基于FPGA的高精度同步時鐘系統(tǒng)設計

摘要: 介紹了精密時鐘同步協(xié)議(PTP)的原理。本文精簡了該協(xié)議，設計并實現(xiàn)了一種低成本、高精度的時鐘同步系統(tǒng)方案。該方案中，本地時鐘單元、時鐘協(xié)議模塊、發(fā)送緩沖、接收緩沖以及系統(tǒng)打時標等功能都在FPGA中實現(xiàn)。經(jīng)過測試，該方案能夠實現(xiàn)ns級同步精度。該方案成本低，并且易于擴展，非常適合局域網(wǎng)絡時鐘同步的應用領域。

在很多大型物理實驗和工業(yè)應用中，時鐘同步技術都扮演著舉足輕重的作用。比如在中國四川錦屏暗物質探測實驗中，需要為多個獨立探測裝置提供相應的時間信息，這些探測器包括中心探測器(HpGe)、液氬反符合探測器、實驗室外部宇宙線反符合探測器[1]。又比如在大亞灣中微子實驗中，需要為三個實驗廳的子探測器提供同步時鐘和時間戳，也需要為未來的長基線中微子振蕩實驗提供同步時鐘和時間戳[2]。

為此，本文基于可編程邏輯器件FPGA，設計了一套高精度、低成本、易于擴展的時間戳同步系統(tǒng)。

1 PTP協(xié)議簡介

PTP精密時鐘定時協(xié)議又稱為IEEE 1588協(xié)議。它的基本功能是利用基于時間戳的報文通信的方法，使得分布式網(wǎng)絡中的所有的時鐘都與特定的某個時鐘保持精確同步。IEEE 1588協(xié)議可以用軟件實現(xiàn)，也可以用專門的硬件實現(xiàn)。很顯然，用硬件實現(xiàn)能達到更高的精度。本文中的同步系統(tǒng)就是基于純硬件實現(xiàn)的。

IEEE 1588協(xié)議中定義了5種類型的傳輸報文[3]：同步報文(sync)、跟隨報文(follow_up)、延時請求報文(delay_req)、延時響應報文(delay_resp)和管理報文(management)。其中前4種報文主要用于時間戳交換，具體的時間戳交換的過程示意圖如圖1所示。

圖1 PTP協(xié)議同步過程示意圖

如圖1所示，時間戳同步過程包括主節(jié)點和從節(jié)點，主節(jié)點和從節(jié)點都利用晶振維持本地時鐘。同步的目的是使從節(jié)點的本地時鐘的時間戳與主節(jié)點本地時鐘的時間戳達到相對同步。未同步時，從節(jié)點相對主節(jié)點有一個時間偏差offset。同步的過程能夠計算出這個偏差。

主時鐘周期性地向從時鐘發(fā)送同步報文SYNC，這個報文中沒有任何有效數(shù)據(jù)，但是當SYNC發(fā)出時，主節(jié)點能夠記錄下來時間戳t1，當從節(jié)點接收到SYNC，從節(jié)點能夠記錄下來時間戳t2。為了讓從節(jié)點也知道t1，稍后主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送跟隨報文FOLLOW_UP，這個報文中包含了t1這個有效數(shù)據(jù)。

然后，為了計算主節(jié)點到從節(jié)點的延時，在從節(jié)點接收到FOLLOW_UP后一段時間，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送一個DELAY_REQ報文。和SYNC類似，當DELAY_REQ離開時得到時間戳t3，當DELAY_REQ到達主節(jié)點時，主節(jié)點得到時間戳t4。一段時間后，主節(jié)點再向從節(jié)點發(fā)送DELAY_RESP報文，這個報文中包含了t4，從而從節(jié)點得到了4個時間戳t1～t4。

有了以上4個時間戳之后，假設主節(jié)點到從節(jié)點與從節(jié)點到主節(jié)點傳輸和網(wǎng)絡延時不變，可以得到傳輸延時和時鐘偏差的計算方法：

如果PTP主從鏈路對稱，即Dm2s=Ds2m=delay，則：

由以上分析方法可知，PTP主從節(jié)點鏈路對稱與否會影響offset的計算，從而會影響時間戳的同步精度。

另外，由于主節(jié)點和從節(jié)點需要用本地晶振維護本地時鐘。而隨著時間的積累，晶振存在頻率漂移，并且不同晶振的固有頻率也會有偏差，這兩個屬性都會影響時鐘同步的精度。

