CN104836630A - Ieee1588时钟同步系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络信息传输技术领域，涉及IEEE1588时钟同步系统及其实现方法。CPU控制模块通过总线与以太网介质访问控制(MAC)控制器模块相连，用于控制所述系统并实现PTP协议和时钟同步，以太网MAC控制器模块用于实现PTP报文的发送以及接收，GPS模块与本地时钟模块相连，为系统提供精确的时间基准，本地时钟模块与CPU控制模块相连，在传输报文时提供本地时钟基准，带时间戳管理功能的物理层(PHY)收发器模块通过独立媒体接口与以太网MAC控制器模块相连，完成时间戳的加盖、获取并将时间信息插入到报文中，并根据IEEE 802.3标准完成带时间戳的数据包的传输。

Description

IEEE1588时钟同步系统及其实现方法

技术领域

本发明属于网络信息传输技术领域，涉及IEEE1588时钟同步系统及其实现方法。

背景技术

目前，随着以太网技术的快速发展，现代工业对时钟同步精度要求越来越高。由于现有的时钟同步方式都存在局限性，实现高精度、高可靠性、低成本的对时方式受到广泛关注。

常用于以太网的同步协议有：网络时间协议NTP(Network Time Protocol)和其简单版本SNTP(Simple Network Time Protocol)。NTP/SNTP协议用途是将计算机的时间同步到某些时间标准，采用服务器/客户端模式在应用层进行时间同步，同步精度不高，一般在10ms到100ms之间，无法满足现代工业对高精度时钟的要求。

IEEE1588协议全称为网络化测量和控制系统的精密时钟同步协议，简称为精密时间协议(PTP，Precision Time Protocol)，相比于NTP/SNTP协议，IEEE1588协议是一种基于以太网的较为精确的时钟同步解决方案，其功能为使分布式网络中的其它时钟与最精确时钟保持时钟同步。用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级时钟同步。

经过对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为200810187676.0，公开号为CN101447861A，名称为“IEEE1588时间同步系统及其实现方法”的专利，给出了一种基于IEEE1588协议的时间同步系统，通过时间戳处理模块结合交换机模块、物理层模块以及相应外围部件构成一个具备时钟同步功能的硬件系统。

上述技术虽然采用了硬件方式实现时钟同步，但由于实现方法仅仅是周期性的校正从设备，使校正瞬时时刻主从设备的偏移为零，而没有对频率进行补偿，导致随时间的变化主从设备间的时钟偏差逐渐增加，这种时间漂移产生时间偏差较大，高精度对时情况下是不允许的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对频率补偿，减少时间偏移量，实现以太网的高精度时钟同步。本发明目的是提供一种IEEE1588时钟同步系统及其实现方法。

本发明的技术方案是：

本发明涉及一种IEEE1588时钟同步系统，包括：CPU控制模块、以太网介质访问控制(MAC)控制器模块、带时间戳管理功能的物理层(PHY)收发器模块、本地时钟模块以及GPS模块，其中：CPU控制模块通过总线与以太网MAC控制器模块相连，用于控制所述系统并实现PTP协议和时钟同步，以太网MAC控制器模块用于实现PTP报文的发送以及接收，GPS模块与本地时钟模块相连，为系统提供精确的时间基准，本地时钟模块与CPU控制模块相连，在传输报文时提供本地时钟基准，带时间戳管理功能的PHY收发器模块通过独立媒体接口(Media Independent Interface，MII)与以太网MAC控制器模块相连，完成时间戳的加盖、获取并将时间信息插入到报文中，并根据IEEE 802.3标准完成带时间戳的数据包的传输。

所述的PTP报文是指：当数据处理和状态机单元判断本系统为主设备时，则周期性的发送同步Sync报文和Follow_Up报文，并在接收到从设备发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文；当数据处理和状态机单元判断本系统为从设备时，则在接收到Sync报文后，启动时钟调节模块将计算出的频率补偿值传输至本地时钟模块，同时向主设备发送Delay_Req报文。

所述的带时间戳管理功能的PHY收发器模块包括：MII接口、PTP时钟、PTP控制单元以及PTP数据包探测器，其中：MII接口与以太网MAC控制器相连并传输与数据包相关的数据、时钟和控制信息，PTP数据包探测器与MII接口相连接并为通过的PTP报文加盖时间戳信息，PTP控制单元与PTP数据包探测器相连接并控制报文传输，PTP时钟与PTP控制单元相连接并为外部提供同步后的时钟信息。

