lxi技术讲座稿(编辑修改稿)

lxi技术讲座稿(编辑修改稿)内容摘要：

控者。 SCPI 设计了通用仪器模型，每一个方框分别对应于产生信号、处理信号和测量信号等子系统。 编程人员不必了解具体仪器的硬件，只要根据需要选择有关系统的指令即可。 利用通用仪器模型， SCPI 命令格式采用树状层次结构，分为多个子系统 , 每个子系统由一个根命令和一个或数个层次命令构成。 根据需要，找到子系统模块，然后沿着树从顶向下寻找各分支，检查有没有要执行的功能指令。 若有，则无需进行变动，可直接写出完整的命令。 SCPI 命令有着很多的语法规则，有命令、参数、标识、标点符号、大 /小写等。 虽然语 法规则多，但是其间有着许多的共同点和联系，从而对用户来讲使用起来方便、灵活。 这就要求仪器的研发者能把分析这些语法的过程做进去从而可以降低使用者的难度，鉴于此，对于LXI 仪器系统必须设计自己的 SCPI 命令解释器。 它所能做的就是解析、翻译这些命令，在明白和理解的基础上，实现自己的功能，如读写寄存器、进行测量、信号输出等响应消息。 所以 LXI 仪器中的 SCPI 命令解释器显得很格外重要，它的主要功能是翻译控者的 ASCII 命令使自己能懂，同时发出相应消息使控者能识别。 解释器的功能是对输入指令进行语法检查并找到树枝下对应 的仪器函数。 因为 SCPI 指令具有分节和分层的特点，采用了基于树结构的方式对输入的指令进行解释。 分为扫描程序，建树程序，解释程序三部分组成。 其 具体 流程如下 : (1) 扫描程序： SCPI 命令解释器首先对控者的输入指令（ ASCII 字符串形式）进行扫描 , 根据分割符位置将输入的命令拆分为子系统根命令、层次命令、参数以及单位部分。 因为任何特定仪器解释通用命令的方式是一样的，所以不考虑它们的路径。 (2) 建树程序： 根据 ( 1) 识别的子系统根命令动态加载相应的命令树。 仪器从自己的每个根目录不断查询是否匹配自己定义的 各条路径。 如果匹配第一级目录命令，则继续在这个根目录下寻找匹配的子系统模块，然后跳入相应的更小分枝中继续查找下一个标点前的匹配字符路径所对应的模块。 (3) 解释程序： 从根到枝的末端，也就是从上到下，根据 (1)识别的层次命令自顶向下遍历命令树，如果直到某一路径的末端，该路径分枝的命令与输入的字符串的内容完全匹配，即遍历成功，在子系统命令树的每个叶节点除节点内容以外还存放对应仪器函数的编号。 这时返回叶节点仪器函数的编号，并做出相应于此命令的回应。 如果在这个根下没有找到完全匹配的路径命令，则说明输入语法错误 , 返回错误消息，从内存中释放树结构。 这种分析方法就是对命令层层剥析的过程，始终验证输入的字符串是否与命令解释器中设定的 SCPI 命令树一致，遇到无匹配命令、超过特定层数或回车符即跳出查询。 执行组件是一组与 LXI 仪器函数对应的编号表。 根据解释器的返回值，执行组件首先判断是否有语法错误。 如果没有错误则通过查表找到该函数，然后验证参数并执行。 如果是查询命令还需要将执行结果放入到输出队列；如果发生语法错误则通过修改状态报告模型中的相应位表明产生了语法错误。 第 四 章 1588 同步时钟的分析及软硬件实现 IEEE1588 体系结构 关于精密时钟 IEEE1588 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 (PTP)。 一个 1588 精密时钟 (PTP)系统包括多个节点 ,每一个都代表一个时钟 ,时钟之间经由网络连接。 按工作原理 ,时钟可以分为普通时钟和边界时钟两种。 二者的区别是普通时钟只有一个 PTP 端口 ,而边界时钟包括多个 PTP 端口。 在网络中 ,每一个时钟都可能处于下面 3 种状态 :从属时钟 (SLAVE) 、主时钟 (MASTER) 和原主时钟 (PASSIVE)。 每个时钟所处的 状态是根据最优化的时钟算法决定的 , 这些状态随着网络构造的改变而改变。 PTP 参考体系结构 PTP 体系结构的特别之处在于硬件部分与协议的分离 ,以及软件部分与协议的分离 ,因此 ,运行时对处理器的要求很低。 事实上 ,下面可以看到 ,PTP 的体系结构是一种完全脱离操作系统的软件结构。 PTP 参考体系结构如图 1 所示。 硬件单元由一个高度精确的实时时钟和一个用来产生时间印章的时间印章单元 (TSU)组成。 软件部分通过与实时时钟和硬件时间印章单元的联系来实现时钟同步。 图 1 同步元件组成框图 PTP 这种体 系结构的目的是为了支持一种完全脱离操作系统的软件组成模型 ,如图 2 所示。 