為了實現(xiàn)高精度時間同步，設計同步系統(tǒng)時應該同時考慮到主從節(jié)點鏈路的對稱性和晶振的特性。

2 電子學設計

時鐘同步系統(tǒng)的整體結構設計如圖2所示。

圖2 時鐘同步系統(tǒng)的硬件結構圖

本方案中主節(jié)點和從節(jié)點使用同一塊硬件電路，在設計的時候，硬件電路板上設計了一個跳線器，可以選擇一塊硬件電路是主節(jié)點或者從節(jié)點。為了保證主從節(jié)點的鏈路對稱， PCB電路板時鐘收發(fā)路徑以及PTP報文收發(fā)路徑的長度都應該用蛇形線設計來保證長度一致。另外，為了消除晶振的頻率漂移以及頻率偏差帶來的影響，本方案中從節(jié)點不使用本地晶振，而是直接使用主節(jié)點傳輸來時鐘信號作為時間戳的時鐘，也就是說主節(jié)點和從節(jié)點使用了同源時鐘。

雖然主從節(jié)點使用的本地clock是同源的，但是由于clock的傳輸路徑的差異，主從節(jié)點的clock是有相位差異的。這個相位差如果不考慮在設計方案中的話，會嚴重影響整個時鐘系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的同步精度。如圖3所示，如果系統(tǒng)中沒有考慮主從節(jié)點的本地clock的相位差，也就是圖中phase，那時鐘系統(tǒng)所能達到的同步精度最好也就是相位差的值。假設，主從節(jié)點的周期T為100 ns，主從節(jié)點的相位差為60 ns，那說明同步系統(tǒng)所能達到的最高精度為60 ns。

圖3 主從節(jié)點時鐘相位差測量的重要性示意圖

為了進一步提高時間戳同步的精度，必須設計相位測量模塊，消除主從時鐘相位差對時間戳的同步精度帶來的影響。所以，主節(jié)點中包括了相位鑒別芯片以及ADC芯片，用來精確測量主從節(jié)點時間戳的時鐘相位差。

有了這個相位差測量模塊，就真的可以消除主從節(jié)點時間戳的時鐘相位差帶來的影響嗎?答案是肯定的。圖4為主從節(jié)點時鐘傳播示意圖，AD8302即為本文中所用的相位鑒別芯片。

圖4 主從節(jié)點時鐘傳播示意圖

我們已經(jīng)知道，為了使從節(jié)點與主節(jié)點的時間戳實現(xiàn)精確同步，最直接的方法就是算出盡量精確的offset值，也就是要得出盡量精確的t1～t4的值。

圖4中，Clk1為主節(jié)點晶振時鐘，Clk2為從節(jié)點從主節(jié)點接收到的時鐘，由于有一段長的傳播路徑，因而Clk2相對Clk1會有一個相位差。為了在主節(jié)點測量相位差，Clk3是從節(jié)點將Clk2直接發(fā)送到主節(jié)點而得到的時鐘，因而Clk3相對于Clk2又會有一個相位差。具體Clk1～Clk3的示意圖如圖5所示。

圖5 主從節(jié)點時鐘關系圖

對于時間戳t1而言，t1指的是SYNC包從主節(jié)點發(fā)出的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk1，而時間戳時鐘是主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk1，因而t1是精確的。對于時間戳t2而言，t2指的是SYNC包到達從節(jié)點的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk2，而時間戳時鐘是從節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk2，因而t2也是精確的。對于時間戳t3而言，t3指的是DELAY_REQ包從從節(jié)點觸發(fā)出的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk2，而時間戳時鐘為從節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk2，因而t3也是精確的。對于時間戳t4而言，t4指的是DELAY_REQ包到達主節(jié)點時的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk3，而時間戳時鐘為主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk1，因而t4不是精確的，是有偏差的。由圖5的時鐘關系圖可知，精確的t4p應該在t4之前：

可見，相位差測量模塊在整個時間戳同步方案中取到了舉足輕重的作用。

3 固件程序設計

3.1 主節(jié)點固件設計

主節(jié)點的固件結構框圖如圖6所示，A/D控制模塊和相位測量模塊是用來控制幅相鑒別芯片和ADC芯片。發(fā)送緩沖的作用是將主節(jié)點時鐘同步協(xié)議中的通信報文以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去，接收緩沖的作用是從接收路徑中解碼出相應的通信報文。本地時鐘模塊的作用就是維護一個本地時鐘。主節(jié)點時鐘同步協(xié)議的主要作用是控制報文的發(fā)送和接收。

