IEEE1588精确时间同步协议和累积频率补偿方法研究.pdf

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1、IEEE1588精确时间同步协议和累积频率补偿方法研究岳中涛胡立生(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)摘～，t黑ss时黑篙三兰溢篓：篇焉裟嚣专拦喜法．使网络中的IEEE1588下游设备与GrandM88‘8‘建立关糸’从巾’健闻’3，1”“⋯‘真三具建篓竺方法紫：篙。累积频率补偿建模关键翼。兰EE1588时间孚耋标耋茎频专补偿妻茎编号。。。。．。，szc2。，6，。·m。印旬4中图分类号TH861文献标识码A又覃骊弓⋯”⋯～随着工业现场控制规模越来越大，自动化程度越来越高，对监视和控制的同步性和奎鬯芝篓出了越来越高的要求。在IEEE1588出现之前呈经有N

2、TP及SNTP等网络时间同步协议出现，其同步误差在1。lOOms之问，而某些应用领域，如鬈譬至羹鬻嚣慧器嚣亲同步精度要求误差不大于l斗8，社魑些切口竺三要采用同步精度更高的方法⋯。IEEE1588煮要软硬件相结合的同步方式，其同步精度在亚微秒级，最高可达到纳秒级。1IEEE1588同步基本原理IEEE1588协议的基本原理是，首先通过最篡鬟黧麓兰淼淼耋蒿竺蕃构，然后通过相互之间的消息传递，们异土?。：：!：!乏问相位和频率的偏移，达到主从频率和翌堡竺同步。时钟的同步包括相位的同步和频率的同菇：孟EE1588协议定义了两种延时测量机制：磊求患鬻誉篡盖淼篙篙篇Delay)机制‘川

3、。其中请求应答机制翅程则图川川。。首先主时钟向从时钟发送Sync消息，IEEE1588M设／备----采用软硬结合的方式记录时间戳，syn!消息在经过主时钟时，会在最接近M11接口处要新为Syn。消息离开主时钟的精确时间‘-，sync梢三S竺黧浆燃蔷篙鼍譬篇黼vnc消息到达的精确时I司。z，运件从州w瓠：Sync消息发送和接收的精确时间。，与‘：。1段议l应图l请求应答测量机制从时钟已知时间t1，t：tl，tz,t3主从设备时间偏差为T移。主从设备之间的网络延时为ky测：T(1)off。et+Taelay=tz--tt＼1，从时钟在收到Sync消息后，向主时钟发送请求消息De

4、lay—Req，发送精确时间为t，，主时钟收到从时钟发来的Delay—Req消息，记录下Delay—Req消息抵达的精确时间t4主时钟把。。包含在Delay_R。sp中，发给从时钟，从时钟获得‘。，即：(2)由式(1)、(2)可得：T一／t2-tl+t4-t3(3)1de／ay一2收稿日期：2015-12-02(蝴)化工自动化及仪表第43卷Toffs,,：生1：生!(4)移，所以需对r位累加器进行频率补偿以调整单‘位周期累加值。得到主从时钟之间的偏差之后调整从时钟的时间值，去除时钟偏差，便实现了从时钟的时间值与主时钟的同步。不过这样主从时钟之间由于存在频率的偏差，同步之后从时

5、钟偏差会随时间逐渐增大，精度受两次同步间隔时间影响较大。更好的方法是频率、相位一起同步，同步原理如图2所示。丰时钟从时钟图2时钟频率同步原理从时钟与主时钟之间频率的偏移可用下面的方法计算¨1。主时钟每隔一段时间向从时钟发送Sync消息，在主时钟来看第南个Sync消息与第k+1个Sync消息之间的发送间隔为：△。=t。(k+1)一t。(％)(5)在从时钟来看两个Sync消息之间的间隔为：△。=t，(k+1)一t。(％)(6)主从时钟计算的Sync消息间隔并不一样，从时钟与主时钟频率的比例关系可利用下式估算：F=△。／A。(7)F的计算是在理想情况下得出的结果，在实际情况下还需要

6、考虑链路延时及时钟源等诸多因素。2累积频率补偿方法在时钟同步中的应用典型的IEEE1588时钟结构如图3所示，IEEE1588时钟由外部参考时钟(晶振等)驱动，参考时钟信号的频率决定了时间戳模块的精度与r位累加控制器的大小，例如参考时钟信号为125MHz，则时钟分辨率为8ns，r位累加控制器应设置为8ns，表示每个时钟周期q位累加器累加8ns，时间戳模块精度最大为±4ns。实际情况下，参考时钟信号多来自晶振，而晶振频率受温度、压力及老化等因素影响∞1，频率相对理想频率有漂Tx／Rx信号——+偏差修正—o频率补偿值———：1588报文识别及时问戳模块p位时钟计数器g位累加器啦累

7、加控制寄存器参考时钟信号图3IEEE1588时钟结构IEEE1588时钟域内一般包括一个Grand-Master(GM)时钟、若干边界时钟(Bound．aryClock)、若干普通时钟(OrdinaryClock)和透明时钟(TransparentClock)。其中GrandMaster时钟决定了时钟域的时间尺度(timescale)和相关属性，GrandMaster在时钟域拥有最高精度，其时钟源一般为原子钟或者GPS。图4是一个简单的IEEE1588同步网络拓扑结构，实际情况下IEEE1588终端可能