所述的GPS模块包括光纤接收器和光电转换器，当系统工作时，该GPS模块将GPS光信号转换为电信号，再将电信号的电压幅值降低后送入本地时钟模块，作为系统工作的精确时间基准。

所述的本地时钟模块内置晶体振荡器用于产生工作时钟，当系统为从设备且本地时钟模块被触发时，该模块通过时钟调节模块，实现频率补偿功能，克服晶振漂移，使得普通的晶振也能用于高精度的时钟同步。

CPU控制模块中的时钟调节模块包括：32位调频寄存器、32位本地时钟周期寄存器、32位纳秒寄存器和32位秒寄存器，其中：

纳秒寄存器和秒寄存器直接与本地时钟模块相连，用于传输频率补偿后的时间信息，调频寄存器与本地时钟周期寄存器相连，本地时钟周期寄存器与纳秒寄存器相连，通过改变调频寄存器的溢出频率实现频率补偿值控制，最终实现频率同步。

当时钟调节模块被触发时，每个时钟周期调频寄存器将设定值进行累加，当其溢出时，本地时钟周期寄存器的设定值累加到纳秒寄存器中，然后调频寄存器变为初始值，当纳秒寄存器溢出时，秒寄存器的值增加1，同时纳秒寄存器清零。单位时间内调频寄存器内数值的增加是由调频寄存器的初始值和晶振频率共同决定的，改变存储在调频寄存器中的设定值，就改变了调频寄存器的溢出频率，从而改变了纳秒寄存器和秒寄存器的时间值的累加频率，实现了对晶振频率的补偿。

本发明涉及上述系统的同步方法，包括以下步骤：

第一步，主设备通过CPU控制模块周期性的广播Sync报文和Follow_Up报文，Follow_Up报文带有Sync报文精确的发送时间戳信息t₁(m)，从设备接收该Sync报文并记录接收时间戳t₂(m)，其中m代表第m次时钟同步过程；从设备利用传输时延值T_delay(m)，并按照预设的时间偏移量计算公式和频率补偿计算公式算出从设备与主设备之间的时间偏移量T_offset(m)和频率补偿值V_fre(m)，然后利用频率补偿值对从设备的本地时钟模块进行校正；

所述的时间偏移量T_offset(m)＝t₂(m)-t₁(m)-T_delay(m)，其中：m为第m次时钟同步过程。

所述的频率补偿值V_fre(m)通过以下方式获得：

$V_{fre}\left(m\right)=V_{fre}(m-1)\×\frac{t_1\left(m\right)-t_1(m-1)}{t_2\left(m\right)-t_2(m-1)};$

其中：m为第m次时钟同步过程，频率补偿值初始值V_fre(0)的取值取决于主设备的时钟频率f_master和从设备的时钟频率f_slave，通过如下方式获得：

$V_{fre}\left(0\right)=2^{32}\×\frac{f_{slave}}{f_{master}};$

第二步，从设备向主设备发送Delay_Req报文并记录发送时间戳t₃(m)，主设备在t₄(m)时刻接收并解析该报文，并向从设备发送Delay_Resp报文，所述从设备收到Delay_Resp报文后，解析该报文所带有的时间戳信息t₄(m)，然后依据相应公式得到的传输时延值T_delay(m)。

所述的传输时延值T_delay(m)＝{[t₂(m)-t₁(m)]+[t₄(m)-t₃(m)]}/2，其中：m为第m次时钟同步过程。

本发明的效果和益处是：

与现有技术相比，本发明系统使用带时间戳管理功能的PHY收发器模块，为通过PHY收发器模块的PTP报文加盖精确的时间戳信息，通过GPS模块使系统为主设备时能够拥有精确的授时基准，并在向量同步的基础上构建一个可调整时钟频率的时钟调节模块，再结合一种实时性好、容易在嵌入式系统中实现的时钟同步算法，实现频率补偿的功能，保证本地时刻与标准时刻的相位同步和频率同步，减小了时间偏移量，实现亚微秒级时钟同步。

附图说明

图1是IEEE1588时钟同步系统的结构示意图。

图2是时钟调节模块示意图。

图3是IEEE1588时钟同步方法的实现过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本例包括：CPU控制模块、以太网MAC控制器模块、带时间戳管理功能的PHY收发器模块、本地时钟模块、GPS模块、数据处理和状态机单元以及PTP报文收发单元。

PTP报文收发单元用于实现PTP数据包的打包发送和接收，完成CPU控制模块与以太网MAC控制器模块之间的数据交互工作；其通过事件中断的方式读取以太网MAC控制器模块中的数据包，并接收数据处理和状态机单元的数据，打包后通过总线发送至以太网MAC控制器模块。

