CN105515709A - 基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置 - Google Patents

基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置，包括FPGA核心处理电路和时间通信接口电路；国产FPGA核心处理电路设有用于与终端设备相连进行信息交互的终端设备接口、用于与授时网络服务器相连获取时间信息从而校准本地系统时间的授时网络服务器接口、用于与时间通信接口电路相连的时间信息接口；国产FPGA核心处理电路通过时间信息接口将校准后本地系统时间信息传送至时间通信接口电路，并通过时间通信接口电路与非时间同步设备相连，将校准后本地系统时间信息传送至非时间同步设备。本发明提升了时间同步系统的可移植性，实现非时间同步设备到时间同步设备的平滑升级。

Description

基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置
技术领域
本发明涉及基于IEEE1588协议的时间同步领域技术领域，具体地，涉及一种基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置。
背景技术
时间同步系统在许多领域均有广泛的应用。世界格局风云变幻莫测，国产化对于提高我国装备自主保障能力具有重要意义，但是目前很少有国产化的时间同步系统。在我国整个国民经济部门中，包括中央的金融系统、电力系统、交通控制系统，都用到信息系统，这些部门的设备目前还都是以国外的软硬件为主，这对我国信息安全构成严重威胁。
现有的用于时间同步的国产化技术，主要在时间戳精确化和频率补偿技术上提升时间同步系统的性能，忽略了时间同步系统的可移植性。这种移植性，主要体现在针对不同的应用环境，能够较容易的实现从非时间同步设备到时间同步设备的平滑升级。
经过检索发现：
相关检索结果1：
申请(专利)号：CN201010542983.3，名称：基于IEEE1588精确时间同步协议系统及其同步方法，提供了：一种网络信息传输技术领域的基于IEEE1588精确时钟同步协议系统及其同步方法，使得主时钟在发送同步报文时就带有本次发送的精确时间戳，无需再发送跟随报文，极大减小了实现时钟同步所需的通信带宽。同时，构建一个频率可调的时钟计数器，再配合时钟同步算法，实现频率补偿的功能，达到高精度时钟同步的要求。该技术方案存在如下不足：(1)是非国产技术；(2)没有提交操作系统，在可移植性方面较差。
相关检索结果2：
申请(专利)号：CN200810085173.2，名称：时间同步装置、时间同步系统和时间同步方法，公开了：一种时间同步装置、时间同步系统和时间同步方法。该时间同步装置设有一一对应的普通以太网端口和IEEE1588以太网端口；该时间同步装置通过其IEEE1588以太网端口与支持IEEE1588标准的以太网交互以太网帧，包括PTP类型以太网帧和非PTP类型以太网帧；通过其普通以太网端口与普通以太网交换设备交互非PTP类型以太网帧；以及，根据该PTP类型以太网帧进行IEEE1588以太网端口与以太网的时间同步。进一步的，该时间同步装置还可以通过本地同步端口，实现本地时间同步设备和以太网的时间同步。通过本发明，基于现有的普通以太网交换设备实现从非时间同步网络到时间同步网络的平滑升级，实现对现有网络资源的充分利用，支持进一步的全网时间同步。
该技术方案存在如下不足：(1)是非国产技术；(2)没有提交操作系统，在可移植性方面较差；(3)该技术方案局限用于网络交换技术方面，基于现有的普通以太网交换机设备实现从普通以太网络到IEEE1588时间同步网络的升级。而本发明通过时间通信接口电路将本地时间信息传输给非同步设备，任意设备只要支持时间通信接口电路中的1PPS秒脉冲接口以及任一其他接口，可以该非时间同步设备升级到时间同步设备。
发明内容
针对现有技术中存在的时间同步系统非国产化以及可移植性较差等缺陷，本发明的目的是提供一种基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置，该时间同步装置解决了如下技术问题：
1)时间同步系统基于国产FPGA平台，大幅提升时间同步系统的国产化率。该FPGA采用ARM+FPGA构架，其中ARM负责运行uclinux操作系统以及时间同步软件，FPGA负责以太网媒体访问控制和时间信息接口控制，从而实现从非时间同步设备到时间同步设备的平滑升级。
2)采用uclinux操作系统来管理整个时间同步系统的运行，大幅提高时间同步系统的可移植性以及终端人机交互的友善性。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置，包括FPGA核心处理电路和时间通信接口电路；其中：所述国产FPGA核心处理电路设有用于与终端设备相连进行信息交互的终端设备接口、用于与授时网络服务器相连获取时间信息从而校准本地系统时间的授时网络服务器接口、用于与时间通信接口电路相连的时间信息接口；所述国产FPGA核心处理电路通过时间信息接口将校准后本地系统时间信息传送至时间通信接口电路，并通过时间通信接口电路与非时间同步设备相连，将校准后本地系统时间信息传送至非时间同步设备。
