CN105577349A - 一种机载网络ieee1588协议主从时钟端口同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法，IEEE1588协议主从时钟包括上行解析单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、PTP时标单元、处理器单元，其特征在于，包括以下步骤：下行封装单元根据软件配置的发包频率，即间隔，并按照间隔依次判断软件配置在内部存储器的每个时钟的有效标志位，如有效，则读取存储器中该时钟的相关信息，组包并记录此刻的时间作为发送时间戳，将发送时间戳也组入包中，通过MAC硬核发送同步报文到物理层，同时PTP时标单元记录同步报文离开GMII/MII接口时间戳t1。

Description

一种机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法

技术领域

本发明涉及一种机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法，属于网络化机载测试领域。

背景技术

在新一代网络化通用机载测试系统中，为了提高数据采集设备之间的时间同步精度，采用IEEE1588精密时间同步协议，为实现高精度、高同步性测试提供技术保障。IEEE1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——精确时间协议(简称PTP)。PTP集成了网络通信、本地计算和分布式对象等技术，适用于所有支持多播的局域网进行通讯的分布式系统，特别适合于以太网。它能够使系统中各类不同精度的时间同步起来，利用最小的网络和本地计算资源，使系统达到亚微级的同步精度。IEEE1588协议中的主时钟节点是PTP域的最优时钟节点，用来对PTP域的其他时钟节点的时钟进行时间同步。主时钟节点由事件接口、普通接口、时间戳标注单元、本地时钟、PTP协议引擎、时钟数据集和端口数据集组成。

目前IEEE1588协议的可以采用支持IEEE1588协议的专用硬件电路实现，也可以采用软件实现。但是在机载网络化测试系统中，现有支持IEEE1588协议的专用硬件和软件均不能满足系统的速度和同步精度要求。

由于支持IEEE1588协议的网络化机载测试系统在国内属于首次，而国外关于IEEE1588协议的实现方法和资料对我国封锁严密，因此，在机载网络环境下采用支持IEEE1588协议的主从时钟端口同步方法来实现数据采集设备之间的高精度时间同步。

发明内容

本发明主要是一种机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法，来解决现有网络化机载测试系统精密时间同步问题。

IEEE1588协议主从时钟包括上行解析单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、PTP时标单元、处理器单元。本发明提到的部分概念的解释如下：

上行解析单元的任务是：对MAC接收的报文进行检测，判断是否为PTP报文(读取数据包头中目的MAC地址，判断是否为PTP协议规定固定的MAC地址，若为PTP协议规定固定的MAC地址，说明接收到是一个PTP报文)，若是，则进行IP效验和UDP效验，进行报文解析和提取报文中的时间戳，将时间戳送往PTP消息产生单元或控制单元的处理器；否则，将报文直接送往交换单元。

PTP消息处理单元的主要功能包括：根据PTP组包命令产生同步(Sync)报文、延迟响应(Delay_Resp)报文、延迟请求(Delay_Req)报文等消息的IEEE1588净核部分，并携带MAC层和IP层的相关信息，一起送到下行封装单元中。

下行封装单元的主要任务是把PTP消息产生单元发送来的IEEE1588净核，按照时钟包的模版进行封装，并完成UDP效验和IP效验。

PTP时标单元的主要任务包括：一是完成PTP事件报文(Sync和Delay_Req)的检测，二是在PTP事件报文离开、到达使终端口的时刻时间戳标注。

处理器单元主要是完成时间戳计算，时钟单元与本地控制单元的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步。

MAC硬核分为发送和接收两部分，其基本功能是：将MAC子层形成的数据帧转换成4bit或8bit的并行比特流发送到物理层，将从物理层接收4bit或8bit的并行比特流将其转换成MAC子层的数据帧，并对数据帧进行CRC校验。

本发明机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法，步骤如下：

(1)下行封装单元根据软件配置的发包频率，即间隔，并按照该间隔依次判断软件配置在内部存储器的每个时钟的有效标志位，如有效，则读取存储器中该时钟的相关信息如MAC地址、IP地址、UDP端口号，组包并记录此刻的时间作为发送时间戳，将该时间戳也组入包中，通过MAC硬核发送同步(Sync)报文到物理层，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文离开GMII/MII接口时间戳t1；

