IEEE 1588時(shí)鐘同步協(xié)議的研究 -設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯IEEE1588時(shí)鐘同步協(xié)議的研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用在分布式網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的不確定性，導(dǎo)致采用網(wǎng)絡(luò)命令觸發(fā)的同步精度差；同時(shí)，由于分布式網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)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(shí)間信息的同步觸發(fā)方式特別適合于分布式遠(yuǎn)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(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的草案基礎(chǔ)來自惠普公司的1990至1998年的有關(guān)成果，換句語說，安捷倫科技對(duì)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)作出重要貢獻(xiàn)。安捷倫實(shí)驗(yàn)室的資深研究員JohnEidson被網(wǎng)絡(luò)業(yè)界視為，他的“IEEE1588在測試和測量系統(tǒng)的應(yīng)用”，以及“IEEE1588：在測控和通信的應(yīng)用”兩篇論文對(duì)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(luò)系統(tǒng)定時(shí)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(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)?；緲?gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，提供同步建立時(shí)間小于10μs的運(yùn)用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)延遲時(shí)間1，000μs相比，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)同步指標(biāo)有顯著的改善。

IEEE1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有時(shí)鐘與時(shí)鐘保持同步，它定義了一種時(shí)間協(xié)議PTP（PrecisionTimeProtocol），用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采用多播技術(shù)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(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級(jí)同步。IEEE1588可以以純軟件的方式實(shí)現(xiàn)，也可以用能夠提供更的時(shí)間同步的專門的硬件實(shí)現(xiàn)。時(shí)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(shí)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(hào)的應(yīng)用場合。

PTP起源

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(yīng)用越來越廣泛，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)界也在致力于解決以太網(wǎng)的定時(shí)同步能力不足的問題，以減少采用其它技術(shù)，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(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP），來提高各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的定時(shí)同步能力。1992年NTP版本的同步準(zhǔn)確度可以達(dá)到200μs，但是仍然不能滿足測量儀器和工業(yè)控制所需的準(zhǔn)確度。為了解決這個(gè)問題，同時(shí)還要滿足其它方面需求。網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)于2022年中獲得IEEE儀器和測量委員會(huì)美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的支持，該委員會(huì)起草的規(guī)范在2022年底獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過，作為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義的就是PTP協(xié)議（PrecisionTimeProtocol）。

PTP應(yīng)用環(huán)境

PTP適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，例如EtherNet。同時(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)資源使用少，對(duì)計(jì)算性能要求低，適合于在低端設(shè)備上應(yīng)用。

1同步機(jī)制

PTP協(xié)議通過主時(shí)鐘算法建立主從時(shí)鐘結(jié)構(gòu)后，使用UDP通信協(xié)議，每個(gè)從時(shí)鐘通過與主時(shí)鐘交換同步報(bào)文而與主時(shí)鐘達(dá)到同步。同步過程分為兩個(gè)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(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移量，并在從時(shí)鐘上消除這些偏移。主時(shí)鐘每隔2s向從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)同步報(bào)文Sync，并記下它發(fā)出的準(zhǔn)確時(shí)刻t1。當(dāng)從時(shí)鐘接收到Sync報(bào)文時(shí)立刻把當(dāng)前時(shí)刻t2記下。由于偏移量的計(jì)算是在從時(shí)鐘處進(jìn)行，在此過程中需要用到時(shí)標(biāo)t1，因此，必須在Sync報(bào)文發(fā)出后用一個(gè)跟隨報(bào)文（Followup）把時(shí)標(biāo)t1裝入并發(fā)送給從時(shí)鐘。

1.2延遲測量階段

延遲測量階段用于確定主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)。當(dāng)從時(shí)鐘需要測量網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)，它就向主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文Delay_Req，并在報(bào)文發(fā)出的同時(shí)記下當(dāng)前時(shí)刻t3，在主時(shí)鐘接收到延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)刻立即打上時(shí)標(biāo)t4。由于傳輸延時(shí)的計(jì)算也是在從時(shí)鐘處進(jìn)行，需要用到時(shí)標(biāo)t4，因此，需要用一個(gè)延時(shí)響應(yīng)報(bào)文Delay_Resp裝上時(shí)標(biāo)t4并由主時(shí)鐘發(fā)送給從時(shí)鐘。從時(shí)鐘在得到t3與t4之后，可得到下列公式：

