基于DP83640的精確時(shí)鐘同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)

　　傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)使用集中式的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)把儀器與主計(jì)算機(jī)置于彼此相近的位置。這類系統(tǒng)會(huì)有定時(shí)約束要求，可通過編程和采用有確定反應(yīng)時(shí)間的通信技術(shù)滿足這一要求。今天的許多測(cè)量應(yīng)用對(duì)測(cè)試系統(tǒng)有日益嚴(yán)格的定時(shí)要求。此外，越來越多的應(yīng)用要求系統(tǒng)采用把設(shè)備布散于不同地點(diǎn)的的分布式體系結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能很好適應(yīng)分布式系統(tǒng)，但這些技術(shù)所使用的定時(shí)規(guī)范對(duì)測(cè)量應(yīng)用尚不夠嚴(yán)格，從而導(dǎo)致適用于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議，即IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。
　　LXI規(guī)范規(guī)定，對(duì)于A類或B類儀器需要實(shí)現(xiàn)IEEE1588精密時(shí)鐘同步。對(duì)IEEE1588精密時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)，將采用硬件部分與協(xié)議部分分離、軟件部分與協(xié)議分離的PTP體系結(jié)構(gòu)，這樣可以減少運(yùn)行時(shí)對(duì)處理器的要求。這個(gè)協(xié)議只占用少量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，卻可以達(dá)到微秒級(jí)的同步精度，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，這個(gè)精度甚至可以提高到數(shù)十納秒。

　　IEEE1588同步協(xié)議

　　IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)將分散在測(cè)量和控制系統(tǒng)內(nèi)的分離節(jié)點(diǎn)上獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘同步到一個(gè)高精度和準(zhǔn)確度的時(shí)鐘上的協(xié)議。這些時(shí)鐘是在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中互相通信的。按這個(gè)基本格式，這個(gè)協(xié)議要形成樹形的管理，使系統(tǒng)內(nèi)的這些時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)主從關(guān)系。在一個(gè)給定子網(wǎng)中包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘之間經(jīng)同網(wǎng)絡(luò)連接。IEEE1588規(guī)定了子網(wǎng)的劃分規(guī)則，它是按時(shí)鐘的級(jí)別劃分子網(wǎng)，一個(gè)子網(wǎng)只有一個(gè)1級(jí)或2級(jí)時(shí)鐘。在一個(gè)子網(wǎng)中只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘從主時(shí)鐘得到時(shí)間，所有時(shí)鐘最終都是從一個(gè)稱為祖母時(shí)鐘那里得到它的時(shí)間。
　　系統(tǒng)中的一個(gè)時(shí)鐘可選為主時(shí)鐘，由主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文，通過報(bào)文傳遞時(shí)鐘信息。IEEE1588定義了四種同步報(bào)文Sync、Follow_up、Delay_request、Delay_response，和一組管理報(bào)文。
　　同步過程分為兩個(gè)階段：偏移測(cè)量階段和延遲測(cè)量階段。偏移測(cè)量階段用來修正主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘的時(shí)間差。在這個(gè)偏移修正過程中，主時(shí)鐘周期性發(fā)出一個(gè)確定的同步信息(Sync)，一般為每?jī)擅胍淮危艘粋€(gè)時(shí)間印章(time stamp)，精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計(jì)時(shí)間。如圖1所示，假設(shè)同步之前主時(shí)鐘的時(shí)間為Tm=1050s，而從屬時(shí)鐘的時(shí)間為Ts=1000s。

　　主時(shí)鐘測(cè)量出發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間TM1，而從屬時(shí)鐘測(cè)量出接收的準(zhǔn)確時(shí)間TS1。由于信息包含的是預(yù)計(jì)的發(fā)出時(shí)間而不是真實(shí)的發(fā)出時(shí)間，所以主時(shí)鐘在Sync信息發(fā)出后發(fā)出一個(gè)Follow_up信息，該信息加了一個(gè)時(shí)間印章，準(zhǔn)確地記載了Sync信息的真實(shí)發(fā)出時(shí)間TM1。這樣一來，從屬時(shí)鐘使用Follow_up信息中的真實(shí)發(fā)出時(shí)間和接收方的真實(shí)接收時(shí)間，可以計(jì)算出從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏移。
　　延遲測(cè)量階段用來測(cè)量網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延遲時(shí)間。使用IEEE1588定義的延遲請(qǐng)求信息包測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。如圖2所示，從屬時(shí)鐘在收到Sync信息后，在TS3時(shí)刻發(fā)出延遲請(qǐng)求信息包Delay_req，主時(shí)鐘收到Delay_req后在延遲響應(yīng)信息包印章出準(zhǔn)確的接收時(shí)間TM3，并發(fā)送給從屬時(shí)鐘，因此從屬時(shí)鐘就可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