(2)PTP消息处理单元把时间戳t1打包在跟随(Follow_Up)消息，通过下行封装单元和MAC硬核发送到从属时钟端口；

(3)MAC硬核接收来自从属时钟的延迟请求(Delay_Req)报文，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文到达GMII/MII接口时间戳t4，把接收进来的延迟请求(Delay_Req)报文传递到上行解析单元，解析完成后通知PTP消息产生单元产生延迟响应(Delay_Resp)报文，并在下行封装单元对该消息进行封装并记录延迟响应(Delay_Resp)报文的发送时间戳，把这两个时间戳t1和t4都打包在延迟响应(Delay_Resp)报文消息中发送到从属时钟。

(4)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的同步(Sync)报文，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制单元中的处理器单元；

(5)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的跟随(Follow_Up)报文，把接收进来的跟随(Follow_Up)报文上传到上行解析单元，提取跟随(Follow_Up)报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制单元中的处理器单元；

(6)由下行封装单元组延迟请求(Delay_Req)报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

(7)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的延迟响应(Delay_Resp)报文，把接收进来的报文上传到上行解析单元，提取延迟响应(Delay_Resp)报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制单元中的处理器单元；

(8)处理器单元根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制单元的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步。

附图说明

附图1为IEEE1588协议主时钟端口框图；

附图2为IEEE1588协议从时钟端口框图；

附图3为主、从时钟频率同步过程的示意图；

附图4为主、从时钟的时间差估计过程示意图。

具体实施方式

IEEE1588协议主从时钟包括上行解析单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、PTP时标单元、处理器单元(参见图1和图2)。

本发明IEEE1588协议主从时钟同步方法具体步骤如下：

(1)下行封装单元根据软件配置的发包频率，即间隔，并按照该间隔依次判断软件配置在内部存储器的每个时钟的有效标志位，如有效，则读取存储器中该时钟的相关信息如MAC地址、IP地址、UDP端口号，组包并记录此刻的时间作为发送时间戳，将该时间戳也组入包中，通过MAC硬核发送同步(Sync)报文到物理层，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文离开GMII/MII接口时间戳t1；

(2)PTP消息处理单元把时间戳t1打包在跟随(Follow_Up)消息，通过下行封装单元和MAC硬核发送到从属时钟端口；

(3)MAC硬核接收来自从属时钟的延迟请求(Delay_Req)报文，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文到达GMII/MII接口时间戳t4，把接收进来的延迟请求(Delay_Req)报文传递到上行解析单元，解析完成后通知PTP消息产生单元产生延迟响应(Delay_Resp)报文，并在下行封装单元对该消息进行封装并记录延迟响应(Delay_Resp)报文的发送时间戳，把这两个时间戳t1和t4都打包在延迟响应(Delay_Resp)报文消息中发送到从属时钟。

(4)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的同步(Sync)报文，同时PTP时标单元记录同步(Sync)报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制单元中的处理器单元；

(5)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的跟随(Follow_Up)报文，把接收进来的跟随(Follow_Up)报文上传到上行解析单元，提取跟随(Follow_Up)报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制单元中的处理器单元；

(6)由下行封装单元组延迟请求(Delay_Req)报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求(Delay_Req)报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

(7)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的延迟响应(Delay_Resp)报文，把接收进来的报文上传到上行解析单元，提取延迟响应(Delay_Resp)报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制单元中的处理器单元；

(8)处理器单元根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制单元的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据CPU下发的调整值调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步。

考虑到从时钟设备中时钟振荡器会受到设备的振动、环境温度变化、振荡器电路老化等因素的影响，时钟振荡器的频率可能会随时间缓慢变化。为提高从时钟的精度和稳定性，本地时钟的同步过程包括两个阶段：频率同步阶段和相位同步阶段。

