S olutions INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE Comment accélérer la cadence de L introduction du LXI (LAN Extensions for Instruments) a suscité un grand intérêt chez les ingénieurs chargés de créer des systèmes de test. Le LXI est en effet le successeur désigné du (vieux) GPIB, en moins coûteux et plus performant. Pour obtenir des cadences de test élevées, il est important d éliminer les multiples causes de pertes de temps lors des échanges d informations entre le PC de commande et les instruments. Agilent Technologies évoque ici les points critiques à considérer. 40 Depuis plus de 30 ans, le GPIB règne en maître sur les architectures des systèmes de test électroniques. Mais ce bus parallèle a atteint ses limites en termes de vitesse et le nombre d instruments est limité à 14. Introduit en septembre 2005, le LXI (LAN extensions for Instruments) a immédiatement suscité un grand intérêt car il s appuyait sur les énormes développements faits sur Ethernet, avec l augmentation incessante des performances et la réduction des coûts (Ethernet est en effet un câble série doté d un petit connecteur bas coût, contrairement au bus parallèle GPIB et son L essentiel Basé sur Ethernet, le LXI est un bus série à haut débit plus rapide, moins onéreux et plus performant (en terme de nombre d instruments pilotables) que le bus parallèle GPIB Les cadences de test que l on peut obtenir dépendent en grande partie de certains choix, notamment la façon dont on adresse les instruments Pour les applications pointues, il faut également choisir la meilleure technique de synchronisation. Il en existe trois, dont la fameuse technique de synchronisation des horloges internes des instruments, basée sur l IEEE 1588. gros connecteur). Pour donner une idée du gain en performances, précisons qu un Ethernet à 100 Mbits assure un transfert des données (entre un instrument et un PC) 10 fois plus rapide que celui d un GPIB. Avec un Gigabit Ethernet, on obtient un gain de 100 Le premier produit Ethernet est apparu en 1975, qui est aussi l année du lancement du GPIB. Ethernet avait été imaginé pour les applications bureautiques et à ses débuts, il était difficile de prévoir son fabuleux destin. A l époque, on pensait même que son absence de déterminisme et l impossibilité de garantir à coup sûr des instants de synchronisation entre les équipements lui barrerait à jamais les applications d automatismes et d instrumentation. L arrivée des switchs (commutateurs) et le développement de mécanismes de synchronisation très précis ont bouleversé la donne. C est sur ces fondements qu a pu se développer le standard LXI. Pour évaluer la performance en vitesse du standard LXI, il faut décortiquer le séquencement des opérations qui interviennent dans un échange d informations entre le PC de contrôle et les instruments. Toute opération de transfert de commandes ou de données est une source de perte de temps. Bien entendu, indépendamment du standard de communication entre les instruments, il faut aussi tenir compte des performances des instruments eux-mêmes, par exemple la puissance du processeur chargé de l interprétation de la ou des commandes, et notamment du temps qu il faut à l instrument pour se reconfigurer en fonction des nouveaux paramètres. Cinq éléments sont plus particulièrement importants : - le paramétrage de l instrument et plus précisément la façon dont sont codées les commandes envoyées par le PC (ou un autre instrument connecté sur le réseau) - le temps de la mesure, qui est intrinsèque aux instruments - l analyse des données, qui peut être réalisée à l intérieur de l instrument ou sur le PC contrôleur - le transfert des données - le mécanisme de déclenchement de la mesure (il existe trois possibilités, deux de type ma- Les causes des grosses pertes de temps Temps d accès à l instrument Temps de mesure On voit ici trois générations de câbles de communication pour piloter les instruments de mesure : le câble GPIB parallèle (et son gros connecteur), le câble USB (en noir) série et le câble LXI (en jaune), également série. Pour les instruments LXI de classe A, il existe un deuxième câble (à 8 conducteurs), non représenté ici, pour réaliser des déclenchements matériel précis et rapides. Analyse des données Transmission des données Quelques ms à quelques s Quelques µs à quelques s Quelques µs à quelques s Quelques µs à quelques s Ce tableau mentionne quelques opérations qui interviennent dans une séquence de test et met en évidence l extrême fourchette de