1 引言

以太網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展為分布式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。以太網(wǎng)具有成本低、可靠性高、傳輸速度快、通用性強、開放性好、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點。但以太網(wǎng)也存在網(wǎng)絡(luò)的確定性、實時性不強等缺陷。隨著系統(tǒng)日益龐大復(fù)雜，分布化程度越來越高，對時鐘同步的要求也逐步提高，雖然隨著帶寬的不斷提高以及采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等減少沖突可能的技術(shù)的應(yīng)用，以太網(wǎng)的確定性、實時性有一定程度的提高，但由于以太網(wǎng)自身沖突檢測的載波幀聽多路訪問（CSMA／CD）機制，設(shè)備層和I／O層的數(shù)據(jù)采集與傳輸問題，以及TCP及UDP上的誤差檢測及翻譯障礙等，以太網(wǎng)的實時性問題并未得到根本解決。仍不能滿足精確定時的要求。

網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588適用于以太網(wǎng)、CAN總線和PROFIBUS等。IEEE 1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有從時鐘與主時鐘保持同步，該標(biāo)準(zhǔn)定義一種精確時間協(xié)議PTP（Precision rime Protocol），用于對標(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)備中的時鐘進行微秒級同步。早期的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）只有軟件，而PTP協(xié)議同時使用硬件和軟件，從而獲得更精確的定時同步。PTP針對相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對穩(wěn)定的環(huán)境，特別適合于分布式系統(tǒng)在工業(yè)自動化方面的應(yīng)用。

2 時鐘同步原理

理論上，為每個系統(tǒng)節(jié)點配備GPS模塊可得到精確的時間，這樣系統(tǒng)中所有節(jié)點的時鐘就和標(biāo)準(zhǔn)時間一致。從而達(dá)到同步；但分布式系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量大，GPS設(shè)備成本高、能耗大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗屏蔽性差，且出于安全性考慮排除大規(guī)模使用GPS的時鐘同步方式。而基于以太網(wǎng)的IEEE 1588是通過在分布式系統(tǒng)各節(jié)點間交換時間報文的方法達(dá)到整個系統(tǒng)的時間同步。IEEE 1588通過交換報文來確定主時鐘（Master）和從時鐘（Slave）之間的時間偏移及報文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。圖1為IEEE 1588原理圖。

由圖1可知，主時鐘的節(jié)點按照定義的間隔時間（缺省是2 s）周期性地向網(wǎng)絡(luò)上所有從時鐘節(jié)點發(fā)送“同步報文”（Sync），同時主時鐘節(jié)點記錄同步報文實際發(fā)送的時間戳，并在隨后的“跟進報文”（Follow-up）中傳送該精確時間戳TM1。這樣，對傳遞和接收的測量與標(biāo)準(zhǔn)時間戳的傳播可以分開。網(wǎng)絡(luò)上所有其他從時鐘節(jié)點收到上述報文后，記錄同步報文的接收時間戳TS1，TS1和TM1的偏差中不但包含主從時鐘的時間偏差，還包含未知的報文傳輸延遲，分布式系統(tǒng)中每個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所處位置、布線方式、布線長度以及目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的固有問題，也將造成測控數(shù)據(jù)在傳輸過程中的不同延遲。因此需要進一步測量并消除該傳輸延遲。與偏移測量不同，延遲測量是不規(guī)則進行的，從時鐘節(jié)點按照定義的間隔時間（缺省值是4～60 s之間的隨機值）向主時鐘節(jié)點發(fā)送一個“延遲請求”（Dclay Request）報文，同時記錄該報文的實際發(fā)送時間，作為精確的發(fā)送時間戳TS2，而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時間戳TM2，并將該時間戳在隨后的“延遲響應(yīng)”（Delay Response）報文中發(fā)送給相應(yīng)的從時鐘節(jié)點。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)延遲是對稱的，則有以下兩式：

