[发明专利]一种精密同步时钟的实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及在测量和自动化系统中基于工业以太网传输精密同步时钟技术领域，特别是指在网络上传输精密同步时钟，时钟的传输精度可达亚微妙级别。

背景技术

精密同步时钟与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要的区别是：精密同步时钟是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。

精密同步时钟主要针对于相对本地化、网络化的系统，子网较好，内部组件相对稳定，特别适合于工业自动化和测量环境。与精密同步时钟不同，NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的安全描述。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。

精密同步时钟定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，设定冗余的网络路径进入精密同步时钟协议的非激活状态。与SNTP和NTP相反，时间印章更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度。此外，PTP模块化的设计也使它很容易适应低端设备。

精密时钟协议将达到亚微妙范围内的同步精确度，它适用于需要实现最高精确度分布时钟的时间同步的有限网络领域，在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。精密同步时钟的另一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中，不同设备的生产商都遵循同样的标准，产品之间保证很好的同步性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于工业以太网传输精密同步时钟的方法。本发明包括两部分硬件检测、获取时间戳、维护时钟的实现方法和软件收发精密同步时钟协议报文、调整、校对系统时钟；为达到上述目的本发明的技术方案是这样实现的。

附图说明

图1硬件原理框图

图2FPGA程序工作原理框图

图3smii时序图

图4数据报文收发模块流程图

图5定时器模块流程图

图6Sync处理模块流程图

图7Follow_Up处理模块流程图

图8Delay_Req处理模块流程图

图9Delay_Resp处理模块流程图

图10系统管理模块框图

图11写时序

图12读时序

具体实施方式

1.1总体方案

本发明定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果，其步骤包括：

●选择最优化的主时钟，根据最优化的主时钟算法从所有时钟节点中选出最优化的主时钟

●偏移测量阶段用来修正主时钟和从属时钟的时间差。在这个偏移修正过程中，主时钟周期性发出一个确定的同步信息(简称Sync信息)(一般为每两秒一次)，它包含了一个时间印章(time stamp)，精确地描述了数据包发出的预计时间。

●延迟测量(delay measurement)阶段用来测量网络传输造成的延迟时间，需要说明的是，在这个测量过程中，假设传输介质是对称均匀的。

●经过同步信息的交换，从属时钟与主时钟实现了精确同步。

1.2硬件实现方案

采用硬件和软件实现的方式，其硬件实现原理框图如下图1：

此精密时钟同步协议实现原理如上图1所示，在保证以太网通信正常的基础上，同时将信号连接到PHY芯片上，通过SMII接口与FPGA芯片相连，采用监听以太网数据包的方式，通过FPGA抓取以太网数据包的详细信息，获取以太网数据包的时钟同步信息，从而实现了精确的时钟同步协议。

FPGA程序的实现原理框图如下图2所示，由于采用监听的模式，FPGA只解析PHY收到的数据，将其收到的数据经过FIFO后，通过解包模块，将其数据包中的时间戳等相关信息解出，通过SPI总线与cpu之间实现数据交互，同时维护时钟系统，从而实现此精确时钟同步协议。

系统中利用FPGA协助CPU维护和调整时钟，捕捉和解析PTP报文。利用FPGA可以使系统设计更灵活，能够有效维护系统时钟，精确的确定PTP报文到达时刻，从而有效降低本地时钟和grandmasterclock的偏差，提高系统性能。同时可以缩减CPU处理PTP报文时间，使其有更多时间处理其他任务。