能。实现了仪器模块的触发对时 问敏感和基于时间印章的触发事件。 3 硬件触发总线符合m - l v d s 电气特性。 综上所述，l x i 模块化仪器具备的许多优势可以归纳为以下几个方面【3 】： 1 开放式工业标准。各种物理通信媒介都被允许在网络中使用，如光纤、同 轴电缆和无线。具有高速传输和良好对称性架构的l a n 独立于操作系统，且没有 u s b 中的主从工作模式。同时作为众多仪器生产厂商都支持的行业标准，基于l a n 的测试开发较之其它尤为简单且周期短，同时能保证测试寿命和兼容性，易于现 有仪器产品的移植。 2 l a n 卓越的传输性能。l a n 已安装到每一台计算机，并已得到人们的广泛 接受。l a n 所能提供的对等层通信是其它的点对点接口标准所不能实现的。采用 高速l a n 替代专用测试接口，日益增长的e t h e m e t 吞吐能力能满足测试领域更快 数据传输率的需要。 3 向后兼容性。符合规范的l x i 模块体积比v x i 、p x i 等可扩展仪器更小， 物理尺寸上只占1 2 或全宽的标准机柜尺寸。同时允许扩展为大型卡式虚拟仪器系 统并且在升级现有测试系统时而不需要进行重新配置。这种基于l a n 的仪器体系 结构提供了长寿命仪器的基础。不受带宽、软件和计算机背板结构的限制，使用 灵活，是新一代自动测试系统的理想方案。 4 成本低廉。对现有台式仪器的核心技术予以保留的同时仍能满足民用和军 用客户的要求，同时结合最新科技可以方便的组成各种测试系统，减少了昂贵的 机架和接口，使得l x i 模块的成本明显低于相应功能的台式仪器和v x i 、p x i 仪 器。 5 良好的互操作性。基于l x i 的测量功能模块可构成模块化的合成仪器结构 ( s y n t h e t i ci n s t r u m e n t s ) ，配合软件就可以实现多种不同功能的仪器，从而组合成 面向目标服务的各种高效灵活的测试单元，提高了系统的机动灵活性，大大降低 测试系统的体积和成本。 6 无地域限制的l a n 连通能力。l a n 联通能力能使l x i 模块在世界上任何 地方被访问操作而可以构成分布式网络测试系统。e t h e r n e t 的连接距离可达1 0 0 m ( 点到点) ，使用h u b 、s w i t c h 、r o u t e r 的环绕半径为2 0 0 m ，如果使用光纤 则可以扩展到数千公里。 7 方便及时的引入新技术。l x i 测量功能模块具备完备的i o 定义文档，因此 在进行模块和系统升级更新时仅需核实新技术是否涵盖其替代设备的全部功能。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 3l x i 标准规范及关键技术研究 2 3 1l x i 模块的物理电气特征 为降低仪器设备的复杂度和空间尺寸体积，多数l x i 设备只提供最精简的操 作而为测试系统提供紧凑密集的解决方案。l x i 标准1 3 版本就规范了l x i 设各遵 照的物理特征有t n - - 类【4 l ： 1 无安装机架的设备。 2 仝宽安装机架的设各( 参照i e c 6 0 2 9 7 标准) 。 3 半宽安装机架的设备。 其中1 2 规范中既有的半宽机架的外壳模型和参考尺寸如图2 - 2 和表2 - 1 所示。 圜2 - 2 “i 标准提供的模块外型示意图 表2 - 1l x 模块参考尺寸 i r 遗 i r u 高2 r u 高3 r u 高4 r u 高 r a i n l n e l l i n c hm mi n c hj n e l l 高度 4 36 91 7 2 8 8 1 434 71 3 2 5 952 21 7 70 469 7 前面板宽度 2 159 r a m ( 85 i n c h ) 体宽度 2 1 59 r a m ( 85 i n c h ) 总体深度符合1 e c 规范 前面板深度 3 20 r a m ( 12 6 i n c h ) 凹槽上轨 16 m m ( 00 6 2 5 i n c h ) 凹槽下轨 40 r a m ( 0 1 6 r n m ) 第二章l x i 规范及其相关技术研究 同时，l x i 规范推荐在l x i 设备后面放置电源连接、l a n 和触发总线，在前 面放置用户连接和用来指示电源和l a n 状态的指示灯，使得用户能够方便快捷的 了解当前设备工作状态或者连接问题。同时推荐使用前面板放置的状态指示灯表 明当前i e e e l 5 8 8 时钟系统的运行状况。图2 - 3 是根据规范推荐给出的示意图。 l * e # ；撩糟鲁黼黼 盟2 - 3l x i 模块示意图 可以由标准的a c 电源来进行符合规范的l x i 设备电源系统的设计。当交流 电源不是很理想的情况下也可选择使用带有电流熔断或过流保护的独立隔离d c 电源。同时仪器模块的c s a 、e n 和u l 等其他一些安全标准都需要参照相关专业 规范予以考虑。 