IEEE 1588時鐘同步協(xié)議的研究 -設計應用

精品文檔-下載后可編輯IEEE1588時鐘同步協(xié)議的研究-設計應用在分布式網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡傳輸時延的不確定性，導致采用網(wǎng)絡命令觸發(fā)的同步精度差；同時，由于分布式網(wǎng)絡各節(jié)點位置的分散性，不適合采用硬件同步提供高精度的同步觸發(fā)?；跁r間信息的同步觸發(fā)方式特別適合于分布式遠距離同步系統(tǒng)，其觸發(fā)方式靈活，不受距離的限制。

IEEE1588的全稱是“網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”，IEEE1588標準的草案基礎來自惠普公司的1990至1998年的有關成果，換句語說，安捷倫科技對IEEE1588標準作出重要貢獻。安捷倫實驗室的資深研究員JohnEidson被網(wǎng)絡業(yè)界視為，他的“IEEE1588在測試和測量系統(tǒng)的應用”，以及“IEEE1588：在測控和通信的應用”兩篇論文對IEEE1588協(xié)議有精辟和全面的介紹。IEEE1588協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡系統(tǒng)定時同步能力的規(guī)范，在起草過程中主要參考以太網(wǎng)來編制，使分布式通信網(wǎng)絡能夠具有嚴格的定時同步，并且應用于工業(yè)自動化系統(tǒng)?；緲嬎际峭ㄟ^硬件和軟件將網(wǎng)絡設備（客戶機）的內(nèi)時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10μs的運用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)延遲時間1，000μs相比，整個網(wǎng)絡的定時同步指標有顯著的改善。

IEEE1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡內(nèi)的所有時鐘與時鐘保持同步，它定義了一種時間協(xié)議PTP（PrecisionTimeProtocol），用于對標準以太網(wǎng)或其他采用多播技術的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步。IEEE1588可以以純軟件的方式實現(xiàn)，也可以用能夠提供更的時間同步的專門的硬件實現(xiàn)。時間的精度和不確定性主要依模塊和IEEE1588執(zhí)行的情況而定，一般期望在幾十納秒到幾十亞微秒間。IEEE1588用于需要時間精度比NTP高的局域分布系統(tǒng)，也用于一些不能接受GPS高成本或者不能接收到GPS信號的應用場合。

PTP起源

伴隨著網(wǎng)絡技術的不斷增加和發(fā)展，尤其是以太網(wǎng)在測量和控制系統(tǒng)中應用越來越廣泛，計算機和網(wǎng)絡業(yè)界也在致力于解決以太網(wǎng)的定時同步能力不足的問題，以減少采用其它技術，例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。于是開發(fā)出一種軟件方式的網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP），來提高各網(wǎng)絡設備之間的定時同步能力。1992年NTP版本的同步準確度可以達到200μs，但是仍然不能滿足測量儀器和工業(yè)控制所需的準確度。為了解決這個問題，同時還要滿足其它方面需求。網(wǎng)絡精密時鐘同步委員會于2022年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所（NIST）的支持，該委員會起草的規(guī)范在2022年底獲得IEEE標準委員會通過，作為IEEE1588標準。該標準定義的就是PTP協(xié)議（PrecisionTimeProtocol）。

PTP應用環(huán)境

PTP適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，例如EtherNet。同時提供單播消息的支持。協(xié)議支持多種傳輸協(xié)議，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2EtherNet，DeviceNet。協(xié)議采用短幀傳輸，且數(shù)據(jù)幀少，算法簡單，對網(wǎng)絡資源使用少，對計算性能要求低，適合于在低端設備上應用。

1同步機制

PTP協(xié)議通過主時鐘算法建立主從時鐘結構后，使用UDP通信協(xié)議，每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達到同步。同步過程分為兩個階段，偏移測量階段和延遲測量階段，如圖1所示。

1.1偏移測量階段

偏移測量階段是指測量主時鐘與從時鐘之間的時間偏移量，并在從時鐘上消除這些偏移。主時鐘每隔2s向從時鐘發(fā)送一個同步報文Sync，并記下它發(fā)出的準確時刻t1。當從時鐘接收到Sync報文時立刻把當前時刻t2記下。由于偏移量的計算是在從時鐘處進行，在此過程中需要用到時標t1，因此，必須在Sync報文發(fā)出后用一個跟隨報文（Followup）把時標t1裝入并發(fā)送給從時鐘。

1.2延遲測量階段

延遲測量階段用于確定主時鐘與從時鐘之間報文傳輸?shù)难訒r。當從時鐘需要測量網(wǎng)絡傳輸延遲時，它就向主時鐘發(fā)送一個延時請求報文Delay_Req，并在報文發(fā)出的同時記下當前時刻t3，在主時鐘接收到延時請求報文的時刻立即打上時標t4。由于傳輸延時的計算也是在從時鐘處進行，需要用到時標t4，因此，需要用一個延時響應報文Delay_Resp裝上時標t4并由主時鐘發(fā)送給從時鐘。從時鐘在得到t3與t4之后，可得到下列公式：