根据抽象程度的不同 ,PTP 可分为 3 层结构 : 协议层、 OS 抽象层和 OS 层。 图 2 IEEE1588 的三层结构 协议层包含完成网络时钟同步的精密时钟协议 ,它能运用在不同的通信元件中 (如 PC、集线器、路由器等 )。 协议层中使用的仅仅是 ANSI/ ISO C 中的保角函数 (Conformal Functions) ,因此无需对不同平台的接口功能函数有很深的了解 ,就能很容易地移植该协议。 协议层与 OS 抽象层之间的通信是通过 一个序列和 3 个精确定义的接口实现的。 OS 抽象层包含了基于操作系统的功能函数 ,因此 ,这一层操作者必须掌握。 这一层中包含PTP 的 3 个通信接口 :时间印章接口、时钟接口、端口接口。 时间印章接口通过对 Sync 和Delay2Req 信号加盖时间印章来提供精密时钟协议 ,同时根据精度需要决定到底是硬件还是软件产生时间印章。 产生“软件时间印章”的最好方法是依赖操作系统的 NIC 网络接口卡驱动 ,并且要在传输媒介中取得越近越好。 通过时钟接口能够对本地时钟进行读和更改的操作 ,当然 ,这些操作是建立在熟知各类功能函数的基础 上。 该接口包含了与时钟同步质量 (如精确度、稳定度等 ) 密切相关的控制算法。 端口接口用来分配 / 接收 PTP 信息。 这种模块化的软件平台在 Windows 与 Linux 中的应用是通过软件中的时间印章实现的。 纯粹的软件实现也能达到大约 100μ s 的精确度 ,而且精确度很有可能达到小于 10μ s 的精确度。 IEEE1588 的时间同步实现 IEEE1588 仪器的同步过程可以总结为五个步骤 : (1)器件选择系统中最精确的 一个时钟作为主时钟； (2)主时钟发出同步脉冲和启动时间 ,所有的从时钟接受该时间； (3)每个 从器件向主器件发回时间信息 ,主时钟计算相应的偏移时间 ,即从器件发回时间与接收时间之间的差值； (4)主时钟向每个从器件发送各自的偏移时间 ,从器件做时间调整与补偿 ,实现与主时钟的同步； ( 5)主时钟定期的发送同步脉冲 ,保持主、从时钟的精确同步。 同步过程分为两个阶段： 偏移 测量阶段和延迟测量阶段。 偏移测量 偏移测量阶段用来修正主时钟和从属时钟的时间差。 在这个偏移修正过程中 ,主时钟周期性发出一个确定的同步信息 (简称 Sync 信息 ) (一般为每两秒一次 ) ,它包含了一个时间印章( time stamp) ,精确地描述了数据包发出的预计时间。 如图 3 所示 ,假设同步之前主时钟的时间为 Tm = 1050s ,而从属时钟的时间为 Ts = 1000s。 主时钟测量出发送的准确时间 TM1 ,而从属时钟测量出接收的准确时间 TS1。 由于信息包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间 ,所以主时钟在 Sync 信息发出后发出一个 Follow_Up 信息 ,该信息加了一个时间印章 ,准确地记载了 Sync 信息的真实发出时间 TM1。 这样一来 ,从属时钟使用 Follow_Up 信息中的真实发出时间和接收方的真实接收时间 ,可以计算出从 属时钟与主时钟之间的偏移 (off set) : 图 3 偏移测量 Off set = TS1 TM1 Delay 这里要说明的是 ,上式中的 Delay 指的是主时钟与从属时钟之间的传输延迟时间 ,它将在下面的测量阶段测出 ,所以在这里是未知的 ,从偏移测量阶段就提供了一个修正时间 (Adjust Time) ,将从属时钟修正为 : Adjust Time = Ts Off set 延迟测量 延迟测量 ( delay measurement ) 阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。 为了 测量网络的传输延时 , IEEE1588 定义了一个延迟请求信息包 (Delay Request Packet) ,简称 Delay_Req。 图 4 延迟测量 如图 4 所示 ,从属时钟在收到 Sync 信息后在 TS3 时刻发出延迟请求信息包 Delay_Req ,主时钟收到 Delay_ Req 后在延迟响应信息包 (Delay Request Packet ,Delay_Resp) 印章出准确的接收时间 TM3 ,并发送给从属时钟 ,因此从属时钟就可以非常准确地计算出网络延时 : TM2 → TS2 :Delay1 = TS2 ( TM2 + Off set) TS3 → TM3 :Delay2 = ( TM3 + Off set) TS3 因为网络延迟时间是对称相等的 ,所以 : Delay =(Delay1 + Delay2)/2 与偏移测量阶段不同的是 ,延迟测量阶段的延迟请求信息包是随机发出的 ,并没有时间限制。 