在本设计中我们的电路板卡设计均参考了上述规范要求，目前整机组装后为 全尺寸宽，2 u 高以内，各种接口布局和设置完全符合规范的物理标准。电源部分 我们选用了威强公司i u i 拘a t x 电源带有过压保护和保护锁定功能，经测试各项 指标符合规范要求。相关图片参见附件。 2 3 2l x i 模块间基于事件消息的数据通信 l x i 仪器模块间是依靠通用的以太网接r n 实现包括各种触发信号、测量数据、 模块的配置信息以及i e e e l 5 8 8 时钟同步信息等在内的数据消息通信。不同等级的 l x i 仪器模块对消息的格式、数据的可靠性以及通信的实时性都提出了不同的要 求，特别是测试系统的高精确度和准确性更依赖于数据通信的实时性与可靠性。 l x i 模块间通过直接传送事件消息的数据包形式而实现数据通信。它包括基于 电子科技大学硕士学位论文 u d p 的多点传送和基于t c p 的点对点传送。每个消息包含系统中某些事件出现的 时间印章以及所产生的信号。另外也可以根据需要通过编程实现系统仪器间的消 息广播。 根据l x i 仪器模块的功能分类，l x i 仪器模块有下列三种通信模式： 1 系统控制设备与模块设备通过局域网利用命令消息实现通信。 2 模块设备之间直接用状态消息通过局域网进行通信。 3 模块设备之间通过l x i 硬触发总线用硬件触发方式实现事件通信。 关于数据包的大小，规范中指出对于u p d 模式的多点传送，l x i 事件数据包 的大小不会比单网络数据包大。 同时规范中也定义了数据包的格式如表2 2 所示。 表2 - 2l x i 规范定义的数据包格式 开头字事件时间 域值顺序号时间戳标志位数据段 o 检测 i d 起点 无符号3 2无符号无符号 3 字节 1 字节1 6 字节 1 0 字节 2 字节 佰格犁1 6 位1 6 位 相关详细说明可参考文献 4 】。下面仅以时间戳定义为例进行介绍。 长度为1 0 个字节的时间戳( t i m e s t a m p ) 用来表明此消息数据包中事件已发 生或将要发生的时间。时间戳的生成和捕获是模块间同步与触发的基础。我们可 以定义时间戳的格式如下： s t r u c tt i m e r e p r e s e n t a t i o n u i n t e g e r 3 2s e c o n d s ： u i n t e g e r 3 2n a n o s e c o n d s ： u i n t e g e r l6f r a c t i o n a l n a n o s e c o n d s ： ) 其中，变量s e c o n d s ，n a n o s e c o n d s 都是3 2 位i e e e l 5 8 8 类型时间戳。变量 n a n o s e c o n d s 的首位是重要的符号位，首位是1 表示是负数，首位是0 表示是正数。 其后3 1 位表示时间。t i m e r e p r e s e n t a t i o n 定义了一个有符号数表示时间戳和时间间 隔，排列成如下格式：s e c o n d s ，n a n o s e c o n d s ，f r a c t i o n a ln a n o s e c o n d s 例如： + 2 0s e c o n d s 表示成s e c o n d s = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 2 和n a n o s e c o n d s = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 第二章l x i 规范及其相关技术研究 2 0s e c o n d s 表示成s e c o n d s = 0 x 0 0 0 0 0 0 0 2 和n a n o s e c o n d s = 0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 + 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1s e c o n d s 表示成s e c o n d s = o x 0 0 0 0 0 0 0 2 和n a n o s e c o n d s = o x 0 0 0 0 0 0 0 1 应当注意时间戳的含义是完全由测试系统的开发者对仪器系统正确配置所确 定的，而不是由l x i 规范所指定的。时间戳可以表示一个事件在发送模块中发生 的时间，而在其他情况下也可以表示接收模块执行某项功能的时间。但在大多数 场合，时间戳常用来规范预先定义事件的发生时间。 同时应当明确l x i 规范中对数据包的定义指定只是很少一部分，还留有许多 灵活的空间和内容给开发和系统集成；同时每个数据包的具体功能会因事件和仪 器模块的配置不同而有很大差异。 2 3 3l x i 模块的触发策略 测试系统中各仪器设备间同步与触发的实现精度高低是l x l 分布式测试系统 性能的一个关键技术指标。