variation des temps mis pour réaliser ces opérations. Dans la situation la plus favorable, les opérations mentionnées ici prennent quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ces temps sont dans les mêmes ordres de grandeur que les temps de latence et les temps de déclenchement (qui ne dépassent pas quelques centaines de microsecondes dans le pire des cas). Il est alors important de chercher à réduire ces temps de latence et de déclenchement. Si on se trouve dans la situation la plus défavorable, on voit qu il faut quelques secondes pour réaliser chacune des opérations indiquées dans le tableau. C est très largement supérieur aux temps de latence et aux temps de déclenchement. Pour améliorer les choses, il est préférable de chercher à réduire le temps d armement de l instrument de test (au niveau du paramétrage) et d utiliser des instruments qui présentent une cadence de mesure élevée et qui ont des capacités de traitement interne. Enfin, pour réduire les temps de transmission des données vers le PC, il est recommandé de grouper les données en gros paquets (si les données sont transmises par petits paquets, le temps de latence est en effet affecté à chacun des paquets et l addition de ces temps de latence peut se révéler conséquente).
test d un banc d instruments LXI tériel et une, plus lente, de type matériel ) Des pertes de temps à tous les niveaux Le paramétrage de l instrument. Ce paramétrage consiste en partie à armer l instrument afin qu il réagisse à un déclenchement de mesure (commandé par le PC ou un autre instrument). Il y plusieurs possibilités à ce niveau, selon le type d instrument utilisé : le paramétrage peut être réalisé en écrivant une série de bits dans un ensemble de registres, en envoyant un jeu de commandes d instrument (ASCII ou binaires) via l interface, ou en rappelant un module préconfiguré (ensemble de routines de mesure) déjà présent dans l instrument. Si l on peut configurer l instrument avant le test, son paramétrage n a aucune influence sur le débit. Si par contre les commandes de paramétrage lui sont envoyées pendant le test, la cadence est affectée par la combinaison du nombre de commandes de paramétrage, de la vitesse de l interface, du temps nécessaire à l instrument pour se reconfigurer en fonction du nouveau paramétrage et potentiellement de la latence du chemin utilisé pour le transfert des données (si le paramétrage fait appel à plusieurs chaînes de commandes). Le temps de mesure est presque toujours l élément le plus important à considérer lorsque l on recherche une cadence de test élevée. Les deux éléments précédents (paramétrage de l instrument et mécanisme de déclenchement) ont en effet une durée très brève par rapport au temps de mesure. Pour obtenir une mesure de qualité le plus Depuis trois décennies, le GPIB est le standard de communication universel sur les bancs de test. A l avenir, ce standard devrait céder la place au LXI, basé sur Ethernet, plus puissant et plus économique. rapidement possible, il convient de choisir un instrument d une grande efficacité. En effet, qualité et vitesse sont souvent contradictoires : les mesures de qualité prennent du temps, tandis que les mesures effectuées à grande vitesse compromettent généralement la qualité de la mesure. Les nanosecondes du déclenchement matériel et les microsecondes du déclenchement logiciel n ont rien de comparable avec les millisecondes et les secondes nécessaires à des mesures de qualité. L analyse des données est un élément souvent négligé. Ce paramètre joue pourtant un rôle important dans la cadence des tests. Les instruments intelligents font appel à des algorithmes avec des réglages fins, souvent implémentés dans des circuits FPGA et ASIC, pour assurer le débit le plus rapide possible. Ces algorithmes exécutent des fonctions comme le calibrage, la compensation en température, la réduction du bruit, la corrélation temps/ phase et la réduction des données. Les routines d analyse intégrées réduisent la quantité de données à envoyer au PC, d où une augmentation considérable du débit. Cet aspect distingue fondamentalement l instrumentation LXI de l instrumentation VXI ou PXI (qui se présentent sous forme de modules enfichables dans un fond de panier). Les instruments VXI ou PXI ne comportent en général pas d analyse intégrée et ils doivent envoyer toutes les données et tous les facteurs de calibrage au PC, lequel exécute cette analyse. Pour mesurer véritablement la cadence d un banc de test basé sur des modules enfichés