תזמון וסנכרון הם קריטיים בבניית מערכות בדיקה ומדידה (Test & Measurement – T&M), דבר ההופך את קלות השימוש והביצועים הגבוהים של IEEE 1588 Precision Time Protocol לאטרקטיביים במיוחד בעיני מתכנני מערכות. מאמר זה מכיל סקירה של היתרונות שה- IEEE 1588מביא למערכות T&M, במיוחד כאשר משולבות בהם יכולות המכשור LXI Class B, ומדגים כיצד ניתן לשלב יכולות אלה במכשירים העשויים לשמש כאבני בניין חזקים ליצירת מערכות בדיקה איכותיות.
סקירת ה- IEEE 1588
IEEE 1588 מגדיר פרוטוקול זמן מדויק (Precision Time Protocol – PTP) שניתן להשתמש בו לשם סנכרון שעונים במערכת T&M. כאשר מערכת T&M מממשת PTP, כל מכשיר, מחשב או בקר אחר במערכת מכיל שעון. PTP מאפשר לסנכרן את כל השעונים הללו ולשמור אותם מסונכרנים. PTP דורש תקשורות נתונים בין כל ההתקנים; במערכות T&M הדבר מושג לרוב תוך שימוש ב-LAN Ethernet. שיטות סנכרון זמן אחרות שימשו בעבר ביישומי T&M, כולל מערכות מבוססות על Network Time Protocol (NTP), Global Positioning Satellite (GPS), וחלוקה מובנית של אותות מתנד ייחוס. אולם, כאשר משווים אותן עם חלופות אלה, מערכות מבוססות- IEEE 1588מספקות סנכרון יותר מדויק תוך שימוש ביתרונות חיבורי הרישות של Ethernet LAN. כמו-כן, קיימים סימנים שה- IEEE 1588 יראה שימוש נרחב מחוץ לתעשיית ה-T&M, דבר אשר יוביל לזמינות רחבה יותר ועלויות פחותות עבור מערכות IEEE 1588 המבוססות על חיסכון גדול יותר בממדים.
מכשירי LXI וה- IEEE 1588
סקירת LXI
תאגיד ה-LXI (LAN eXtensions for Instrumentation) מורכב מנציגים מרוב חברות ה-T&M הגדולות. מאז הקמתו לפני מספר שנים, התאגיד פיתח והפיץ תקנים לשימוש רישות ה-Ethernet במכשור. התאגיד זיהה את הפוטנציאל של פרוטוקול IEEE 1588, כך שתקן ה-LXI דורש לכלול תמיכה עבורו בסוגים שונים של מכשירי LXI. מידע נוסף על תאגיד LXI ניתן למצוא ב-www.lxistandard.org. .
סוגי ה-LXI
תקן ה-LXI מגדיר שלושה סוגי התקנים. סוג קו הבסיס, סוג (Class) C, מגדיר מימוש LAN עקבי, וממשק דפדפן Web עבור ההתקנה, הבקרה והגישה לנתונים; הוא גם דורש דרייבר מכשור IVI עבור ממשק תוכנה. סוג B נבנה על סוג C על-ידי דרישה לחישת זמן משותפת בשימוש ב- IEEE 1588 והעברת הודעות LAN עמית לעמית. סוג A נבנה על שני הסוגים B ו-C על-ידי הוספת פס תיחול (trigger) גבה-ביצועים עבור יישומים בעלי דרישות תזמון מחמירות. על-אף שמאמר זה מתייחס במיוחד ל-LXI סוג B, התקני LXI סוג A כוללים גם את כל היכולות של סוג B.