数据处理和状态机单元用于实现IEEE1588协议，完成同步过程和传输时延测量，从PTP报文收发单元中读取所需的时间戳信息。

所述时钟同步算法，用于实现传输时延值、时间偏移量和频率补偿值的计算，再将计算得到的频率补偿值传输给时钟调节模块处理。

带时间戳管理功能的PHY收发器模块用于实现PTP报文时间戳的加盖和获取，并根据通信标准IEEE802.3完成带时间戳数据包向以太网的传输。

本地时钟模块与CPU控制模块相连以在传输报文时提供本地时钟的基准，其主要构成为本地时钟晶振。

GPS模块与本地时钟模块相连以在系统作为主设备工作时提供精确的授时基准。

在本例中，本地时钟模块由频率为50MHz的有源晶振构成，时钟周期配置为20ns。

如图2所示，本发明方法针对系统为从设备时时钟调节模块的具体实施方式详细描述为：对于从设备，除了要完成向量同步外，还要进行频率补偿，以达到和主设备的频率同步。在本例中，时钟调节模块主要由一个32位调频寄存器、一个32位本地时钟周期寄存器、一个32位纳秒寄存器和一个32位秒寄存器构成。本地晶振为50MHz，主设备晶振为100MHz。当时钟调节模块被触发时，每个时钟周期调频寄存器将自身设定值累加，当其溢出时，本地时钟周期寄存器的值累加到纳秒寄存器中然后调频寄存器变为设定值，当纳秒寄存器溢出时，秒寄存器的值增加1，同时纳秒寄存器清零。单位时间内调频寄存器内数值的增加是由调频寄存器的初始值和晶振频率共同决定的，通过时钟同步算法得到的频率补偿值改变存储在调频寄存器中的设定值，相当于调整了调频寄存器的溢出频率，从而改变了纳秒寄存器和秒寄存器的时间值的累加频率，实现了对晶振频率的补偿。

图3为例中IEEE1588时间同步方法的实现过程示意图，具体实施方式包括以下步骤：

A、主设备每隔2秒周期性的广播Sync报文和Follow_Up报文，Follow_Up报文中包含Sync报文发送的精确时间戳信息记为t₁(m)，其中m代表第m次同步过程，从设备收到Sync报文，记录接收该报文的时的本地时间t₂(m)，并从Follow_Up报文中提取出Sync同步报文的发送时间t₁(m)，然后通过调用时钟同步算法，得到从设备相对于主设备的时间偏移量T_offset(m)和频率补偿值V_fre(m)。时间偏移量T_offset(m)的计算公式为：

T_offset(m)＝t₂(m)-t₁(m)-T_delay(m)；

频率补偿值V_fre(m)的计算公式为：

$V_{fre}\left(m\right)=V_{fre}(m-1)\×\frac{t_1\left(m\right)-t_1(m-1)}{t_2\left(m\right)-t_2(m-1)}$

其中：频率补偿值初始值V_fre(0)的取值取决于主设备的时钟频率f_master和从设备的时钟频率f_slave。在本实施例中，V_fre(0)＝0x80000000。每个同步过程计算得到的频率补偿值V_fre(m)，将直接作用于时钟调节模块。

B、经过频率调整之后，从设备发送Delay_Req报文并记录下该报文的发送时间戳信息t₃(m)。主设备接收到Delay_Req报文后，记录接收时间戳信息t₄(m)，然后以单播形式向从设备发送Delay_Resp报文。从设备在接收到Delay_Resp响应报文后，提取时间戳信息，然后依据相应公式得到传输时延值T_offset(m)。该计算公式为：T_offset(m)＝t₂(m)-t₁(m)-T_delay(m)，其中：m为第m次时钟同步过程，经过上述的IEEE1588时间同步方法的两个步骤后，可以保证从设备和主设备之间的相位同步和频率同步。

Claims (2)

1.一种IEEE1588时钟同步系统，其特征在于，该IEEE1588时钟同步系统包括CPU控制模块、以太网介质访问控制器模块、带时间戳管理功能的物理层收发器模块、本地时钟模块以及GPS模块，CPU控制模块通过总线与以太网MAC控制器模块相连，用于控制系统并实现PTP协议和时钟同步，以太网MAC控制器模块用于实现PTP报文的发送以及接收，GPS模块与本地时钟模块相连，为系统提供精确的时间基准，本地时钟模块与CPU控制模块相连，在传输报文时提供本地时钟基准，带时间戳管理功能的物理层收发器模块通过独立媒体接口与以太网MAC控制器模块相连，完成时间戳的加盖、获取并将时间信息插入到报文中，并根据IEEE 802.3标准完成带时间戳的数据包的传输；