dans un fond de panier, il faut prendre en compte le temps requis pour l envoi des données brutes à l ordinateur et le temps que celui-ci prend pour réaliser l analyse. Lorsqu il traite avec plusieurs instruments, l ordinateur devient un goulet d étranglement pour le système, car lorsqu il traite les opérations (analyse des données, calibrage) d un instrument, il oblige les autres instruments à attendre. La transmission des données entre les instruments et le PC. Le volume des données à trans- Vitesses d E/S typiques des différents standards Vitesse d E/S GPIB VXI PXI LXI (100 Mbits) LXI (Gbit) Maximum théorique 1 Mo/s 80 Mo/s 132 Mo/s 12 Mo/s 125 Mo/s Entrée de gamme 0,2 Mo/s 40 Mo/s 40 Mo/s 5 Mo/s sans objet Haut de gamme 0,5 Mo/s 60 Mo/s 60 Mo/s 11,5 Mo/s 40 Mo/s La vitesse d entrées/sorties est la vitesse à laquelle les données traversent l interface entre l ordinateur et un instrument ou entre un instrument et l ordinateur. Elle est limitée par la conception de l interface. 41
42 Principe de fonctionnement du protocole PTP (IEEE 1588) Le protocole PTP (IEEE 1588) et les Boundary Clock Les instruments LXI de Classe A et B font appel au protocole de précision IEEE 1588 qui assure une synchronisation et des fonctions temporelles précises. Les instruments peuvent synchroniser leurs horloges via un routeur du commerce, mais pour une vraie précision temporelle, il est préférable de recourir à une horloge dite Boundary Clock, c est-à-dire un commutateur (switch) spécial qui intègre le protocole IEEE 1588. Les instruments qui font appel à la temporisation IEEE 1588 doivent disposer de leur propre sous-réseau connecté à l horloge Boundary Clock. Les autres instruments LXI et l horloge Boundary Clock elle-même sont connectés au routeur principal. mettre dépend beaucoup du niveau d intelligence des instruments. Les instruments non intelligents transfèrent les données au PC qui assure le calibrage et l analyse ; il s agit de données brutes et les volumes transférés peuvent être importants. Pour les instruments intelligents, c est l inverse : comme ils effectuent eux-mêmes l analyse, ils envoient moins de données. Pour améliorer la cadence de test, il faut réduire le temps de transmission des données. Pour cela, l utilisateur a le choix entre augmenter la vitesse de transfert des données au PC, ou réduire la quantité de données envoyées : la deuxième solution est la plus efficace. La méthode la plus efficace pour transmettre les données entre les instruments et le PC consiste à ne transférer que des données déjà traitées (et non des données brutes ) et ceci par paquets de taille importante. En envoyant des données traitées, on réduit le temps de transmission (puisque les volumes sont plus petits) ainsi que le temps nécessaire au PC pour les rendre utilisables (puisque ces données ont déjà été traitées). D autre part, en envoyant ces données par gros paquets plutôt que par petits paquets, on diminue fortement le temps de latence : le temps de latence est en effet identique quelle que soit la taille du paquet (et si on additionne des paquets, on additionne les temps de latence). Pour obtenir des paquets de grande taille, il est possible de stocker temporairement les données dans la mémoire tampon de l instrument et de les envoyer lorsque le volume stocké est suffisamment important. A contrario, la méthode la plus inefficace (débit le plus lent) pour transmettre les données entre les instruments et le PC consiste à envoyer les données une à une. Il y a donc un temps de latence pour chaque donnée transmise, et les temps de latence s additionnent. Si on a en plus affaire à des données brutes, il faut y ajouter le temps requis par le PC pour traduire ces données en résultats exploitables. Le déclenchement de la mesure. En termes absolus, le déclenchement le plus rapide est celui qui est initié depuis l intérieur de l instrument par une horloge interne. En synchronisant plusieurs instruments LXI, on peut réaliser des tests complets s appuyant sur des déclenchements temporels via le LAN et non sur l envoi de commandes aux instruments. On supprime le temps de latence des entrées/sorties et le déclenchement est alors instantané. Ce mode de synchronisation est réalisé en utilisant le protocole PTP (normalisé IEEE 1588) de synchronisation des horloges. Un peu moins rapide, le déclenchement matériel consiste à utiliser un câble indépendant réservé au déclenchement ; le signal de déclenchement transite dans le câble (ou dans un