פרטי LXI סוג B
מפרט ה- IEEE 1588 מכיל הנחיות לשם עיצוב היבטים רבים של PTP כדי להתאים למגוון רחב של יישומים. הוא תוכנן בכוונה להיות גמיש ולענות לצרכים של תעשיות רבות, לא רק T&M. יתרה מזו, מפרט זה מתקנן רק כיצד יעבדו פונקציות התזמון, ולא כיצד הן ישמשו ביישום נתון כלשהו או מהי המשמעות של חותמת הזמן שהן מספקות. על-אף שגמישות זו מסייעת ביישום רחב יותר של ה- IEEE 1588 בענפי תעשייה רבים, היא יכולה להוות מחסום בפעילות המשותפת וקלות ההפעלה בענפים מסוימים. לכן, מפרט LXI סוג B מכיל הנחיות נוספות עבור העיצוב והשימוש ב-IEEE 1588. מפרטים נוספים אלה נבחרו כדי להתאים ולייטב את פעולת ה- IEEE 1588והשימוש בו במערכות T&M, תוך הבטחת תאימות ופעילות יחד בין כל מכשירי LXI מסוג A ו-B.
מפרט LXI סוג B מגדיר:
• מימוש תקני של IEEE 1588 כולל התאמה ליישומי T&M
• הבנה משותפת של מושג חותמות הזמן (timestamps) המוגדרים ב- IEEE 1588
• פרוטוקול הודעות עמית-לעמית LAN תקני הכולל חותמות זמן
• מנגנון עיצוב תקני עבור חיבור אירועים, תיחולים ופעולות
• מנגנון אבחון תקני לרישום אירועים חשובים עם חותמות זמן
יתרונות ה- IEEE 1588 וה-LXI סוג B בתכנון מערכת T&M
מערכות T&M רבות (אם לא רובן) יכולות לנצל תחושת זמן מדויקת המשותפת לכל רכיבי המערכת. מגוון מכשירי ה-T&M ויישומיהם רחב ביותר וכזה הוא גם הצורך בסנכרון שעון מדויק. היכולות המיוחדות הדרושות ומידת הדיוק הדרושה משתנות ממכשיר או יישום אחד למשנהו, אך הדוגמה הבאה מייצגת חתך-רוחב גדול של צורכי מערכת בדיקה.
החתמת זמן במדידת נתונים
החתמת זמן על נתוני מדידה (כלומר, הקצבת זמן לכל נקודת מדידה) שימושית ביותר ביישומי T&M. לדוגמה, חותמות זמן שימושיות להבטחת בקרת האיכות ומילוי דרישות נוהליות. אולם, הן שימושיות למטרות אלה רק אם הדיוק שלהן ידוע ומהימן. באמצעות השימוש בפרוטוקול IEEE 1588, ניתן לסנכרן מכשירי LXI סוג B אל מקור זמן יחיד בעל איכות מספקת כדי למלא את דרישות היישום, תוך ביטול הבעיות הנוצרות על-ידי שעונים לא מסונכרנים, כמו גם העבודה, אי-הדיוק וסכנת השגיאות הנוצרים על-ידי סנכרון ידני של שעונים במכשירים ובקרים מרובים.
כאשר כל המכשירים במערכת T&M חולקים תחושת זמן משותפת, ניתן לקשור בצורה אמינה נתונים ממכשירים רבים לאחר מעשה רק על-ידי השוואה ומעקב אחר חותמות הזמן. אין צורך לבדוק אם הנתונים הועברו מהמכשירים במהירות ובסדר הנכון מאחר שניתן להשתמש בחותמות זמן כדי לסדר את הנתונים בסדר הנכון כאשר הדבר דרוש.
איתור תקלות של מערכת היא יישום שימושי מאוד של יכולת הקישור ההדדי. מכשירים מודרניים רבים מסוגלים לרשום אירועים חשובים, כגון תיחול מדידות ותנאי שגיאה, ואירועים אלה ניתן להחתים בזמן כמו כל הנתונים האחרים. על-ידי איסוף וקישור בין רישומי האירועים תוך שימוש בחותמות הזמן, ניתן לשחזר את התרחשות האירועים המדויקת, גם אם מכשירים רבים שותפים לכך, במגמה לבדוק את הפעולה הנכונה של המערכת ולגלות את מקורן של בעיות שעלולות להתעורר.