根據(jù)偏差△，調(diào)整從時鐘，實現(xiàn)對時。

3 影響同步精度的因素

（1）網(wǎng)絡(luò)對稱性從圖1看出，分布式系統(tǒng)為計算其網(wǎng)絡(luò)延遲和時鐘偏移所進行的4次測量都是建立在報文的傳輸延遲（Delay）在傳輸方向上是相同的基礎(chǔ)上。但這只是理想的情況，在大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，Delay在傳輸方向上的差異會越來越大。造成同步精度的下降。但由于工業(yè)上的分布式系統(tǒng)多為相對本地化、局域網(wǎng)的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對穩(wěn)定的環(huán)境，因此可忽略Delay在傳輸方向上的差異。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)測量時，點對點的傳輸能提供最高的精度，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會對同步精度造成影響，當(dāng)采用Hub連接時，網(wǎng)絡(luò)延遲抖動為300～400 ns，當(dāng)采用交換機時，由于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)機制的影響，網(wǎng)絡(luò)延遲會隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化而變化，因此具有較大的抖動值，使得上述網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲測量方法精度大大降低。為此，PTP采用邊界時鐘（Bounday Clock）的方法解決這一問題，如圖2所示。在交換機內(nèi)部與主時鐘連接的端口可以看成從時鐘端口，在接收主時鐘發(fā)送的同步報文后調(diào)整自己的本地時鐘，然后用調(diào)整后的時鐘去同步所有與交換機主時鐘連接的從時鐘設(shè)備，這樣帶有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接就變成簡單的點對點連接，從而有效去除交換機所造成的延遲抖動。

（3）晶振的頻率由于產(chǎn)生時鐘的不同晶體本身的速度是不同的，而且晶體容易受溫度等影響，產(chǎn)生晶振漂移，引起誤差增大，因此需時從時鐘的晶振頻率進行補償。使從時鐘的晶振頻率與主時鐘保持一致。

4 時間戳的生成

基于以上方法，可有效消除主、從時鐘偏差和報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲，從而實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的時鐘同步。同步信息檢測和時間戳生成方法不同，時鐘同步精度也不一樣，IEEE802.3中規(guī)定以太網(wǎng)幀的基本結(jié)構(gòu)：前導(dǎo)碼、幀起始定界符、目的MAC、源MAC、長度、數(shù)據(jù)和幀校驗序列。其中，前導(dǎo)碼由7個‘1 0’交替的8位字節(jié)組成，用于信號同步；而幀起始定界符包含6位交替的‘1 0’及末位的2個1，末位的2個1通知接收端，跟在后面的是幀的實際字段，表示一幀開始。在以太網(wǎng)中，IEEE 1588所定義的各種時鐘報文（Sync報文等）均以UDP／IP多播包形式發(fā)送的，報文的時標(biāo)生成點位于幀起始定界符最后一位，如圖3所示。

IEEE 1588的同步原理決定了時鐘同步的精度主要取決于時間戳的精度。時間戳的加蓋有3種方法：

（1）硬件加蓋方式 時間戳主要加蓋在MAC層和PHY層之間的MII（media independent interface）層，這也是最精確的加蓋方式，需用硬件電路實現(xiàn)。

（2）軟件加蓋方式 時間戳加蓋在網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動層，在網(wǎng)絡(luò)接口的驅(qū)動程序中實現(xiàn)，精度略低。

（3）加蓋在應(yīng)用層 因為這種方式無需修改其他系統(tǒng)軟件，所以協(xié)議棧的操作延遲和負(fù)載都能對同步精度造成影響，因此同步精度最低。無論在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層還是在MII產(chǎn)生的時間戳都必須返回到PTP應(yīng)用層并經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)核處理，然后才發(fā)送到PTP終端，由此可以看出時間戳的生成決定了PTP協(xié)議的運行。只有獲得精確的時間戳才能發(fā)揮IEEE 1588所能達(dá)到的時鐘同步精度。

以太網(wǎng)自身的CSMMCD機制、上一層通信（如TCP及UDP）上進行的誤差檢測及翻譯障礙等，都占用以太網(wǎng)的時間。因此，用軟件方式產(chǎn)生時間戳，必須優(yōu)化加蓋時間戳的驅(qū)動程序以提高系統(tǒng)內(nèi)核處理帶有時間戳報文的運算效率，同時優(yōu)化報文發(fā)送前在網(wǎng)卡內(nèi)部的排序，減小程序運行和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對收發(fā)報文的影響，從而降低報文發(fā)送過程中的軟件延遲和抖動。