fond de panier) à la vitesse de 5 nanosecondes par mètre et le temps de déclenchement ne dépend donc que de la longueur du câble. Un peu plus lente encore est la commande de déclenchement logicielle initiée par un ordinateur. Elle transite jusqu à l instrument via le même bus que celui utilisé pour les transferts des données. La vitesse du déclenchement logiciel dépend beaucoup de l efficacité du programme de l ordinateur et de la latence de l interface PC-instrument. Ce type de déclenchement fonctionne bien si l instrument est paramétré et armé pour lancer la mesure dès qu il reçoit la commande. Malheureusement, l expérience montre que de nombreux ingénieurs travaillent à l ancienne, en envoyant à l instrument une commande de mesure (ou pire encore, une succession de plusieurs commandes) et en espérant une réponse rapide. La cadence du système de test se trouve alors gravement compromise, car on accumule les pertes de temps. Les différents mécanismes de déclenchement ont conduit à distinguer trois classes d instruments LXI (voir encadré Trois classes LXI, avec des modes de synchronisation différents ). La synchronisation via le protocole PTP (IEEE1588) Le protocole PTP (Precision Time Control) permet de synchroniser avec précision les horloges temps réel intégrées dans les instruments et les équipements raccordés sur le réseau. Ce protocole normalisé (IEEE 1588) n a pas été imaginé au départ pour les applications d instrumentation mais il se révèle très utile dans ces applications. Le consortium LXI l a adopté pour les instruments des Classes A et B. A l instar du protocole NTP (Network Time Protocol), PTP fonctionne à la fois sur Ethernet et TCP/IP, mais avec une précision supérieure de plusieurs ordres de grandeur puisqu il est facile de parvenir à une synchronisation de 100 ns, et demain, avec l amélioration des horloges, on fera mieux encore (les laboratoires Agilent Technologies ont déjà démontré que l on pouvait synchroniser les instruments avec une précision de 2 ns). PTP repose sur une architecture maître-esclave, où les horloges esclaves sont synchronisées sur l horloge maître. Cette dernière, qui peut être dans n importe quel équipement connecté sur Ethernet, est généralement celle qui présente la base de temps la plus stable et la plus précise. La clé de la précision de PTP réside dans la manière dont le protocole prend en compte le temps de transit du message circulant sur le réseau local (LAN) pour Temps de latence des différents standards Temps de latence GPIB VXI PXI LXI (100 Mbits) LXI (Gbit) Entrée de gamme 120 µs 4 µs 4 µs 300 µs 300 µs Haut de gamme 120 µs 4 µs 4 µs 100 µs 100 µs Le temps de latence est le temps qui s écoule avant que le premier octet de données ne traverse l interface entre l instrument et le PC. Il dépend à la fois de l électronique de l interface et du pilote (driver) utilisé. Les architectures basées sur des cartes instruments embarquées dans les fonds de panier ont le temps de latence le plus faible car elles sont en prise directe avec le fond de panier de l ordinateur, sans requérir de protocole logiciel pour les piloter. Mais si les accès au bus du fond de panier sont fréquents, les temps de latence s additionnent. Le LXI (et son protocole TCP/IP) a un temps de latence plus important mais il faut voir que ce bus est optimisé pour transférer des gros paquets de données. En groupant les données dans des paquets de grosse taille, on diminue la fréquence des accès au bus, et donc les temps de latence. D une manière plus générale, le temps de latence représente une très petite fraction du temps global de transmission et exploitation des informations (l interprétation des commandes par l appareil, le temps de mesure et d analyse des données, par exemple, prennent beaucoup plus de temps ). Temps de déclenchement des différents standards Type de déclenchement GPIB VXI PXI LXI Déclenchement par message (logiciel) 15 µs* 2 µs 2 µs 10 µs* Déclenchement 100 ns sans objet sans objet sans objet IEEE 1588 (temporel) (gigue) Déclenchement par bus câblé (matériel) 5 ns 5 ns 5 ns 5 ns * basé sur 50 % du temps de réponse Les déclenchements basés sur message sont les plus lents, mais toujours inférieurs à 15 µs. Les bus de déclenchement câblés sont les plus rapides, avec des réponses de 5 ns par mètre de câble. Actuellement, IEEE 1588 présente typiquement 100 ns de gigue, mais le perfectionnement des horloges devrait permettre de diminuer ce temps. évaluer le décalage de l horloge esclave. L horloge maître envoie à l esclave, à intervalles