支持ieee1588工业以太网交换仪构设与实现

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1、支持IEEE1588工业以太网交换仪构设与实现第1章绪论1.1课题研究背景及研究的目的和意义自以太网1975年出现之后，便得到了突飞猛进的发展，在商业通讯的领域范围内，导致了全球信息的革命。然而，到了二十一世纪，以太网不单单地贯穿于商业，它已逐步深入到工业自动化领域，如今工业以太网成为工控领域新一代的骄子。随着工业以太网技术的发展，工业以太网在工业控制的各个领域均得到了广泛的应用，工业以太网的确定性和优先性先进于其他工业现场总线[1]。如今的以太网速率可达到10Gbps，数据传送速率领先于其他现场总线，且建设和维护成本较低，现已逐步替代其他现

2、场总线，成为工控领域的首选。工业以太网相对于其他总线具备以下优点：以太网在数据链路层仍然应用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）载波监听多路访问/冲突检测机制协议，这种通信协议会给以太网带来不确定性，数据在总线上会出现频繁丢帧。通过交换和路由技术，每对通信设备都有了独立的信道。在高吞吐率的情况下，仍然保持数据的独立传输，进而解决了CSMA/CD的数据冲突和丢帧问题。TCP/IP协议驾于以太网之上，因此网络可能会受到病毒，黑客，木马的攻击和窃取信息等威胁。对此，使用者可已通过密码

3、，防火墙等功能来管理管理，实现各区域的网络安全。工业以太网不仅可以传输数据信号，而且还可以为设备提供电源信号。这样可以减小火灾的发生概率。对于防火防爆场所，总线供电有着重要的意义。普通以太网信号在线缆传输时，存在着衰减和失真的问题，传输距离较为有限。在工业现场中，由于设备之间距离较远，因此网路布线成很麻烦的问题，借此在工业以太网中引入光纤，大大提高了以太网的电磁兼容特性。而且物理层芯片还具备线路检测的功能，线路出现故障时候可以将故障信号发送给主机，给维护和检修带来方便[1]。1.2研究现状1.2.1国外研究现状IEEE1588标准最初是安捷伦

4、实验室的12名成员开发，开创了PTP协议。后来得到IEEE的支持，并于2002年11月获得IEEE批准，将它列成为IEEE1588标准。JohnEidson是非常有名气的网络专家。他发表的有关网络测量与通信的论文对IEEE1588协议有全面和精辟的介绍[6]。IEEE1588标准设计初期是用于测量和控制系统，后来受到自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，而且其军事应用的初始计划也己经起步，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出深厚的兴趣。到了2008年，IEEE1588提出第二版本，并提出了透明时钟的概念，便可计算出网络在网线上传输和延

5、迟。近年来，国外的一些半导体公司，在IEEE1588制定之后，NS（美国半导体），TI(德州仪器)，Broad,Vitesse，Marvell，飞思卡尔等等世界知名半导体厂商均将IEEE1588硬件逻辑引入自己的产品中，公司相继研发出了支持IEEE1588的交换芯片，他们在交换芯片中植入IEEE1588硬件逻辑。同时也开发出了支持以太网总线的CPU，物理层芯片[7]。为通信设备商的开发打开了方便之门。引入IEEE1588逻辑模块，整个系统体系的实时通信性能有了很大的飞跃。美国半导体在2007年，推出了支持IEEE1588功能的物理层芯片DP8

6、3640，该款芯片可以标记时间戳，为接收和发送同步报文的设备打时间标签，确保了各个时钟节点时钟的确定性，该款芯片的最高同步精度可达8ns,在业界得到非常广泛的应用[8]。Vitesse半导体，在2012年推出交换芯片VSC7460，该款芯片内部嵌入了CPU和IEEE1588逻辑模块，这使得在开发IEEE1588功能时，变得更为容易。只需要相应的软件程序，即可对时钟报文加盖时钟戳，而且整个功能的实现都在一块ASIC中，降低了调试带来的风险[9]。第2章IEEE1588时钟同步设计2.1概述以太网自从成为IEEE802.3标准后，在1995年将数

7、据传输速度十兆比特到百兆比特，NTP（NeteProtocol）是用来使计算机时间同步化的一种协议，针对于其以太网同步能力不足的问题。NTP是基于软件程序的时钟同步协议，它提高了网络的时钟同步能力。1992年NTPv1的同步准确度可以达到200μs，但是它仍然无法满足测量控制领域的需求。2001安捷伦实验室的12位网络专家针对于时钟同步问题一起开创了PTP（精准时钟同步协议），并获得了IEEE组织和其他同仁的支持，建立了IEEE1588标准。IEEE1588的全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准。IEEE1588协议是国际通用

8、的时钟同步协议标准，在建立过程中，标准是在以太网上建立的，由于以太网在是各个领域中不断壮大，使IEEE1588标准渗入到各个领域。基本构思通软件程序搭配于硬件逻辑，