סנכרון תיחולי מדידות
החתמת הנתונים איננה השימוש היחיד של שעונים מסונכרנים. מכשירי LXI סוג B מאפשרים למשתמשים ליזום מדידות של פעולות אחרות, כגון חיבור מתח בזמן מסוים. בשימוש זה, יכולות ה- IEEE 1588 מאפשרות תאום של פעולת הבדיקה של המערכת ללא הצורך בכבלי תיחול מובנים או תזמון מדויק של פקודות הנשלחות מבקר מרכזי. מכשירי LXI סוג B יכולים גם לסנכרן פעולות תוך שימוש בהודעות LAN עמית-לעמית. הודעה הנשלחת מהתקן LXI אחד לאחר יכולה לתחל פעולה הן מיד עם קבלתה (בדומה לכבל תיחול מובנה) והן בזמן עתידי כלשהו. יכולות סנכרון אלה בעלי-ערך במיוחד כאשר מרכיבי המערכת רחוקים זה מזה כך שאין אפשרות מעשית לחבר ביניהם בעזרת כבלי תיחול פיסיים.
צמצום או מניעת השפעות וכמיסות
אחד החסרונות בשימוש ב-LAN לצורכי חיבור הדדי בין מערכות T&M הוא השינוי בכמיסות (latency) ובתזמון ה-LAN בהשוואה עם אפיקי תקשורת אחרים. למרות שהדבר איננו חמור בהרבה יישומים, מערכות בעלות דרישות תזמון מחמירות חייבות להביא בחשבון מאפייני התזמון של ה-LAN. השימוש בזמן לשם תאום וסנכרון של תיחולים ופעולות מבטל את הצורך בשיקולים אלה ברוב היישומים.
מכשירי LXI סוג B יכולים להשיג ביצועי תיחול בזמן-אמת יותר טובים מאשר מערכות תיחול מחווטות על-ידי פיצוי עבור כמיסויות פנימיות. לדוגמה, אם למכשיר דרושות 10 מילי-שניות כדי להתכונן לערוך מדידה, אזי המדידה שנלקחה בעזרת מכשיר זה תפגר אחרי התיחול האמיתי ב-10 מילי-שניות. אולם שימוש בתיחולים מבוססי בסיס-זמן, מאפשר למכשיר לפצות על-ידי תחילת ההכנות 10 מילי-שניות לפני הזמן שנקבע עבור התיחול, כך שהמדידה תיערך בדיוק בזמן התיחול, ולא 10 מילי-שניות מאוחר יותר.
שיקולי תכנון מערכות
מערכת LXI מסוג B מורכבת ממערך של התקני LXI, שיכולים להיות מכשירים, בקרים או רכיבים אחרים. לכל אחד מהם שעון IEEE 1588 וכולם מחוברים דרך רשת Ethernet. כאשר מפעילים את המערכת לראשונה, אלגוריתם שעון best master סוקר את כל הרכיבים והשעון בעל האיכות הגבוהה ביותר במערכת הופך לשעון –Grand Master. כל שאר השעונים מסנכרנים עצמם לאחר מכן עם שעון ה-Grand Master. אם מוסיפים או גורעים התקן מהמערכת, אלגוריתם השעון best master ירוץ שוב אם יש צורך לבחור בשעון Grand Master חדש.
שעונים נשלטים (slave) מסתנכרנים עם השעון הראשי (master) על-ידי החלפת הודעות Ethernet מיוחדות איתו הכוללות חותמות זמן. אלגוריתם ה-PTP משתמש בחותמות זמן אלה כדי לכוון את השעונים הנשלטים בהדרגה, עד שהם מסונכרנים עם השעון הראשי. הפעולה עשויה לערוך מספר דקות עד לסנכרון כל השעונים. השעון הראשי והנשלטים מוסיפים להחליף הודעות מחזוריות כדי לשמור על הסנכרון ביניהם.
שיקולי ביצועים
במערכת בדיקה מבוססת- IEEE 1588 קיימות מדידות ביצועים רבות. היישום יקבע לרוב אילו מדידות הן החשובות ביותר עבור מערכת מסוימת, אך שתיים מהן הן שימושיות ביותר. הראשונה היא הדיוק של השעון הראשי – כמה מדויק הוא מציג את הזמו ה”נכון”. זה לרוב מחוץ לתחום ה- IEEE 1588 ונקבע בעיקר על-ידי איכות השעון הראשי והשיטה בה השתמשו כדי לכוון אותו ולשמור על זמן נכון. שעונים ראשיים באיכות גבוהה המשתמשים ברשת GPS לקבלת הזמן הנכון ושמירה עליו הם נפוצים ביותר.