圖6 主節(jié)點固件結構框圖

圖7為主節(jié)點時鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機轉換圖。

圖7 主節(jié)點同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機轉換圖

idle狀態(tài)下，當檢測到pps信號的上升沿，則開始整個同步周期。首先，開始ADC的讀取操作，當?shù)鹊紸D_ready=’1’，則說明ADC的數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，然后進行讀取保存即可。然后，進入到sync狀態(tài)，這個狀態(tài)下，主節(jié)點會向從節(jié)點發(fā)送SYNC同步包，之后模塊進入sync_wait狀態(tài)。等一段固定的時間之后，模塊進入follow狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，主節(jié)點會向從節(jié)點發(fā)送FOLLOW_UP同步包。之后模塊進入after_follow_wait，等待一段固定的時間之后，模塊進入delay_req_pre，這個狀態(tài)下，主節(jié)點會通知從節(jié)點可以發(fā)DELAY_REQ包了。之后，模塊等待DELAY_REQ包，如果很長時間都沒有等到DELAY_REQ包，即等待超時，則模塊返回idle狀態(tài);如果接收到了DELAY_REQ包，主節(jié)點就向從節(jié)點發(fā)送DELAY_RESP。最后，等一段時間后，模塊返回到idle狀態(tài)。

3.2 從節(jié)點固件設計

從節(jié)點固件的結構框圖如圖8所示，相位部分計算模塊用來計算出前文說到的phase值，offset計算模塊的作用是用t1～t4和phase值計算出精確的offset值。從節(jié)點時鐘同步協(xié)議的主要作用是控制報文的發(fā)送和接收和更新本地時鐘。

圖8 從節(jié)點固件結構框圖

圖9為從節(jié)點時鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機轉換圖。

圖9 從節(jié)點時鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機轉換圖

當處在idle狀態(tài)時，從節(jié)點監(jiān)測接收到的數(shù)據(jù)流，直到監(jiān)測到sync包后立即進入wait_follow狀態(tài)。在wait_follow狀態(tài)，從節(jié)點同樣監(jiān)測接收的數(shù)據(jù)流，直到監(jiān)測到follow_up包后，立即進入wait_pre狀態(tài)，如果在這個狀態(tài)很久都沒有接收到follow_up包，將等待超時返回到idle狀態(tài)。同樣，wait_pre狀態(tài)下，直到監(jiān)測到delay_req_pre包后，跳入delay_req狀態(tài);如果等待超時，則返回idle狀態(tài)。delay_req狀態(tài)下，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送delay_req包后立即進入wait_delay_resp狀態(tài)。在wait_delay_resp狀態(tài)下，監(jiān)測到delay_resp包后，從節(jié)點立即進入phase_cacul狀態(tài);如果長時間沒有監(jiān)測到delay_resp包，則返回idle狀態(tài)。在phase_cacul狀態(tài)下，開始相位差計算模塊后，立即進入wait_phase_result狀態(tài)。在wait_phase_result狀態(tài)下，等到相位測量結果準備好后，進入delay_cacul狀態(tài);如果長時間，相位結果都沒有準備好，或者相位結果錯誤，則返回idle狀態(tài)。在delay_cacul狀態(tài)下，開啟offset計算模塊后，進入wait_result狀態(tài)。在wait_result狀態(tài)下，當檢測到偏移測量結果準備好信號后，進入offset_update狀態(tài);否則返回到idle狀態(tài)。在offset_update狀態(tài)下，從節(jié)點時鐘同步協(xié)議向本地時鐘模塊發(fā)送偏移校正信號，從而更新從節(jié)點的本地時鐘，然后進入idle狀態(tài)。

4 測試結果

實際測試環(huán)境包括一個主節(jié)點和一個從節(jié)點，之間用光纖連接。示波器用來觀察主節(jié)點和從節(jié)點輸出的pps信號。由于主從節(jié)點的時鐘相位不一致，示波器觀察到的就是這個相位差。pps上升沿到來時，主從節(jié)點時間戳通過串口模塊輸出給PC機。通過對比示波器測得的主從相位差以及pps上升沿主從時間戳的差值，就可以得出真實的時間戳同步精度。

本次測試使用了三種不同長度(3 m、6 m、5.15 m)的光纖，然后通過觀察在不同長度光纖下的實驗結果，從而可以判斷時鐘同步系統(tǒng)所能達到的精度。主從節(jié)點相位差直方圖以及相應的時間戳的差值直方圖略——編者注。

由這三種不同長度光纖所得出的結果來看，本文實現(xiàn)的同步時鐘系統(tǒng)的時間戳同步精度可達1 ns。

結語

本方案實現(xiàn)的時鐘同步系統(tǒng)，以IEEE 1588協(xié)議中基于時間戳的報文通信為基本原理，在純硬件電路(FPGA)中實現(xiàn)。通過在主節(jié)點添加了相位差測試模塊，消除了主從節(jié)點相位不同的影響，最后實現(xiàn)的時間戳同步精度高達1ns。

本文設計出來的時鐘同步系統(tǒng)所需成本低，同步精度非常高，非常適合應用在需要高精度時間戳的場合。