【文章內(nèi)容簡介】 控者。 SCPI 設計了通用儀器模型，每一個方框分別對應于產(chǎn)生信號、處理信號和測量信號等子系統(tǒng)。編程人員不必了解具體儀器的硬件，只要根據(jù)需要選擇有關(guān)系統(tǒng)的指令即可。利用通用儀器模型， SCPI 命令格式采用樹狀層次結(jié)構(gòu)，分為多個子系統(tǒng) , 每個子系統(tǒng)由一個根命令和一個或數(shù)個層次命令構(gòu)成。根據(jù)需要，找到子系統(tǒng)模塊，然后沿著樹從頂向下尋找各分支，檢查有沒有要執(zhí)行的功能指令。若有，則無需進行變動，可直接寫出完整的命令。 SCPI 命令有著很多的語法規(guī)則，有命令、參數(shù)、標識、標點符號、大 /小寫等。雖然語 法規(guī)則多，但是其間有著許多的共同點和聯(lián)系，從而對用戶來講使用起來方便、靈活。這就要求儀器的研發(fā)者能把分析這些語法的過程做進去從而可以降低使用者的難度，鑒于此，對于LXI 儀器系統(tǒng)必須設計自己的 SCPI 命令解釋器。它所能做的就是解析、翻譯這些命令，在明白和理解的基礎上，實現(xiàn)自己的功能，如讀寫寄存器、進行測量、信號輸出等響應消息。所以 LXI 儀器中的 SCPI 命令解釋器顯得很格外重要，它的主要功能是翻譯控者的 ASCII 命令使自己能懂，同時發(fā)出相應消息使控者能識別。 解釋器的功能是對輸入指令進行語法檢查并找到樹枝下對應 的儀器函數(shù) 。因為 SCPI 指令具有分節(jié)和分層的特點，采用了基于樹結(jié)構(gòu)的方式對輸入的指令進行解釋。分為掃描程序，建樹程序，解釋程序三部分組成。 其 具體 流程如下 : (1) 掃描程序： SCPI 命令解釋器首先對控者的輸入指令（ ASCII 字符串形式）進行掃描 , 根據(jù)分割符位置將輸入的命令拆分為子系統(tǒng)根命令、層次命令、參數(shù)以及單位部分。因為任何特定儀器解釋通用命令的方式是一樣的，所以不考慮它們的路徑。 (2) 建樹程序： 根據(jù) ( 1) 識別的子系統(tǒng)根命令動態(tài)加載相應的命令樹。儀器從自己的每個根目錄不斷查詢是否匹配自己定義的 各條路徑。如果匹配第一級目錄命令，則繼續(xù)在這個根目錄下尋找匹配的子系統(tǒng)模塊，然后跳入相應的更小分枝中繼續(xù)查找下一個標點前的匹配字符路徑所對應的模塊。 (3) 解釋程序： 從根到枝的末端，也就是從上到下，根據(jù) (1)識別的層次命令自頂向下遍歷命令樹，如果直到某一路徑的末端，該路徑分枝的命令與輸入的字符串的內(nèi)容完全匹配，即遍歷成功，在子系統(tǒng)命令樹的每個葉節(jié)點除節(jié)點內(nèi)容以外還存放對應儀器函數(shù)的編號。這時返回葉節(jié)點儀器函數(shù)的編號，并做出相應于此命令的回應。如果在這個根下沒有找到完全匹配的路徑命令，則說明輸入語法錯誤 , 返回錯誤消息，從內(nèi)存中釋放樹結(jié)構(gòu)。這種分析方法就是對命令層層剝析的過程，始終驗證輸入的字符串是否與命令解釋器中設定的 SCPI 命令樹一致，遇到無匹配命令、超過特定層數(shù)或回車符即跳出查詢。 執(zhí)行組件是一組與 LXI 儀器函數(shù)對應的編號表。根據(jù)解釋器的返回值，執(zhí)行組件首先判斷是否有語法錯誤。如果沒有錯誤則通過查表找到該函數(shù)，然后驗證參數(shù)并執(zhí)行。如果是查詢命令還需要將執(zhí)行結(jié)果放入到輸出隊列；如果發(fā)生語法錯誤則通過修改狀態(tài)報告模型中的相應位表明產(chǎn)生了語法錯誤。 第 四 章 1588 同步時鐘的分析及軟硬件實現(xiàn) IEEE1588 體系結(jié)構(gòu) 關(guān)于精密時鐘 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)。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 , 這些狀態(tài)隨著網(wǎng)絡構(gòu)造的改變而改變。 PTP 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。 圖 2 IEEE1588 的三層結(jié)構(gòu) 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Delay2Req 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 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 100μ s 的精確度 ,而且精確度很有可能達到小于 10μ s 的精確度。 