优选地，所述国产FPGA核心处理电路包括：国产FPGA芯片、DDR3内存颗粒、FPGA配置SPI-FLASH、以太网物理层PHY芯片以及串口终端接口芯片；其中：所述国产FPGA芯片和DDR3内存颗粒相连，用于给国产FPGA芯片的CPU提供内存；所述国产FPGA芯片和FPGA配置SPI-FLASH相连，用于完成国产FPGA芯片及其内嵌CPU的上电配置以及uclinux操作系统镜像的存储；所述国产FPGA芯片与以太网物理层PHY芯片相连，并且通过设置于太网物理层PHY芯片上的授时网络服务器接口与授时网络服务器相连，进行时间同步信息的交互；所述国产FPGA芯片与串口终端接口芯片相连，并通过设置于串口终端接口芯片上的终端设备接口完成与终端设备的信息交互；所述时间信息接口设置于国产FPGA芯片上。
优选地，所述国产FPGA芯片采用ARM及FPGA组合架构，其中，ARM用于运行uclinux操作系统、时间同步软件以及底层驱动；FPGA用于以太网媒体访问控制，并将校准后本地系统时间信息传送给时间通信接口电路。
优选地，所述国产FPGA芯片的内嵌CPU采用Cortex-M3ARM核。
优选地，所述时间通信接口电路包括1PPS秒脉冲接口电路，还包括如下任一个或任多个其他接口电路：
-PCI接口电路；
-USB接口电路；
-UART接口电路；
-I2C接口电路；
所述非时间同步设备通过1PPS秒脉冲接口电路以及上述任一个或任多个其他接口电路接收校准后本地系统时间信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用国产FPGA芯片(例如京微雅格M7系列FPGA芯片)，具有独立自主产权，极大的提升了装置的自主可靠性。
2、本发明时间同步是基于uclinux操作系统进行的；Uclinux是一种高度优化的嵌入式Linux版本，具有稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统和标准API的支持；通过uclinux操作系统对于串口终端设备的支持，可以非常便利的建立与终端设备的交互通信；通过uclinux操作系统对于网络的支持，可以交容易的建立时间同步软件、网络通信、操作系统内核与底层硬件的链路；通过uclinux对于标准API的支持，可以集成USB/I2C/UART/PCI等多种时间同步接口协议，任何非时钟同步设备只要支持上述任一接口，与本发明提供的时间同步装置相连，即可实现从非时钟同步设备到时钟同步设备的平滑升级；uclinnux操作系统在结构上集成了标准linnux的多任务实现方式，能够同时处理终端通信任务、时间同步任务、网络通信任务以及时间通信任务。
3、本发明提升了时间同步系统的可移植性，实现非时间同步设备到时间同步设备的平滑升级。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的时间同步装置的结构框图。
图中：1为FPGA核心处理电路，2为时间通信接口电路，3为国产FPGA芯片，4为DDR3内存颗粒，5为FPGA配置SPI-FLASH，6为以太网物理层PHY芯片，7为串口终端接口芯片，8为PCI接口电路，9为USB接口电路，10为1PPS秒脉冲接口电路，11为UART接口电路，12为I2C接口电路。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种基于国产FPGA和uclinux操作系统的时间同步装置，包括：国产FPGA核心处理电路以及时间通信接口电路，其中：国产FPGA核心处理电路与终端设备相连用于和终端设备进行信息交互；国产FPGA核心处理电路与授时网络服务器相连用于获取时间信息从而校准本地系统时间；国产FPGA核心处理电路与时间通信接口电路相连，将校准后本地系统时间信息传送至时间通信接口电路；时间通信接口电路和非时间同步设备相连，从而将系统时间信息传送给非时间同步设备。
进一步地，所述的国产FPGA核心处理电路包括：国产FPGA芯片3，DDR3内存颗粒4，FPGA配置SPI-FLASH5，以太网物理层PHY芯片6，串口终端接口芯片7。其中：国产FPGA芯片3和DDR3内存颗粒4相连，给FPGA内嵌Cortex-M3ARM核提供内存。国产FPGA芯片3和SPI-FLASH5相连完成FPGA及其内嵌ARM的上电配置，以及uclinux操作系统镜像的存储；国产FPGA芯片3与以太网物理层PHY6相连，并且通过PHY与时间同步服务器相连，进行时间同步信息的交互。国产FPGA芯片3与串口终端接口芯片7相连，完成与终端设备的信息交互。国产FPGA芯片3与时间通信接口电路相连，将校准后本地系统时间信息传送至时间通信接口电路。