réguliers, un message Sync. L esclave répond par un message Delay_Req. L envoi et la réception de ces messages sont horodatés par les horloges. Il en résulte donc quatre marquages temporels qui sont ensuite utilisés pour calculer le temps de transmission (le temps effectif mis par le message pour parcourir la couche physique du réseau). Avec les marquages du message Sync et le temps de transmission, il devient facile de calculer le décalage de l horloge esclave. La clé d une synchronisation parfaite nécessite que l on dispose de marquages temporels sta- Concentrateurs, commutateurs et routeurs Les concentrateurs (hubs), les commutateurs (switchs) et les routeurs sont des dispositifs Ethernet qui relient ensemble plusieurs ordinateurs et instruments. Concentrateur. Le concentrateur fait office de répartiteur : il prend un message sur un port et il en envoie une copie à tous les autres ports. Commutateur. Le commutateur lit un message provenant d un port et l envoie au port approprié, en fonction de bles et répétables, présentant une faible variance. Pour ce faire, le meilleur moyen consiste à réaliser les marquages horodateurs dans la couche physique d Ethernet donc dans le matériel. L horodatage est également réalisable à partir d une implémentation logicielle mais la précision de synchronisation est inférieure d au moins un ordre de grandeur, en raison des fluctuations temporelles associées au logiciel de pile de protocole du réseau. L algorithme de correction des horloges esclave repose sur l hypothèse d une symétrie des temps de transmission. Par conséquent, toute fluctuation du temps de transmission l adresse de destination indiquée dans le message. Le commutateur ne connaît que son réseau local. Routeur. Le routeur relie ensemble plusieurs réseaux. Comme le commutateur, il envoie les messages au port approprié, en fonction de l adresse de destination indiquée dans le message. Il peut servir à isoler un réseau local d un réseau plus grand, qu il soit public ou d entreprise. 43
Trois classes, avec des modes de synchronisation différents La Classe C est la classe de base de LXI. Elle apporte les avantages d une interface LAN avec une vitesse d entrées/sorties environ 10 fois (LAN 100 Mbits) ou 100 fois (LAN Gigabit) supérieure à GPIB (LAN Gigabit). La Classe C convient très bien aux instruments capables de conserver les mesures en mémoire tampon et de les envoyer au PC en grands blocs. La Classe B de LXI ajoute à la classe de base la possibilité d effectuer un déclenchement PTP (Precision time protocol) ou IEEE 1588. Ce standard ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour le test et mesure : un monde basé sur le temps. Il supprime la latence du réseau car les instruments lancent les mesures sur un instant précis et non après avoir reçu une commande de l ordinateur. Ce type de déclenchement basé sur le temps s affranchit des limites imposées par le câblage physique et il ne souffre pas des problèmes liés à la qualité du signal. La technologie actuelle permet de synchroniser les instruments à ±100 ns près (et les progrès sur les horloges permettent de porter la précision à ±2 ns). IEEE 1588 permet aussi d horodater tous les événements (déclenchements, début de la mesure, fin de la mesure, temps d établissement, événements externes et messages LAN, entre autres). La Classe B de LXI offre aussi la possibilité pour un instrument de déclencher un ou plusieurs instruments, éliminant ainsi le goulet d étranglement que représente l ordinateur dans le système. Les déclenchements LAN réduisent la complexité de la programmation en éliminant les états d attente de l ordinateur. Lorsqu un instrument achève une mesure, il envoie un déclenchement (événement LXI) vers un autre instrument. L ordinateur n est plus obligé d être dans une boucle d attente, interrogeant les instruments pour voir à quel moment ils ont fini, ce qui accroît son efficacité. La Classe A de LXI ajoute une fonction supplémentaire à la Classe B : un bus de déclenchement matériel. Ce bus de déclenchement (compatible avec le bus de déclenchement du fond de panier VXI) est un câble à 8 conducteurs offrant des déclenchements très précis et cohérents entre les instruments. Le signal de déclenchement passe toujours d un instrument à l autre à la vitesse de 5 ns/m. Il est évident que cette méthode de déclenchement fonctionne mieux lorsque les instruments sont physiquement proches les uns des autres. (dans un sens) a pour effet de dégrader la précision de synchronisation. Pour