IEEE1588 的時間同步實現(xiàn) IEEE1588 儀器的同步過程可以總結(jié)為五個步驟 : (1)器件選擇系統(tǒng)中最精確的 一個時鐘作為主時鐘； (2)主時鐘發(fā)出同步脈沖和啟動時間 ,所有的從時鐘接受該時間； (3)每個 從器件向主器件發(fā)回時間信息 ,主時鐘計算相應的偏移時間 ,即從器件發(fā)回時間與接收時間之間的差值； (4)主時鐘向每個從器件發(fā)送各自的偏移時間 ,從器件做時間調(diào)整與補償 ,實現(xiàn)與主時鐘的同步； ( 5)主時鐘定期的發(fā)送同步脈沖 ,保持主、從時鐘的精確同步。 同步過程分為兩個階段： 偏移 測量階段和延遲測量階段。 偏移測量 偏移測量階段用來修正主時鐘和從屬時鐘的時間差。在這個偏移修正過程中 ,主時鐘周期性發(fā)出一個確定的同步信息 (簡稱 Sync 信息 ) (一般為每兩秒一次 ) ,它包含了一個時間印章( time stamp) ,精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預計時間。如圖 3 所示 ,假設同步之前主時鐘的時間為 Tm = 1050s ,而從屬時鐘的時間為 Ts = 1000s。主時鐘測量出發(fā)送的準確時間 TM1 ,而從屬時鐘測量出接收的準確時間 TS1 。由于信息包含的是預計的發(fā)出時間而不是真實的發(fā)出時間 ,所以主時鐘在 Sync 信息發(fā)出后發(fā)出一個 Follow_Up 信息 ,該信息加了一個時間印章 ,準確地記載了 Sync 信息的真實發(fā)出時間 TM1 。這樣一來 ,從屬時鐘使用 Follow_Up 信息中的真實發(fā)出時間和接收方的真實接收時間 ,可以計算出從 屬時鐘與主時鐘之間的偏移 (off set) : 圖 3 偏移測量 Off set = TS1 TM1 Delay 這里要說明的是 ,上式中的 Delay 指的是主時鐘與從屬時鐘之間的傳輸延遲時間 ,它將在下面的測量階段測出 ,所以在這里是未知的 ,從偏移測量階段就提供了一個修正時間 (Adjust Time) ,將從屬時鐘修正為 : Adjust Time = Ts Off set 延遲測量 延遲測量 ( delay measurement ) 階段用來測量網(wǎng)絡傳輸造成的延遲時間。為了 測量網(wǎng)絡的傳輸延時 , IEEE1588 定義了一個延遲請求信息包 (Delay Request Packet) ,簡稱 Delay_Req。 圖 4 延遲測量 如圖 4 所示 ,從屬時鐘在收到 Sync 信息后在 TS3 時刻發(fā)出延遲請求信息包 Delay_Req ,主時鐘收到 Delay_ Req 后在延遲響應信息包 (Delay Request Packet ,Delay_Resp) 印章出準確的接收時間 TM3 ,并發(fā)送給從屬時鐘 ,因此從屬時鐘就可以非常準確地計算出網(wǎng)絡延時 : TM2 → TS2 :Delay1 = TS2 ( TM2 + Off set) TS3 → TM3 :Delay2 = ( TM3 + Off set) TS3 因為網(wǎng)絡延遲時間是對稱相等的 ,所以 : Delay =(Delay1 + Delay2)/2 與偏移測量階段不同的是 ,延遲測量階段的延遲請求信息包是隨機發(fā)出的 ,并沒有時間限制。需要說明的是 ,在這個測量過程中 ,假設傳輸介質(zhì)是對稱均勻的。 如圖 4 所示 ,經(jīng)過同步信息的交換 ,從屬時鐘與主時鐘實現(xiàn)了精確同步。 IEEE1588 協(xié)議的軟硬件實現(xiàn)概述 IEEE1588 協(xié)議的實現(xiàn) 是開發(fā) A、 B 類 LXI 儀器的關(guān)鍵，也是 LXI 儀器在同步上區(qū)別于其它儀器總線的顯著特點。 IEEE1588 協(xié)議的實現(xiàn)方法有兩種，一種是直接由軟件實現(xiàn)，另一種是由硬件實現(xiàn)。前一種方法實現(xiàn)簡單，對現(xiàn)有的功能儀器的硬件無須變動。后一種方法，則需要修改儀器的硬件，但是這種方法的精度要明顯高于前一種方法。可根據(jù)具體情況靈活選擇。 第五章 LXI 儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信及其可靠性 TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn) LXI 儀器系統(tǒng)通信 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Inter Protocol，傳輸控制協(xié)議 /網(wǎng)際協(xié)議 )協(xié)議 是 發(fā)展至今最成功的通信網(wǎng)絡協(xié)議，它被用于當今最大開放式網(wǎng)絡系統(tǒng) Inter 之上，成為互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議的市場標準。這組協(xié)議使任何具有計算機和 Inter 服務提供者的用戶能訪問和共享Inter 上的信息。