2報文內(nèi)部延時分析和時間檢測點的選擇

從PTP協(xié)議的同步原理可以知道，要實現(xiàn)高精度的同步，必須有高準確度的時間測量，即準確地獲取同步報文發(fā)送和接收的時間。在一個IEEE1588應用系統(tǒng)中，報文發(fā)出一般依次經(jīng)過應用程序、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧和以太網(wǎng)控制器，通過網(wǎng)絡發(fā)送到接收端。報文到達接收端后，依次通過以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡協(xié)議棧和操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)達到應用程序，如圖2所示。

為了消除操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧帶來的波動，達到高的準確度和度，對傳輸報文的時間打標越靠近物理層越好。在IEEE1588中定義了兩種時間打標的方法，一種是沒有帶硬件輔助；另一種是帶硬件輔助。

沒有帶硬件輔助的方法是在軟件層對發(fā)送和接收報文的時間做標記。帶硬件輔助的方法是在連接介質訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）的介質獨立接口（MII）接口處安裝一個特殊的時鐘同步包檢測器和時間標記單元，如使用FPGA或ASIC實現(xiàn)，對發(fā)出或接收到的每個特殊報文（如：Sync和Delay_Req）打上時標。由于在網(wǎng)絡中發(fā)送和接收的包都要經(jīng)過硬件層，而硬件層的延時都是固定的，所以這種方法的度是的。典型的從時鐘設計如圖3所示。

3IEEE1588從時鐘設計

3.1可調(diào)時鐘的硬件設計

時鐘是IEEE1588設備的單元，為了達到設計的精度，一般使用基于硬件的時鐘模塊。在時鐘的設計中有三個重要的模塊需要設計，一是時鐘本身，二是驅動時鐘的時鐘，三是時鐘速率調(diào)節(jié)電路。

時間由兩個32位的二進制數(shù)表示，其中32位無符號的整形寄存器組成秒單位，30位無符號的整形亞秒寄存器和2位無符號的整形分數(shù)亞秒寄存器組成了秒以下的單位。如圖4所示，速率計數(shù)寄存器和速率調(diào)節(jié)都是32位的，高2位用于表示分數(shù)亞秒時間，系統(tǒng)時鐘是50MHz[4]。

每個從時鐘在每個同步間隙必須利用計算的時間偏移調(diào)整本地時鐘，無限地逼近主時鐘，使這個時間偏移減小到。在目前的PTP協(xié)議中并沒有說明從時鐘如何利用這個偏移，而這個時間調(diào)整在同步中十分重要。

3.2時鐘數(shù)據(jù)濾波處理

對主從時鐘偏移的數(shù)據(jù)進行濾波處理，可以減少因為網(wǎng)絡的原因造成的偏移數(shù)據(jù)抖動、跳變以及晶體震蕩器的方差造成的時鐘的擺動，同時減小控制器的輸入噪聲，終使從時鐘的抖動減小[5]。實現(xiàn)采用將時鐘偏移和網(wǎng)絡延時分別濾波，其原理框圖如圖5所示。

對偏移數(shù)據(jù)的濾波使用有限沖擊響應（FIR）的濾波器，該濾波器采用常見的求和平均：

S一般取整數(shù)，S越大，濾波器的截止頻率越小。系統(tǒng)剛開始時，取S=1，隨著時間增加網(wǎng)絡延時逐漸固定起來，接著在每隔延時測量周期將S增大，直到達到值。

3.3從時鐘伺服控制模型

對從時鐘逼近主時鐘的時鐘同步模型對應的伺服模型如圖6所示。系統(tǒng)包括一個控制器、采樣保持和代表從時鐘的被控目標。誤差信號e（t）表示本地時鐘的時間與遠端主時鐘的時間的時間差，也就是濾波算法中計算得到的時間偏移offset。誤差信號在每過一個時間被采樣，代表同步的時間間隔[6]。所以整個控制模型是一個離散的控制系統(tǒng)。

在整個系統(tǒng)控制模型中，時鐘伺服的性能好壞取決于PI控制器的常數(shù)大小。首先必須保證控制器的閉環(huán)是穩(wěn)定的，其次是要保證控制器的響應滿足系統(tǒng)同步時鐘需求，下面分析如何選擇控制器的參數(shù)。

PI控制器的微分方程如下：

當取P=0.7和I=0.1，P=0.7和I=0.3,對應的閉環(huán)響應曲線如圖8所示，采樣時間是2s。

從仿真圖可以看出，積分常數(shù)越大，系統(tǒng)的響應震蕩和過沖越大，但是響應的平均幅度很快接近1，也就是同步過程很快。所以在實際系統(tǒng)選取時，可以折中考慮，取P=0.7和I=0.2，既可以防止過沖又可以滿足快速同步的要求，如圖9中m=0所示。

考慮計算延時不為0的情況時，根據(jù)式（16）可以畫出相應系統(tǒng)的單位階躍響