obtenir la meilleure performance, il est donc nécessaire de choisir une infrastructure réseau présentant une fluctuation minimale du retard. Le hub intrinsèquement supérieur au switch. De par sa conception, un concentrateur (hub) Ethernet présente un retard relativement faible et stable (un concentrateur est un simple répéteur et les trames Ethernet ne sont ni stockées ni interprétées de quelque manière que ce soit). Un commutateur (switch) Ethernet présente un retard plus important et, ce qui est encore plus gênant, une fluctuation beaucoup plus forte du retard, car il analyse les trames entrantes et les met en file pour les envoyer en direction du port de destination approprié. Un routeur introduit un niveau de fluctuation du retard encore plus élevé, car il inspecte les paquets de la couche IP, les stocke et les transmet à l aide de mécanismes logiciels. Dans ces conditions, dans les applications exigeantes en précision de synchronisation, est-on contraint de se limiter aux architectures Ethernet basées sur des hubs et renoncer aux architectures basées sur des switchs et des routeurs? Heureusement que non! Le protocole PTP dispose d un mécanisme appelé Boundary Clock qui neutralise l impact négatif des éléments réseau qui introduisent une plus grande fluctuation du retard. Avec le boundary clock, le switch rattrape son handicap. Boundary Clock est un commutateur (switch) ou un routeur compatible avec IEEE1588, intégrant une horloge temps réel. Mis à part les messages temporels PTP tels que Sync et Delay_Req, son comportement est celui d un commutateur ou d un routeur normal. Mais par rapport au protocole PTP, Boundary Clock a pour fonction de terminer le trajet de synchronisation après chaque port individuel. Le port connecté à la meilleure horloge (horloge grandmaster ou grand maître ) assume alors le rôle d horloge esclave. L horloge interne du commutateur ou du routeur se synchronise donc sur l horloge grand maître via ce port. Tous les autres ports assument le rôle d horloge maître et par conséquent, toutes les horloges esclaves, dans leurs trajets de synchronisation respectifs, se synchronisent sur l horloge interne Boundary Clock. Le mécanisme Boundary Clock améliore de façon radicale la précision de synchronisation (pour la porter au niveau de celle d un hub Ethernet simple, voire mieux encore) car les messages temporels IEEE 1588 ne sont pas commutés ou routés via l élément réseau (contrairement à toutes les autres trames Ethernet ou paquets IP). On élimine ainsi une source majeure de fluctuation du retard (stockage et traitement dans l élément réseau). Une configuration automatique. L un des aspects particulièrement conviviaux de IEEE 1588 réside dans le fait que la configuration du système est quasiment automatique. Comment cela est-il possible? Chacune des horloges maintient un grand nombre d ensembles de données qui servent à décrire ses capacités inhérentes (par exemple sa stabilité) et sa configuration réelle (par exemple une estimation du décalage de temps courant avec le maître, et l identification de l horloge maître). Ces paramètres (parmi d autres) décrivent collectivement la qualité de l horloge et ils sont publiés dans chaque message Sync envoyé par l horloge. Lorsqu une horloge se présente en ligne, elle assume le rôle d horloge maître et commence à envoyer des messages Sync (contenant sa spécification). Les autres horloges reçoivent ces paramètres de qualité qu elles comparent à leur propre spécification (à l aide de l algorithme Best Master Clock ). Si elles constatent qu il existe sur le réseau une meilleure horloge maître, elles assument le rôle d horloge esclave. Quels sont les critères d une bonne horloge? Le clock stratum, paramètre important, est une valeur qui indique si l horloge est traçable directement ou indirectement à une source temporelle servant d étalon officiel, par exemple un récepteur GPS. Les horloges qui ont un lien direct avec une telle source temporelle absolue ont la préférence. Un autre paramètre important est la variance d horloge, une indication de la stabilité inhérente de l horloge. Il est possible de modifier la configuration par défaut, ou automatique. Pour ce faire, la norme IEEE1588 définit aussi un certain nombre de messages de gestion qui permettent d interroger les ensembles de données de l horloge, de spécifier l heure courante et de changer le statut de l horloge ou d autres paramètres de fonctionnement, via le LAN. Grant Drenkow Stefan Kopp Agilent Technologies 44