高精度的同步触发是系统内多台仪器间协同有效工作， 从而获取可靠的测试数据的重要保证。这直接关系到本设计的核心技术参数，课 题的研究也是紧紧围绕此技术实现而展开。本设计中的l x i 逻辑分析仪模块支持 i e e e1 5 8 8 协议，同步精度到l u s ，分辨率为l o o n s ；硬件触发精度到纳秒级( 5 n s 米) 。 2 3 3 1l x i 的触发模式 符合l x i 规范的设备共有5 种触发模式【2 】： 1 命令行驱动触发( a 、b 、c 级都可以使用) c p u 直接向系统内的l x i 模块发送触发指令，所有模块在收到命令后执行预 先定义动作。这与其它总线仪器已有的线缆触发方式类似，如g p i b 、v x i 、p x i 等。这种触发方式的优点就是容易实现，结构比较简单。但是这种方式的性能和 可靠性是最差的，因为许多不确定的因素如延迟、抖动等大量存在于局域网通信 当中。同时使用命令行驱动触发方式还需要注意各个仪器和c p u 距离不等带来的 传输距离各有差异，从而造成了仪器收到命令信息的时间差距较为明显，这对系 统的同步精度影响很大。所以采用这种方式时尽量考虑局域网，同时使得系统内 所有仪器和c p u 的距离尽量相等。 2 局域网消息同步触发方式 仪器模块间可以直接发送含有触发信息的数据包。这种方式适合内部含有系 统时钟的a 和b 类l x i 仪器。若应用于c 级，时间戳设置为0 。l x i 仪器中支持 电子科技大学硕士学位论文 接收端可以对收到的数据进行回看，因此基于l a n 消息触发的数据包中需要有原 始事件发生的确切时间信息的支持。 如前文所述，l x i 规范支持u d p 协议和t c p 协议的局域网触发通讯。 l x i 仪器模块使用u d p 协议的多播方式来实现基于u d p 的局域网消息触发， 从而达到一对多的触发通讯。虽然使用u d p 协议进行数据传输的速度较之使用 t c p 协议要更快，但在远距离传输时u d p 数据很有可能会丢失，这是因为大多数 l a n 的路由器被配置成阻塞u d p 多播，这种方式提供的是不可靠的消息传递。 相比于u d p 多播，基于点对点的t c p 协议的通讯方式提供更为可靠的消息传 输式。但由于t c p 协议实现的是握手与数据流控制的复杂结合，传输速度和吞吐 量相对较低，这些劣势使t c p 协议触发通信的应用较少。 3 基于i e e e l 5 8 8 精密时间协议( p r e c i s i o nt i m ep r o t o c o l ，p t p ) 的同步触发方 式。 根据规范，i e e e l 5 8 8 p t p 应用于l x i 的a 和b 类仪器。i e e e l 5 8 8 p t p 允许在 不需要用户干预的情况下，局域网内不同仪器的系统时间可以自动透明地同步到 很高的精度。在网络中选择其中一个l x i 仪器做为主时钟仪器，其它仪器为从时 钟仪器。 i e e e15 8 8 p t p 通过基于系统已有时钟设置触发事件的方法可以在多数的l x i 设备上实现同步时钟。既可以用纯软件来实现，也可以以能够提供更精确的时间 同步的专门的硬件实现。时间的精度和不确定性主要依模块和i e e e1 5 8 8 执行的情 况而定，通常期望在几十纳秒到亚微秒间。 可以设定在指定的时间发起触发或事件，也可以在接收到指令后立即产生， 但是这种情况下会因为控制系统的延迟而产生较大的误差。 4 硬件触发总线 l x i 规范也定义了支持传统模式的硬件触发总线，并仅要求在a 类仪器中使 用。l x i 硬件触发功能使用统一原理且可以相互连接，提供可选择的、冗余的比 i e e e l 5 8 8 更加确定的模块内部触发，以及在要求高精度或者低延迟的应用中实现 基于l a n 的触发。l x i 设备发送或者接收触发信号，进行相关的硬件触发操作就 是依靠l x i 触发总线或者营运商给定的特殊的硬件连接导线。 因为硬件触发方式需要专门的接口和连接线来完成，所以a 类设备除了l x i 仪器应有的l a n 接m 多, i - 还须具有用于实现设备之间硬件触发的接口，这也正是a 类设备独有的特点。 8 通道可编程的l x i 硬件触发总线接口是一个2 5 针1 0 0 m h z 的基于多点低压 1 2 第二章l x i 规范及其相关技术研究 差分信号f m t v d s ) 的l x i 专用接口【6 1 ( 如图2 - 2 所示) 。其中8 对差分信号触发 线其中的每个通道都可以携带独立的触发信号。每个a 类l x i 设备有两个触发总 线连接器，在多台仪器间可以构成菊花链连接、星型连接或者两者组合的混合链 接三种连接配置方式，如图2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 所示，极大地方便了自动测试系统的组 建。 幽2 4 菊花链型结构 触发总钱终端 图2 - 5 星形结构 附2 - 6 混合型结构 不同的设备使用不同的触发通道。不过当触发信号的功能未固定时，设备也 可以利用触发通道来传输内部信号。