所述的PTP报文是：当数据处理和状态机单元判断本系统为主设备时，周期性的发送同步Sync报文和Follow_Up报文，并在接收到从设备发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文；当数据处理和状态机单元判断本系统为从设备时，在接收到Sync报文后，启动时钟调节模块将计算出的频率补偿值传输至本地时钟模块，同时向主设备发送Delay_Req报文；

所述的带时间戳管理功能的物理层收发器模块，包括MII接口、PTP时钟、PTP控制单元以及PTP数据包探测器，MII接口与以太网MAC控制器相连并传输与数据包相关的数据、时钟和控制信息，PTP数据包探测器与MII接口相连并为通过的PTP报文加盖时间戳信息，PTP控制单元与PTP数据包探测器相连接并控制报文传输，PTP时钟与PTP控制单元相连接并为外部提供同步后的时钟信息；

所述的GPS模块包括光纤接收器和光电转换器，当系统工作时，该GPS模块将GPS光信号转换为电信号，再将电信号的电压幅值降低后送入本地时钟模块，作为系统工作的精确时间基准；

所述的本地时钟模块内置晶体振荡器用于产生工作时钟，当系统为从设备且本地时钟模块被触发时，该模块通过时钟调节模块，实现频率补偿功能，克服晶振漂移，使得普通的晶振用于高精度的时钟同步；

CPU控制模块中的时钟调节模块包括：32位调频寄存器、32位本地时钟周期寄存器、32位纳秒寄存器和32位秒寄存器；纳秒寄存器和秒寄存器直接与本地时钟模块相连，用于传输频率补偿后的时间信息，调频寄存器与本地时钟周期寄存器相连，本地时钟周期寄存器与纳秒寄存器相连，通过改变调频寄存器的溢出频率实现频率补偿值控制，最终实现频率同步；当时钟调节模块被触发时，每个时钟周期调频寄存器将设定值进行累加，当其溢出时，本地时钟周期寄存器的设定值累加到纳秒寄存器中，然后调频寄存器变为初始值，当纳秒寄存器溢出时，秒寄存器的值增加1，同时纳秒寄存器清零；单位时间内调频寄存器内数值的增加是由调频寄存器的初始值和晶振频率共同决定的，改变存储在调频寄存器中的设定值，即改变了调频寄存器的溢出频率，改变了纳秒寄存器和秒寄存器的时间值的累加频率，实现了对晶振频率的补偿。

2.权利要求1所述的IEEE1588时钟同步系统的实现方法，步骤如下：

第一步，主设备通过CPU控制模块周期性的广播Sync报文和Follow_Up报文，Follow_Up报文带有Sync精确的发送时间戳信息t₁(m)，从设备接收该Sync报文并记录接收时间戳t₂(m)，其中m代表第m次时钟同步过程；从设备利用传输时延值T_delay(m)，并按照预设的时间偏移量计算公式和频率补偿计算公式算出从设备与主设备之间的时间偏移量T_offset(m)和频率补偿值V_fre(m)，然后利用频率补偿值对从设备的本地时钟模块进行校正；

所述的时间偏移量T_offset(m)＝t₂(m)-t₁(m)-T_delay(m)，其中：m为第m次时钟同步过程；

所述的频率补偿值V_fre(m)通过以下方式获得：

$V_{\mathrm{fre}}\left(m\right)=V_{\mathrm{fre}}(m-1)\×\frac{t_1\left(m\right)-t_1(m-1)}{t_2\left(m\right)-t_2(m-1)};$

其中，频率补偿值初始值V_fre(0)的取值取决于主设备的时钟频率f_master和从设备的时钟频率f_slave，通过如下公式获得：

$V_{\mathrm{fre}}\left(0\right)=2^{32}\×\frac{f_{\mathrm{slave}}}{f_{\mathrm{master}}};$

第二步，从设备向主设备发送Delay_Req报文并记录发送时间戳t₃(m)，主设备在t₄(m)时刻接收并解析该报文，并向从设备发送Delay_Resp报文，所述从设备收到Delay_Resp报文后，解析该报文所带有的时间戳信息t₄(m)，依据相应公式得到的传输时延值T_delay(m)；

所述的传输时延值T_delay(m)＝{[t₂(m)-t₁(m)]+[t₄(m)-t₃(m)]}/2，其中：m为第m次时钟同步过程。