　　可以使用偏移測(cè)量和延遲測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)直接修正從屬時(shí)鐘，但這樣估計(jì)的值存在較大的估計(jì)方差。為了獲得更佳的估計(jì)精度，需要對(duì)偏移測(cè)量和延遲測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理過程如圖3所示。首先對(duì)時(shí)間印章差值進(jìn)行模式分類，分類的目的是為了獲得網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)延遲條件下時(shí)間印章差值的幾個(gè)類聚，可以通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)模式分類。對(duì)每個(gè)類中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差計(jì)算，選取方差最小的類作為真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)偏移數(shù)據(jù)，再對(duì)該類中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘估計(jì)，用估計(jì)值修正從屬時(shí)鐘。

　　DP83640芯片

　　DP83640芯片是一款由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的集成IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議硬件支持功能的以主網(wǎng)收發(fā)器。芯片內(nèi)置高精度IEEE1588時(shí)鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時(shí)間標(biāo)記功能，可為接收及發(fā)送信息包印上標(biāo)記。
　　DP83640主要包括PHY以太網(wǎng)物理層接口、IEEE1588包檢測(cè)和處理模塊、IEEE1588控制和IEEE1588時(shí)鐘。

　　PHY以太網(wǎng)物理層接口

　　PHY以太網(wǎng)物理層接口向下連接以太網(wǎng)通信媒介，向上通過MII和MDIO與MAC控制器相連。
　　DP83640通過硬件支持提供以下三個(gè)嚴(yán)格時(shí)間基礎(chǔ)：IEEE1588同步時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)鐘同步包時(shí)間印章、通過GPIO的事件觸發(fā)和時(shí)間印章。

　　IEEE1588同步時(shí)鐘

　　DP83640為基于同步協(xié)議要求更新IEEE1588時(shí)鐘提供了幾種機(jī)制，這些方法包括：直接讀/寫、加/減調(diào)整、頻率調(diào)整、臨時(shí)頻率控制。
　　時(shí)鐘由以下域構(gòu)成：秒(32位)，納秒(30位)，亞納秒 (單位是2-32ns)。時(shí)間值的直接設(shè)置可以通過設(shè)定一個(gè)新的時(shí)間值完成，以納秒為單位的步進(jìn)調(diào)整值可以加到當(dāng)前值，調(diào)整值可以是正的或負(fù)的。
　　通過編程一個(gè)速率調(diào)整值可以使時(shí)鐘以調(diào)整過的頻率操作。通過包括一個(gè)速率調(diào)整持續(xù)時(shí)間，時(shí)鐘還可以被編程執(zhí)行臨時(shí)調(diào)整頻率值。速率調(diào)整允許在每參考時(shí)鐘周期以2-32ns量級(jí)進(jìn)行校正。頻率調(diào)整允許時(shí)鐘修正時(shí)間累計(jì)偏差，避免由時(shí)間值步進(jìn)調(diào)整引起的任何潛在副作用。
　　用于更新時(shí)鐘值的方法可能依賴于時(shí)鐘值的不同而異。比如，在起初開始嘗試同步時(shí)，時(shí)鐘可能相差很遠(yuǎn)，因此需要采用步進(jìn)調(diào)整或直接設(shè)置時(shí)間，以后當(dāng)時(shí)鐘非常接近時(shí)，臨時(shí)速率調(diào)整方法可能是最佳選擇。
　　IEEE1588時(shí)鐘輸出：DP83640提供一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)給外部設(shè)備使用。輸出時(shí)鐘信號(hào)可以是250MHz除以N之后的任意頻率，N從2到255。提供頻率從125HMz到980.4KHz。
　　IEEE1588時(shí)鐘輸入：IEEE1588PTP邏輯依靠一個(gè)由內(nèi)部相位發(fā)生模塊(PGM)產(chǎn)生的125MHz名義參考時(shí)鐘操作。但是也可用選擇使用PGM時(shí)鐘的分頻，或者使用一個(gè)不超過125MHz的外部參考時(shí)鐘。