需要说明的是 ,在这个测量过程中 ,假设传输介质是对称均匀的。 如图 4 所示 ,经过同步信息的交换 ,从属时钟与主时钟实现了精确同步。 IEEE1588 协议的软硬件实现概述 IEEE1588 协议的实现 是开发 A、 B 类 LXI 仪器的关键，也是 LXI 仪器在同步上区别于其它仪器总线的显著特点。 IEEE1588 协议的实现方法有两种，一种是直接由软件实现，另一种是由硬件实现。 前一种方法实现简单，对现有的功能仪器的硬件无须变动。 后一种方法，则需要修改仪器的硬件，但是这种方法的精度要明显高于前一种方法。 可根据具体情况灵活选择。 第五章 LXI 仪器系统的数据通信及其可靠性 TCP/IP 协议实现 LXI 仪器系统通信 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Inter Protocol，传输控制协议 /网际协议 )协议 是 发展至今最成功的通信网络协议，它被用于当今最大开放式网络系统 Inter 之上，成为互联网络协议的市场标准。 这组协议使任何具有计算机和 Inter 服务提供者的用户能访问和共享Inter 上的信息。 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 协议 族 是由多个协议组合的四层协议系统， 如图 5 所示： 图 5 TCP/IP 协议族组成的四层协议系统 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层链 路 层物 理 层T C P / I P 协 议 族 的 四 个 层 次按照 TCP/IP 协议的结构，实现 LXI 仪器系统的通信需要对链路层、网络层、传输层和应用层这四层进行配置。 需要明确在以太网的数据接收和发送的过程中，协议族中各层协议的功能实现方式。 下面详细介绍 LXI 仪器在以太网中的数据接收和发送的过程， TCP/IP 协议中各层协议的功能实现方式。 数据通信的实时性与可靠性 LXI 仪器是基于工业以太网标准的，而网络具有延迟性与不确定性。 所以消除网络延迟实现各种终端仪器之间的精确控制成为 LXI 仪器通信的关键环节。 最简单的解决数据包可靠性问题的方法是利用点对点的 TCP 协议进行数据包的传输。 虽然它可以提高数据包传输的可靠性，但是会导致延长的触发等待时间和一些更为复杂的软件配置问题。 LXI 仪器在多点传送模式下是基于 UDP（ User Datagram Protocol）协议的， UDP 协议是一个面向数据包的简单传输层协议，并为应用程序发送和接收数据报。 它是一种无连接的协议，即不需要建立服务器与客户端的连接，所以这种情况下无法保证数据传输的可靠性。 网络通道阻塞问题可能导致数据包在传输的功能中丢失，并且网络配置问题也可能导致数据包的多次发送。 如何解决数据包的丢失和重发问题，成为提高 LXI 仪器通信的可靠性的关键环节。 为解决仪器数据通信的可靠性，提出了几种方法。 利用数据包中的时间戳 在 LXI 的标准中，对于 A 类和 B 类 LXI 仪器来讲，它们均实现了精密时钟协议（ PTP）以实现测试系统中仪器之间的同步。 而 C 类仪器之间的消息通信的同步可靠性并无保证。 特别是对于利用网络构建的远程测试系统，网络延迟和抖动极有可能造成仪器的滞后或者误动作。 鉴于此，提出了一种利用数据包中的时间戳来提高数据通信可靠性方法的设想。 首先，应当实现 LXI 仪器的数据包中时间戳部分。 即所有 LXI 仪器的通信数据包中都包含有完整的数据的和事件的时间戳。 当接收到消息数据包时，应对此位进行检查和时钟比对，可以以时间戳的时间作为事件发生的时间，来 判断数据包是否发生了较大的时间延迟，如果超过了事先设定的时间门限，则应丢弃数据包或请求发送最新的数据包，并对已接收的延迟数据包做出相应的应答处理。 数据包的重发机制 在 LXI 的网络数据包中，有一个标志位就是用来检测数据包是否是重发的数据包。 LXI标准明确要求如果接收到的数据包在标志位被置位，即数据包为重发数据包时仪器应当对此数据包进行忽略。 这样各个仪器就可以发送多次 UDP 数据。