在以太網(wǎng)中，也可以在物理層放置硬件電路加蓋時間戳，這樣可以避免協(xié)議棧上部較大的時間抖動，消除報文傳輸中的網(wǎng)絡(luò)延遲。由于主從時鐘不同步的原因除了網(wǎng)絡(luò)延遲外還有時鐘偏差，可以采用頻率可調(diào)時鐘來校正從時鐘相對主時鐘的時鐘偏差，根據(jù)從時鐘處得出的自身與主時鐘的偏差計算出相應(yīng)的頻率補償值，從而控制時鐘計數(shù)器的數(shù)值達(dá)到與主時鐘的同步。硬件電路從物理層獲得每個發(fā)送和接收報文的比特流，并記錄時間戳信息，判斷其是否為IEEE 1588相關(guān)協(xié)議報文，如果是相關(guān)報文，則把時間戳信息傳送給上層軟件，否則丟棄該報文的時間戳信息。對于100 M以太網(wǎng)，由于采用4B／SB編碼和Scrambler技術(shù)，只能在物理層與數(shù)據(jù)鏈路層之間的MII層加蓋時間戳信息。IEEE 1588時鐘同步實現(xiàn)過程如圖4所示。

5 基于FPGA的硬件同步方案

因為采用硬件電路獲取時間戳，從而獲得更高的同步精度，這里采用FPGA實現(xiàn)時間戳的獲取和從時鐘相對主時鐘的頻率糾偏。分布式系統(tǒng)中節(jié)點時鐘同步模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

每個節(jié)點包含CPU、以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（PHY）、FPGA等4種主要器件。物理層收發(fā)器和MAC控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的MII接口相連，CPU通過總線與MAC控制器和FPGA相連。物理層收發(fā)器、MAC控制器和CPU構(gòu)成通訊協(xié)議棧完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。

為了使從時鐘的晶振頻率與主時鐘保持一致，F(xiàn)PGA中需要有一個頻率可調(diào)的時鐘以實現(xiàn)晶振糾偏，如圖6所示，由r位頻率補償值寄存器、g位分頻累加器、p位系統(tǒng)時鐘計數(shù)器組成，一個普通晶體振蕩信號輸入FPGA模塊。在每個晶振周期，r位頻率補償值寄存器內(nèi)保存的頻率補償值累加到q位分頻累加器中，與累加器中的值相加。

如果發(fā)生溢出，則在下一個晶振周期，時鐘計數(shù)器增加一個增量，這個增量就是整個頻率補償時鐘的分辨率；如果沒有溢出，則在下一個晶振周期，時鐘計數(shù)器保持原值。計數(shù)器的當(dāng)前值即為調(diào)整后的本地時鐘。因此可以通過改變頻率補償值來改變時鐘計數(shù)器數(shù)值增加的頻率，實現(xiàn)對晶振頻率的補償。q和r越大，頻率補償值的改變對累加器發(fā)生溢出的頻率的影響越小，對晶振頻率的補償越精細(xì)。本系統(tǒng)選擇r=32，q=32，p=64。

使用FPGA不但能夠獲得最精確的時間戳，而且能夠采用數(shù)字電路的方法精確補償從時鐘的晶振頻率。FPGA的控制器實現(xiàn)時鐘調(diào)節(jié)算法，并由得到的時間戳和本地時鐘相比較，得到頻率補償值，從而控制時鐘計數(shù)器數(shù)值，補償晶振的頻率。而CPU則主要負(fù)責(zé)驅(qū)動MAC控制器完成相關(guān)的通訊功能。

6 結(jié)束語

采用IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議的以太網(wǎng)時鐘同步技術(shù)，解決了通用以太網(wǎng)實時性和同步性差的問題。為基于多播技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實時應(yīng)用提供了有效的解決方案。IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議的制定滿足網(wǎng)絡(luò)化分布式系統(tǒng)的需求，利用IEEE 1588時鐘同步技術(shù)可以在不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的情況下，實現(xiàn)整個分布式系統(tǒng)的高精度時鐘同步，從而可以有效解決分布式系統(tǒng)的實時性問題，進而改善和提高系統(tǒng)的同步精度。

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