进一步地，所述的时间通信接口电路包括：1PPS秒脉冲接口电路10以及PCI接口电路8、USB接口电路9、UART接口电路11和I2C接口电路12中的任一个或任多个。任何非时钟同步设备只要支持上述任一接口，与本国产化时间同步装置相连，即可实现从非时钟同步设备到时钟同步设备的平滑升级。
进一步地，所述的国产FPGA芯片采用ARM+FPGA架构，其中ARM负责运行uclinux操作系统、时间同步软件以及底层驱动。FPGA负责以太网媒体访问控制，将时间信息传送给时间通信接口电路。
下面结合附图对本实施例进一步描述。
如图1所示，本实施例提供的时间同步装置，包括FPGA核心处理电路1，时间通信接口电路2。
FPGA核心处理电路1包括：国产FPGA芯片3，DDR3内存颗粒4，FPGA配置SPI-FLASH5，以太网物理层PHY芯片6，串口终端接口芯片7。
国产FPGA芯片3可以采用京微雅格M7系列的FPGA芯片(CME-M7)，该芯片内嵌有Cortex-M3ARM核，并且有丰富的逻辑资源。在Cortex-M3ARM核中运行uclinux操作系统，在uclinux操作系统的基础上运行时间同步软件。uclinux操作系统具有很好的可裁剪性，可以灵活的扩展时间同步接口，这大幅提升了时间同步系统的可移植性。
国产FPGA芯片3与串口终端接口芯片7相连，完成与终端设备的信息交互。国产FPGA芯片3与以太网物理层PHY6相连，并且通过PHY与时间同步服务器相连，进行时间同步信息的交互。国产FPGA芯片3和DDR3内存颗粒4相连，给FPGA内嵌Cortex-M3ARM核提供内存。国产FPGA芯片3和SPI-FLASH5相连完成FPGA及其内嵌ARM的上电配置，以及ucliFnux操作系统镜像的存储。
时间通信接口电路2包括：1PPS秒脉冲接口电路10以及PCI接口电路8、USB接口电路9、UART接口电路11和I2C接口电路12中的任一个或任多个。任何非时钟同步设备只要支持上述任一接口，与本实施例提供的时间同步装置相连，即可实现从非时钟同步设备到时钟同步设备的平滑升级。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于国产FPGA和uclinuX操作系统的时间同步装置，其特征在于，包括FPGA核心处理电路和时间通信接口电路；其中：所述国产FPGA核心处理电路设有用于与终端设备相连进行信息交互的终端设备接口、用于与授时网络服务器相连获取时间信息从而校准本地系统时间的授时网络服务器接口、用于与时间通信接口电路相连的时间信息接口；所述国产FPGA核心处理电路通过时间信息接口将校准后本地系统时间信息传送至时间通信接口电路，并通过时间通信接口电路与非时间同步设备相连，将校准后本地系统时间信息传送至非时间同步设备。
2.根据权利要求1所述的基于国产FPGA和uclinuX操作系统的时间同步装置，其特征在于，所述国产FPGA核心处理电路包括：国产FPGA芯片、DDR3内存颗粒、FPGA配置SPI-FLASH、以太网物理层PHY芯片以及串口终端接口芯片；其中：所述国产FPGA芯片和DDR3内存颗粒相连，用于给国产FPGA芯片的CPU提供内存；所述国产FPGA芯片和FPGA配置SPI-FLASH相连，用于完成国产FPGA芯片及其内嵌CPU的上电配置以及uclinux操作系统镜像的存储；所述国产FPGA芯片与以太网物理层PHY芯片相连，并且通过设置于太网物理层PHY芯片上的授时网络服务器接口与授时网络服务器相连，进行时间同步信息的交互；所述国产FPGA芯片与串口终端接口芯片相连，并通过设置于串口终端接口芯片上的终端设备接口完成与终端设备的信息交互；所述时间信息接口设置于国产FPGA芯片上。
3.根据权利要求2所述的基于国产FPGA和uclinuX操作系统的时间同步装置，其特征在于，所述国产FPGA芯片采用ARM及FPGA组合架构，其中，ARM用于运行uclinux操作系统、时间同步软件以及底层驱动；FPGA用于以太网媒体访问控制，并将校准后本地系统时间信息传送给时间通信接口电路。
4.根据权利要求2所述的基于国产FPGA和uclinuX操作系统的时间同步装置，其特征在于，所述国产FPGA芯片的内嵌CPU采用Cortex-M3ARM核。
5.根据权利要求1所述的基于国产FPGA和uclinuX操作系统的时间同步装置，其特征在于，所述时间通信接口电路包括1PPS秒脉冲接口电路，还包括如下任一个或任多个其他接口电路：
-PCI接口电路；
-USB接口电路；
-UART接口电路；
-I2C接口电路；
所述非时间同步设备通过1PPS秒脉冲接口电路以及上述任一个或任多个其他接口电路接收校准后本地系统时间信息。
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