網(wǎng)絡協(xié)議通常分不同層次進行開發(fā)，每一層分別負責不同的通信功能。協(xié)議 族 是由多個協(xié)議組合的四層協(xié)議系統(tǒng)， 如圖 5 所示： 圖 5 TCP/IP 協(xié)議族組成的四層協(xié)議系統(tǒng) 應 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網(wǎng) 絡 層鏈 路 層物 理 層T C P / I P 協(xié) 議 族 的 四 個 層 次按照 TCP/IP 協(xié)議的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn) LXI 儀器系統(tǒng)的通信需要對鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層這四層進行配置。 需要明確在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的過程中，協(xié)議族中各層協(xié)議的功能實現(xiàn)方式。下面詳細介紹 LXI 儀器在以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的過程， TCP/IP 協(xié)議中各層協(xié)議的功能實現(xiàn)方式。 數(shù)據(jù)通信的實時性與可靠性 LXI 儀器是基于工業(yè)以太網(wǎng)標準的，而網(wǎng)絡具有延遲性與不確定性。所以消除網(wǎng)絡延遲實現(xiàn)各種終端儀器之間的精確控制成為 LXI 儀器通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最簡單的解決數(shù)據(jù)包可靠性問題的方法是利用點對點的 TCP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)包的傳輸。雖然它可以提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?，但是會導致延長的觸發(fā)等待時間和一些更為復雜的軟件配置問題。 LXI 儀器在多點傳送模式下是基于 UDP（ User Datagram Protocol）協(xié)議的， UDP 協(xié)議是一個面向數(shù)據(jù)包的簡單傳輸層協(xié)議，并為應用程序發(fā)送和接收數(shù)據(jù)報。它是一種無連接的協(xié)議，即不需要建立服務器與客戶端的連接，所以這種情況下無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡通道阻塞問題可能導致數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)墓δ苤衼G失，并且網(wǎng)絡配置問題也可能導致數(shù)據(jù)包的多次發(fā)送。如何解決數(shù)據(jù)包的丟失和重發(fā)問題，成為提高 LXI 儀器通信的可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決儀器數(shù)據(jù)通信的可靠性，提出了幾種方法。 利用數(shù)據(jù)包中的時間戳 在 LXI 的標準中，對于 A 類和 B 類 LXI 儀器來講，它們均實現(xiàn)了精密時鐘協(xié)議（ PTP）以實現(xiàn)測試系統(tǒng)中儀器之間的同步。而 C 類儀器之間的消息通信的同步可靠性并無保證。特別是對于利用網(wǎng)絡構(gòu)建的遠程測試系統(tǒng)，網(wǎng)絡延遲和抖動極有可能造成儀器的滯后或者誤動作。鑒于此，提出了一種利用數(shù)據(jù)包中的時間戳來提高數(shù)據(jù)通信可靠性方法的設想。 首先，應當實現(xiàn) LXI 儀器的數(shù)據(jù)包中時間戳部分。即所有 LXI 儀器的通信數(shù)據(jù)包中都包含有完整的數(shù)據(jù)的和事件的時間戳。當接收到消息數(shù)據(jù)包時，應對此位進行檢查和時鐘比對，可以以時間戳的時間作為事件發(fā)生的時間，來 判斷數(shù)據(jù)包是否發(fā)生了較大的時間延遲，如果超過了事先設定的時間門限，則應丟棄數(shù)據(jù)包或請求發(fā)送最新的數(shù)據(jù)包，并對已接收的延遲數(shù)據(jù)包做出相應的應答處理。 數(shù)據(jù)包的重發(fā)機制 在 LXI 的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中，有一個標志位就是用來檢測數(shù)據(jù)包是否是重發(fā)的數(shù)據(jù)包。 LXI標準明確要求如果接收到的數(shù)據(jù)包在標志位被置位，即數(shù)據(jù)包為重發(fā)數(shù)據(jù)包時儀器應當對此數(shù)據(jù)包進行忽略。這樣各個儀器就可以發(fā)送多次 UDP 數(shù)據(jù)