מדידה כללית שימושית שנייה של ביצועי מערכת ה- IEEE 1588היא דיוק הסנכרון – כמה קרוב מסתנכרן השעון הנשלט ונשאר מסונכרן עם השעון הראשי. מספר גורמים תורמים למדידה זו, כולל אלגוריתמי PTP בעצמם, התצורה והתכנון של רשת ה-Ethernet, והתכנון של השעונים הנשלטים והמכשירים המכילים אותם.
מדידות ביצועים שימושיות אחרות משקפות את הממשק בין לוגיקת ה- IEEE 1588 ושאר המכשיר. לדוגמה, מכשיר שעוצב להפיק מתח בזמן מסוים. כאשר שעון ה- IEEE 1588 מגיע לזמן הזה, הלוגיקה תגלה אותו ותתחל את המכשיר להפיק את ערך המתח. בגין עיבוד פנימי וכו’ תהיה תמיד השהיה בין הזמן בו השעון מגיע לערך המטרה וההופעה של מתח המוצא. השהיה זו היא מדידה שימושית של כמיסות הממשק.
הבנה יסודית של המתרחש בתוך מכשיר IEEE 1588 עשויה להיות שימושית בבחירת המכשור עבור תכנון מערכת T&M מסוימת. איור 1 מציג את המרכיבים הכרוכים לרוב במימוש ה- IEEE 1588 בתוך מכשיר:
• שעון IEEE 1588 – כאן נשמר ערך הזמן המקומי
• בקרת שעון IEEE 1588- גוש (יחידה) זה, ביחד עם קוד ה-PTP וגושי עיבוד המנות, מכוון את השעון לקבלה/שמירה על הסנכרון.
• עיבוד מנות IEEE 1588 – גוש זה מגלה את מנות ה- IEEE 1588 המיוחדות ברשת ומבצע את העיבוד הדרוש.
• מחסנית (stack) PTP – היא מממשת את בקרת ה-PTP הכוללת תוך שימוש בגושים האחרים כנדרש.
• ממשק המכשיר – גוש זה מספק שירותים הקשורים בזמן אל שאר המכשיר, כגון תיחולים מבוסס-זמן, ערכי חותמת הזמן וכד’.
איור 1.
ההחלטה איזה מן הגושים האלה לממש בחומרה ואיזה לממש בקושחה היא חיונית כדי לצייד את בוני מערכת הבדיקה במכשיר בעל ביצועי מערכת הזמן הרצויים. לגושי השעון IEEE, בקרת השעון ועיבוד המנות יש השפעה משמעותית על דיוק הסנכרון, כך שעבור כל יישומי ה-T&M מלבד אלה הכי פחות תובעניים, יש לבחור מכשיר המממש גושים אלה בחומרה מיוחדת או בלוגיקת FPGA. קיימים מיקרו-מעבדים מסחריים ושבבי PHY עם תמיכת IEEE 1588ייעודית ומובנית. יש יתרונות ביצועיים ביצירת לוגיקה חשמלית קרובה ככל האפשר ל-Ethernet, כך שבחירה של מכשיר עם שבב PHY בעל לוגיקת IEEE 1588 מומלצת עבור מימושים תובעניים.
גוש השעון IEEE 1588 ממומש לעתים קרובות כשרשרת נגדית המנוהלת על-ידי מתנד מדויק. יציבות המתנד הופכת לגורם חשוב המשפיע על דיוק הסנכרון ביישומים תובעניים. מתנד יציב ישמור על שעון מדויק במהלך הזמנים בין העדכונים מהשעון הראשי.