设备之间硬件触发的实现仍然属于本地性的 触发方式但这些本地性系统可以借助l x i 设各专用的集线器等网络连接器来组 成区域性的测试系统，通过l a n 消息和时基的触发方式来达到设各间的同步。 电子科技大学硕士学位论文 下文将详细介绍a 级l x i 硬件触发接口。 2 3 3 2l x i 硬件触发总线接口 l x i 硬件触发总线的每个通道都可以独立使能，并且可以分别配置成输入或者 输出( 或两者) 的形式。图2 7 是l x i 硬件触发总线单个通道驱动器和接收器的 连接图。 拿 一i 争 v o 议弋-文、 文， 工“ 文、l 磊磊。习|v，秽 设备1设备2设备3设备n 图2 7 硬件触发总线单通道驱动器和接收器连接图 1 m l v d s 标准的电气特性 m - l v d s 可以实现高达5 0 0 m b s 的信号传输速率，并且通过对输出数据的压 摆率和输出幅度的控制，驱动器输出电压偏移为1 + 3 4 v ，比l v d s 标准提高了 + l v 的噪声容限，这就使得m l v d s 可用于其交换电路暴露于噪声源的场，进而 很好地解决了电磁干扰问题；同时提供了比l v d s 更大的驱动电流，5 0 q 负载下， m - l v d s 驱动器输出驱动电流大约是l v d s 的3 倍。因而m l v d s 在实现多点 l v d s 连接的基础上很好地满足了触发总线低迟、低抖动和高速传输的要求。 m - l v d s 标准中规定了1 型和2 型两类接收器。图2 8 为1 型和2 型接收器的 输出相应与输入信号幅度之间的对应关系。 麓 分 输 入 i 也 雕 图2 - 8m l v d s 接收器差分输入电压阂值要求 与l v d s 接收器相同，当输入介于5 0 - - - + 5 0 m v 时l 型接收器输出不确定。2 1 4 黼w 獭 w 第二章l x i 规范及其相关技术研究 型接收器在1 型接收器的基础上增加了1 0 0 m v 的偏移，总线输入差分信号小于 5 0 m v 时输出为低，大于1 5 0 m v 时输出为高。2 型接收器适用于控制信号及低速 信号传输，而l 型接收器将差分噪声容限最大化，适用于高速信号传输。l x i 硬件 触发总线的每个通道均使用l 型m l v d s 接收器。 2 m l v d s 标准的电气兼容性 m l v d s 接口保证了与其他接口标准的兼容性。通常情况下，m l v d s 接口电 路的电平低于其他接口标准的信号电平，如t i a e i a - 4 2 2 、t i a e i a 4 8 5 或它们的 n u t i s o 等效标准。将它们的信号电平衰减到m l v d s 接口电路工作允许的范 围内，就能保证m l v d s 与其他接口标准的兼容性。在检测差分信号时，m l v d s 也能保证与其他标准兼容，如1 型m l v d s 接收器最低输入电压阈值为5 0 m v ， t w e l “6 4 4 接收器为1 0 0 m v ，t i a e i a - 4 2 2 或4 8 5 接收器为2 0 0 m v 。相关的差分 接口标准的电平范围如图2 9 所示。 薹 箩 u 1 2 l o i q 德s l i 嗣2 3 #嘲珏 | 2 ：网l 1 5 1 0 毒1 竺一j i l o i 净 捌 图2 - 9 差分接口标准的电平范围 3 l x i 硬件触发总线终端连接器 l x i 触发总线传输线的两端需要使用终端连接器端接。对于每个独立的通道， 在同相信号线和反向信号线之间串联2 个5 0 q 电阻，并且2 个电阻的连接点与地 之间连接1 0 n f 电容。触发总线连接器还提供了+ 3 3 v 的电源输出，满足了端接其 的功能要求，同时电流限制在1 0 0 m a 以下。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 2 3 4l x i 模块的高精度时钟同步策略 为实现l x i 测试系统中各种终端设备之间的同步控制，规范采用了以太网的 精密时间协议，即i e e e l 5 8 8 。i e e e1 5 8 8 协议标准的技术最初源于a g i l e n t 在分布 式测量和控制任务中的应用，它定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、 本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议。系统会记录测量的值和提供一 个精确的系统时间印章。基于这个时间印章，不同仪器设备间的测量值就有了相 互联系。 2 3 4 1i e e e l 5 8 8 的体系结构 每个i e e e l 5 8 8p t p 系统包括多个由网络连接的时钟节点。而每个时钟节点都 可能处于从属时钟s l a v e 、主时钟m a s t e r 和原主时钟p a s s i v e 三种状态。当 前时钟节点究竟处于何种状态可以根据最优化