ARM-WinCE分布式系統(tǒng)平臺(tái)的時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

1 IEEE1588協(xié)議原理

IEEE1588的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，簡(jiǎn)稱精確時(shí)鐘協(xié)議(Precision Time Protocol，PIP)。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(guò)程中主要參考以太網(wǎng)來(lái)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(guò)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1000μs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時(shí)鐘協(xié)議在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，主時(shí)鐘設(shè)備按照一定的時(shí)間間隔(一般為2 s)周期性地以廣播方式發(fā)送同步報(bào)文(Sync)和同步跟隨報(bào)文(FollowUp)，且在FollowUp報(bào)文中記錄Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳t1，而從時(shí)鐘設(shè)備接收Syne報(bào)文記錄接收時(shí)間戳為t2；然后，從時(shí)鐘設(shè)備節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req)(一般4～60 s發(fā)送一次)，并記錄其發(fā)送時(shí)間戳t3，主時(shí)鐘設(shè)備接收判延遲請(qǐng)求后，記錄接收時(shí)間戳t4，并給相應(yīng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送延遲請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文(Delay_Resp)，該報(bào)文信息中包古時(shí)間戳t4。通過(guò)得到的4個(gè)時(shí)間戳，可以計(jì)算出主從時(shí)鐘之間的偏移量Toffset和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木€路延遲ms_delay，其過(guò)程如圖1所示。



得到了從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移值，就可以采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)算法來(lái)調(diào)節(jié)從時(shí)鐘，最終使得從時(shí)鐘與主時(shí)鐘同步。從時(shí)鐘并不是每個(gè)同步周期都需要進(jìn)行時(shí)間同步，而是根據(jù)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移值等時(shí)間信息來(lái)決定是否需要進(jìn)行時(shí)間同步。當(dāng)主從時(shí)鐘之間建立起穩(wěn)定的同步關(guān)系后，從時(shí)鐘還需周期性地監(jiān)聽(tīng)來(lái)自主時(shí)鐘發(fā)布的Sync報(bào)文，一旦出現(xiàn)主從時(shí)鐘之間不處于時(shí)間同步的狀態(tài)，就重新進(jìn)行上述的時(shí)間同步過(guò)程，直到重新達(dá)到主從時(shí)鐘之間的時(shí)間同步。

IEEE1588協(xié)議的運(yùn)行是由時(shí)間戳驅(qū)動(dòng)的，時(shí)鐘同步精度主要?dú)w結(jié)為時(shí)間戳的定時(shí)精度。IEEE1588使用UDP協(xié)議發(fā)送網(wǎng)絡(luò)同步報(bào)文，基于UDP協(xié)議傳輸?shù)倪^(guò)程都是在TCP／IP協(xié)議模型下進(jìn)行數(shù)據(jù)包的逐層封裝和傳遞的。要使時(shí)鐘獲得的報(bào)文發(fā)送時(shí)間和報(bào)文接收時(shí)間相對(duì)精確、穩(wěn)定，且把發(fā)送延遲和接收延遲不相等這種因素對(duì)計(jì)算傳播延遲產(chǎn)生的影響減小到最低，最好的解決辦法就是在TCP／IP協(xié)議棧的底層即物理層對(duì)同步報(bào)文標(biāo)記時(shí)間戳，標(biāo)記時(shí)間戳的操作越接近物理層，計(jì)算得到的主從時(shí)鐘的時(shí)間偏移量和傳播線路延遲就越準(zhǔn)確。要實(shí)現(xiàn)這一目的就必須加入專門的硬件設(shè)備。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)推出的DP83640芯片就是一款集成IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議硬件支持功能的以太網(wǎng)收發(fā)器。芯片內(nèi)置高精度IEEE1588時(shí)鐘，并具有由硬件執(zhí)行的時(shí)間戳標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送信息包加入時(shí)間標(biāo)記。采用DP83640的同步系統(tǒng)，可獲得納秒級(jí)的同步精度。