גוש ממשק המכשיר איננו משפיע על דיוק הסנכרון, אך משפיע על דיוק חתימת הזמן ודיוק התיחול מבוסס-הזמן. אם גוש זה ממומש בקשוחה, השהיות עיבוד בקשוחה ובעיות התקורה יכולות להפחית את דיוק חותמות הזמן ואת ההשהיות בין תיחולים מבוססי-זמן ופעולה. עבור יישומים קריטיים, יש לבחור מכשיר בו גוש זה ממומש בחומרה.
שיקולי ממשק המשתמש
תזמון היה תמיד שיקול חשוב עבור מתכננים ותכנתים של מערכות בדיקה, אך רובם אינם רגילים לטפל בזמן בצורה הישירה שה- IEEE 1588 מאפשר. גישה פשוטה אך יעילה היא להתייחס בתיחולים מבוססי-זמן בדומה לכל מקור תיחול אחר, כך שכל פעולה שניתנת לתיחול על-ידי פקודה הנשלחת באמצעות ה-Ethernet או בכבל תיחול מחובר קבוע יכולה לקבל תיחול גם בזמן נתון או במענה להודעת תיחול של LAN. בדומה, פונקציה פנימית המסוגלת להפיק מוצא תיחול, כגון ‘מדידה הושלמה’ או ‘מוצא נקבע’, צריכה להיות מסוגלת גם להפיק הודעת LAN מתאימה.
גישה יותר מתקדמת מאפשרת למשלב מערכת הבדיקה לתכנן מערכת תזמון פשוט על-ידי שרטוט של דיאגרמת תזמון, המתורגמת לאחר מכן על-ידי התוכנה לסדרת פעולות מבוססות-זמן הנשלחות למכשירים המתאימים. גישה זו מנצלת ישירות את ערכי הזמן בדיאגרמה, ללא צורך להמיר אותם לערכי השהיה או לקזז עבור זמן וכמיסויות של זמן עיבוד של תקשורת או בקר.
מכשירים מבוססי- IEEE 1588 כאבני בניין של מערכת T&M
ה-Multimeter/System Switch Model 3706 של Keithley מהווה דוגמה טובה על האופן בו מכשיר בדיקה מסחרי בעל יכולות של IEEE 1588/LXI Class B יכול לשמש כאבן בניין שימושי וזול כאשר בונים מערכת T&M. רקע תמציתי עשוי להיות שימושי בהבנת היתרונות שמכשירים מסוג זה מציעים ליוצר מערכות הבדיקה:
עבור יישומי בדיקה ומדידה רבים, השימוש ב-PC בתור בקר עבור התקשורת אל מכשירים נפרדים או השימוש במערכות מבוססות חריצים עם בקרים אינטגרליים הוא מתאים בהחלט. אולם עבור מצבים אחרים, גישות אלה מהוות או הגזמה – ולכן יקרים מידי – או אינם עונים מספיק למשימה. יישומים אלה מנצלים את היכולות והגמישות הנוספות שמכשירים מבוססי-תסריט כמו הדגם 3706 יכולים להציע. במכשירים מבוססי-תסריט, ניתן לבנות מערכות בדיקה קטנות עם מעט מכשירים ללא בקר נפרד; אחד המכשירים פועל כבקר ומתאם את פעולת יתר המכשירים. מערכות גדולות ניתנות לחלוקה לתת-מערכות של מכשירים אחדים כאשר כל תת-מערכת מתואמת על-ידי מכשיר מבוסס-תסריט. הדבר הזה מפשט את תכנון המערכת ועשוי לשפר את הביצועים. בעזרת מכשירי LXI מבוססי-תסריט, ניתן להפריד במרחק רב בין תת-מערכות כאלה, כגון בפסי-ייצור, יישומים מדעיים או יישומי בדיקת RF.
ה-Test Script Processor (TSP®) המשובץ של Keithley, מיקרו-מעבד על-כרטיס המסוגל לאחסן ולבצע תכניות קצרות (תסריטים) במכשיר עצמו, מאפשר לדגם 3706 לבצע בדיקות בצורה בלתי-תלויה מבקר נפרד. על-ידי הפיכת העברת הפקודות והתוצאות הלוך ושוב מהמכשיר לבקר לבלתי נחוצה, מעבד זה מאפשר ביצועי מערכת T&M יותר גבוהים משמעותית על-ידי ביטול כמיסויות הבקר והתקשורת.