2報(bào)文內(nèi)部延時(shí)分析和時(shí)間檢測點(diǎn)的選擇

從PTP協(xié)議的同步原理可以知道，要實(shí)現(xiàn)高精度的同步，必須有高準(zhǔn)確度的時(shí)間測量，即準(zhǔn)確地獲取同步報(bào)文發(fā)送和接收的時(shí)間。在一個(gè)IEEE1588應(yīng)用系統(tǒng)中，報(bào)文發(fā)出一般依次經(jīng)過應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和以太網(wǎng)控制器，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收端。報(bào)文到達(dá)接收端后，依次通過以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)用程序，如圖2所示。

為了消除操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧帶來的波動(dòng)，達(dá)到高的準(zhǔn)確度和度，對(duì)傳輸報(bào)文的時(shí)間打標(biāo)越靠近物理層越好。在IEEE1588中定義了兩種時(shí)間打標(biāo)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(duì)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間做標(biāo)記。帶硬件輔助的方法是在連接介質(zhì)訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）的介質(zhì)獨(dú)立接口（MII）接口處安裝一個(gè)特殊的時(shí)鐘同步包檢測器和時(shí)間標(biāo)記單元，如使用FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)，對(duì)發(fā)出或接收到的每個(gè)特殊報(bào)文（如：Sync和Delay_Req）打上時(shí)標(biāo)。由于在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收的包都要經(jīng)過硬件層，而硬件層的延時(shí)都是固定的，所以這種方法的度是的。典型的從時(shí)鐘設(shè)計(jì)如圖3所示。

3IEEE1588從時(shí)鐘設(shè)計(jì)

3.1可調(diào)時(shí)鐘的硬件設(shè)計(jì)

時(shí)鐘是IEEE1588設(shè)備的單元，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的精度，一般使用基于硬件的時(shí)鐘模塊。在時(shí)鐘的設(shè)計(jì)中有三個(gè)重要的模塊需要設(shè)計(jì)，一是時(shí)鐘本身，二是驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的時(shí)鐘，三是時(shí)鐘速率調(diào)節(jié)電路。

時(shí)間由兩個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)表示，其中32位無符號(hào)的整形寄存器組成秒單位，30位無符號(hào)的整形亞秒寄存器和2位無符號(hào)的整形分?jǐn)?shù)亞秒寄存器組成了秒以下的單位。如圖4所示，速率計(jì)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?jǐn)?shù)亞秒時(shí)間，系統(tǒng)時(shí)鐘是50MHz[4]。

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

3.2時(shí)鐘數(shù)據(jù)濾波處理

對(duì)主從時(shí)鐘偏移的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以減少因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的原因造成的偏移數(shù)據(jù)抖動(dòng)、跳變以及晶體震蕩器的方差造成的時(shí)鐘的擺動(dòng)，同時(shí)減小控制器的輸入噪聲，終使從時(shí)鐘的抖動(dòng)減小[5]。實(shí)現(xiàn)采用將時(shí)鐘偏移和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分別濾波，其原理框圖如圖5所示。

對(duì)偏移數(shù)據(jù)的濾波使用有限沖擊響應(yīng)（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(shí)，取S=1，隨著時(shí)間增加網(wǎng)絡(luò)延時(shí)逐漸固定起來，接著在每隔延時(shí)測量周期將S增大，直到達(dá)到值。

3.3從時(shí)鐘伺服控制模型

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

在整個(gè)系統(tǒng)控制模型中，時(shí)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(yīng)滿足系統(tǒng)同步時(shí)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(dāng)取P=0.7和I=0.1，P=0.7和I=0.3,對(duì)應(yīng)的閉環(huán)響應(yīng)曲線如圖8所示，采樣時(shí)間是2s。

從仿真圖可以看出，積分常數(shù)越大，系統(tǒng)的響應(yīng)震蕩和過沖越大，但是響應(yīng)的平均幅度很快接近1，也就是同步過程很快。所以在實(shí)際系統(tǒng)選取時(shí)，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(jì)算延時(shí)不為0的情況時(shí)，根據(jù)式（16）可以畫出相應(yīng)系統(tǒng)的單位階躍響