本地时钟与主时钟的振荡频率同步

图3为主、从时钟频率同步过程的示意图，主时钟端周期性发送带有发送时间戳t_mn的Sync报文，从时钟端在收到Sync报文时记下报文到达时间戳t_sn。

假定Sync报文的发送时间间隔为T，主时钟的振荡频率为f_m，从时钟的振荡频率为f_s，则有以下两等式成立：

t_m2-t_m1＝T·f_m(1)

t_s2-t_s1＝T·f_s(2)

由式(1)和式(2)，可推导出从时钟与主时钟的频率之差为

$\mathrm{\Δf}=\frac{f_s-f_m}{f_m}=\frac{t_{s2}-t_{s1}}{t_{m2}-t_{m1}}-1---\left(3\right)$

根据式(3)计算出的频率差值调整本地时钟的振荡频率，使本地时钟与主时钟频率达到频率同步。

本地时钟与主时钟相位同步

图4是主、从时钟的时间差估计过程示意图，其中t₀为Sync报文离开主时钟的时间戳，t₁为Sync报文到达从时钟的时间戳，t₂为Delay_Req报文离开从时钟的时间戳，t₃为Delay_Req报文到达主时钟的时间戳；offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差，Delay为事件报文在主从时钟之间的传输延时。

根据主从时钟之间的时间关系，有下面两式成立：

t₁＝t₀+offset+delay(4)

t₃＝t₂-offset+delay(5)

由式(4)和式(5)，可推导出从时钟与主时钟的时间偏差offset为：

$\mathrm{offset}=\frac{(t_1-t_0)-(t_3-t_2)}{2}---\left(6\right)$

本地时钟则可根据由式(6)得到的时间偏差值对本地时钟计数器和控制环路进行调整，最终使得本地时钟与主时钟同步。

Claims (1)

1.一种机载网络IEEE1588协议主从时钟端口同步方法，IEEE1588协议主从时钟包括上行解析单元、PTP消息处理单元、下行封装单元、PTP时标单元、处理器单元，其特征在于，包括以下步骤：

(1)下行封装单元根据软件配置的发包频率，即间隔，并按照间隔依次判断软件配置在内部存储器的每个时钟的有效标志位，如有效，则读取存储器中该时钟的相关信息，组包并记录此刻的时间作为发送时间戳，将发送时间戳也组入包中，通过MAC硬核发送同步报文到物理层，同时PTP时标单元记录同步报文离开GMII/MII接口时间戳t1；

(2)PTP消息处理单元把时间戳t1打包在跟随报文消息，通过下行封装单元和MAC硬核发送到从属时钟端口；

(3)MAC硬核接收来自从属时钟的延迟请求报文，同时PTP时标单元记录延迟请求报文到达GMII/MII接口时间戳t4，把接收进来的延迟请求报文传递到上行解析单元，解析完成后通知PTP消息产生单元产生延迟响应报文，并在下行封装单元对该消息进行封装并记录延迟响应报文的发送时间戳，把这两个时间戳t1和t4都打包在延迟响应报文消息中发送到从属时钟；

(4)从属时钟的MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的同步报文，同时PTP时标单元记录同步报文到达GMII/MII接口时间戳t2，把t2上报本地控制单元中的处理器单元；

(5)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的跟随报文，把接收进来的跟随报文上传到上行解析单元，提取跟随报文包含的时间戳t1，把t1上报本地控制单元中的处理器单元；

(6)由下行封装单元组延迟请求报文，并由MAC硬核发送给本PTP域的主时钟端口，同时PTP时标单元记录延迟请求报文离开GMII/MII接口的时间戳t3；

(7)MAC硬核接收本PTP域的主时钟端口发来的延迟响应报文，把接收进来的报文上传到上行解析单元，提取延迟响应报文包含的时间戳t4，把t4上报本地控制单元中的处理器单元；

(8)处理器单元根据4个时间戳计算出主、从时钟的频率差值△f和时间偏差offset，时钟单元与本地控制单元的CPU、DAC、VCXO构成锁相环调整本地时钟的频率，同时时钟单元根据处理器单元下发的调整值调整本地时钟的相位，最终使本地时钟的时间脉冲计数器跟踪主时钟的时间脉冲计数器即达到时间同步。