　　包時(shí)間印章

　　IEEE1588發(fā)送包解析器和時(shí)間印章：IEEE1588發(fā)送解析器監(jiān)視發(fā)送包數(shù)據(jù)以檢測(cè)IEEE1588 V1和V2事件消息。發(fā)送解析器能夠檢測(cè)直接在Layer2層傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包以及UDP/IPv4和UDP/IPv6數(shù)據(jù)包PTP事件消息。當(dāng)檢測(cè)到PTP事件消息時(shí)，器件將捕獲發(fā)送時(shí)間印章并且提供給軟件。因?yàn)檐浖腊l(fā)送的順序，所以只記錄時(shí)間印章。器件可以緩存4個(gè)時(shí)間印章。
　　IEEE1588接收包解析器和時(shí)間印章：IEEE1588接收解析器監(jiān)視接收包數(shù)據(jù)以檢測(cè)IEEE1588 V1和V2事件消息。接收解析器能夠檢測(cè)直接在Layer2層傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包以及UDP/IPv4和UDP/IPv6數(shù)據(jù)包PTP事件消息。當(dāng)檢測(cè)到PTP事件消息時(shí)，器件將捕獲接收時(shí)間印章并且提供給軟件。除時(shí)間印章以外，器件還將記錄16位的序列號(hào)，4位的消息類型，而且為PTP事件消息的20-29字節(jié)生成一個(gè)12位的復(fù)述值。器件可以緩存4個(gè)時(shí)間印章。當(dāng)一個(gè)接收時(shí)間印章準(zhǔn)備好以后可以產(chǎn)生一個(gè)中斷。
　　接收時(shí)間印章插入：DP836400能夠通過在接收到的數(shù)據(jù)包中插入時(shí)間印章遞送時(shí)間印章給軟件。這允許使用一種簡(jiǎn)單的方法遞送數(shù)據(jù)包給軟件而不需要匹配時(shí)間印章到正確的數(shù)據(jù)包。這種方法免去了通過串行管理接口(SMI)讀取接收時(shí)間印章的必要。

　　DP83640內(nèi)部寄存器

　　DP83640內(nèi)部寄存器與DM9000等網(wǎng)絡(luò)接口芯片寄存器不同之處，主要在物理層控制狀態(tài)寄存器中，關(guān)于頁寄存器的定義(14H-1FH將頁寄存器分成0-6頁)：0頁為物理層擴(kuò)展寄存器，1頁為測(cè)試寄存器，2頁為鏈接診斷寄存器，3頁為保留，4頁為PTP1588基本寄存器，5頁和6頁都是PTP1588配置寄存器。

　　基于DP83640的1588實(shí)現(xiàn)

　　由于DP83640提供了底層時(shí)間印章的捕獲功能，1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)的工作將主要集中在軟件上。
　　主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行下面過程：a.1在每個(gè)時(shí)間間隔(默認(rèn)2秒)，讀取當(dāng)前時(shí)間值，根據(jù)1588協(xié)議規(guī)定，構(gòu)建Sync報(bào)文；a.2發(fā)送Sync報(bào)文；a.3從83640寄存器中獲得Sync報(bào)文發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間，構(gòu)建Follow_up報(bào)文，并發(fā)送；b.在任意時(shí)刻，監(jiān)聽Delay_req消息，一旦收到，構(gòu)建Delay_resp報(bào)文，并發(fā)送。
　　從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行下面過程：a.1監(jiān)聽來自主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的Sync消息；a.2監(jiān)聽來自主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的Follow_up消息；a.3進(jìn)行偏移測(cè)量計(jì)算，設(shè)置本地時(shí)鐘值；b.1根據(jù)1588標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生發(fā)送Delay_req報(bào)文的時(shí)間，并在此時(shí)間構(gòu)建Delay_req報(bào)文并發(fā)送；b.2根據(jù)Delay_resp中的時(shí)間印章，計(jì)算延遲時(shí)間，修正本地時(shí)鐘值。c.多次獲取時(shí)間差值樣本后，用模式分類方式，估計(jì)本地時(shí)鐘值并對(duì)其修正。

　　隨著LXI總線技術(shù)越來越多的應(yīng)用到測(cè)試領(lǐng)域中，解決分布式測(cè)量中同步總是的1588協(xié)議也越來越受到人們的關(guān)注。DP83640在芯片物理層之內(nèi)集成了IEEE1588高精度時(shí)間協(xié)議，為L(zhǎng)XI B類及A類儀器的設(shè)計(jì)者們提供了一個(gè)方便的平臺(tái)。這種采用“COTS”產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了周期，也將為更多的人所喜聞樂見。

　　北京航天測(cè)控技術(shù)開發(fā)公司位于北京石景山產(chǎn)業(yè)園區(qū)，是中國(guó)航天科工測(cè)控中心、武器裝備測(cè)試與綜合保障技術(shù)中心，國(guó)防科技工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)研究應(yīng)用中心，主要業(yè)務(wù)為軍工領(lǐng)域測(cè)控裝備和維修保障信息化裝備研發(fā)生產(chǎn)、導(dǎo)彈通用測(cè)試平臺(tái)、系統(tǒng)集成、工業(yè)控制、基礎(chǔ)測(cè)試測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品和軟件與信息化產(chǎn)品。公司在以武器裝備測(cè)試與綜合保障技術(shù)為代表的測(cè)控領(lǐng)域，取得了突出成績(jī)，產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋部隊(duì)、航天、航空、兵器、核工業(yè)、船舶、電子等軍用領(lǐng)域和民航飛機(jī)、石油、汽車、化工、電力、鐵路等民用領(lǐng)域。