TSP מספק גם שפת כתיבה לשימוש כללי בעלת יכולות מחשוב ובקרת תזרים התכנית המורחבות בעזרת פקודות Instrument Control Library (ICL) לביצוע תפקידי המכשיר. פקודות ה-ICL ניתנות לשיגור נפרד למכשיר מבקר או שפקודות מרובות ניתן לרכז בתוך תסריט הניתן לביצוע על-ידי פקודה יחידה שנשלחה מרחוק או מהפנל הקדמי. תסריטי בדיקה ניתנים ליצור על-ידי שימוש בעורך מבוסס-רשת או בעזרת ה-Test Script Builder (TSB) Integrated Development Environment (IDE).
השילוב בדגם 3706 של מחשב מרכזי ממתג ורב-מדד מציע רבות מהפונקציות שבוני מערכות צריכים לרוב בתכנון המערכת. הוא כולל שישה חריצים לחיבור כרטיסי מיתוג במארז קומפקטי העונה בנקל על הצרכים של יישומי מניית ערוצים בינונית עד גבוהה. מחשב מרכזי בעומס מלא יכול לתמוך בעד 576 ערוצי ריבוב דו-גידיים המציעים צפיפות ללא תחרות ועלויות חסכוניות לערוץ. הכללת הרב-מדד הופכת את המערכת למערכת מיתוג ומדידה משולבת היטב העונה לדרישות היישומים התובעניים של מערכת בדיקה פונקציונלית ומספקת גם את הגמישות הדרושה ביישומי איסוף ומדידת נתונים עצמאיים.
היכולות הכלולות ב- 1588-2002 IEEE ומפרט ה-LXI סוג B משולבות במלואן בדגם 3706. מדידות המבוצעות על-ידי הרב-מדד 7-1/2 סיביות המשולב יכולות להיות חתומות בזמן על-ידי שעון ה- IEEE 1588. ההודעות המתוחלות של LXI Class B LAN והתיחולים מבוססי זמן של IEEE 1588 מטופלים כמו כל אירוע תיחול אחר. לדגם 3706 מערכת אירועים גמישה המאפשרת לתסריט TSP לרוץ כתשובה לתיחול. התסריט יכול לבצע כל צירוף רצוי פונקציות של המכשיר כתשובה לתיחול. מאחר שתסריטים יכולים גם לשלוח הודעות LXI Class B LAN, כל מכשיר יכול לתחל הודעת LAN כדי לתחל או לפקח על מכשירי LXI Class B אחרים.
הדגם 3706 כולל דפי רשת (Web) תקניים LXI Class B כדי לעצב פונקציות רישות ו- IEEE 1588 כמו גם דפי רשת עבור בקרת המכשור ועריכת התסריטים. אחסון האירועים של LXI Class B כלול גם כן.
מפרטים אחדים של דגם 3706 מתייחסים ישירות ליכולות ה-IEEE 1588/LXI Class B:
• Receive LAN [0-7] event delay: 600μs Min, 800μs Typ., n/s Max.
• Alarm to trigger delay: 25μs Min., 50μs Typ., n/s Max.
• Generate LAN [0-7] event: 750μs Min., 1000μs Typ., n/s Max. [minimums are
probabilistic and represent a 95% confidence factor]
• Clock accuracy: 25ppm.
• Synchronization accuracy: <150ns. [probabilistic and represent a 95% confidence factor]
• Timestamp accuracy: 100μs.
• Timestamp resolution: 20ns.
סיכום:
IEEE 1588 מוסיף יכולות ערכיות לציוד הבדיקה והמדידה. השילוב בין IEEE 1588 וה-LXI Class B עם יכולת התכנות של מכשיר חכם דוגמת הדגם 3706 יוצר אבן בניין ערכית של מערכת בדיקה בעלת עצמה מובילה בשוק ובעלת קלות בשימוש.
מאת
Paul F. Franklin
Keithley Instruments, Inc.
