[发明专利]一种基于硬件时间戳实现PTP纳秒级精度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及时钟调整技术，具体涉及基于硬件时间戳实现PTP纳秒级精度协议解析、时钟算法和时钟校正。

背景技术

目前的各种时钟服务系统在各种行业有着广泛的应用，如地铁系统、高铁系统、电力系统、智能医院、智能交通、通信系统等，特别是基于网络的各种智能、自动化系统。

随着信息技术和电子产品的发展和在各行各业的广泛应用，对时间同步的要求和需求也发生了深刻的转变。如在电力系统中，电力通信调度网、电厂和变电站等场所都需要非常精确的时间同步控制。毫秒或微秒级的时间同步偏差会造成系统的中断，甚至电网的瘫痪，给客户和电力公司带来巨大的损失。因此，高精度的时间同步系统是保障电厂、变电站和电力通信畅通的必备条件。

要实现高精度的时间同步系统必须使时间同步系统能准确的锁定到标准参考源上，时间源可以是GPS或者BDS卫星信号，也可以是其他时间信号通过有线传输通道传输过来。相对于接收GPS和BDS卫星信号，有线传输有着一些独特的优势：不易受到干扰、更加安全、更加稳定、更加可靠，掌握在自己手里。传统的有线传输时间的方式有NTP方式、IRIG-B方式、RS422/232方式等。

NTP方式是一种通过以太网传输时间的方式，其优点一是容量大，可以一对多，一个服务器端口能服务数以千计的客户端；其优点二是传输距离不受限制，可以实现长距离传输；其缺点是精度比较低，一般在几十毫秒的水平。

IRIG-B方式是一种能通过双绞线（电话音频线）传输时间的方式，其优点是传输精度比较高，能达到1微秒的精度；其缺点一是容量受到限制，是一对一的授时，一个端口智能服务一个客户，而且需要独享的物理连线；其缺点二是传输距离受限制，一般传输距离在1千米左右。

RS422/232方式和IRIG-B具有类似的优缺点。

PTP方式是一种比较新的时间传输方式，PTP是PreciseTimeProtocol的简称，也就是IEEE1588v2。她也是通过以太网传输时间，因此有着和NTP一样的优点，就是容量大、传输距离远，但同时有着IRIG-B一样的精度，实现了容量、传输距离、传输精度三者的有机统一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决PTP从钟（或者叫PTP客户端）的时间校准问题，以提高PTP从钟的恢复时间的精度，开发了一种PTP时间恢复的算法。

PTP的精度依赖于获取的时间戳的精度，一些传统的基于软件时间戳的PTP实现，其精度只能达到微妙级或是亚微妙级。本文提出了一种基于硬件时间戳实现PTP纳秒级精度的方法。

本方法主要包括PTP协议栈，时钟算法，网络接口与时间戳单元，下面重点介绍一下这几个模块，如图1系统结构图。

PTP协议栈主要功能是从远端PTP服务器获取时间报文，主要实现IEEE1588v2协议中的从时钟功能，支持单播与多播模式。请参见图2PTP协议栈模型图。

时钟算法模块是根据PTP报文中的时间戳来评估时间与频率误差。评估出的频率误差可以用来矫正硬件的频率偏差。评估的时间误差可以用于矫正时间戳时钟。

时间戳单元模块，主要包括一个报文解析器、时间戳时钟、一些用于存储时间戳的临时队列等。报文解析单元连接到网络的MII接口上，用于监测发送与接收的数据。一旦检测到有PTP报文，将会在队列中记录报文的时间戳，以及报文的一些属性供后续处理。同时时间戳单元内置一个时间戳采样时钟，用于时间报文打戳，该时钟是输入时钟的倍数，输入时钟由本地晶振提供；时间戳单元还包括两个主要的缓冲队列以及一个事件缓冲队列，其中一个缓冲队列用于存储发送时间戳，另一个缓冲队列用于存储接收时间戳，该单元模块的结构如图3。本发明的报文解析是在硬件PHY上实现，其中PHY时间戳的实现方式，如图4，报文解析单元连接到网络的MII接口上。用于监测发送与接收的数据。一旦检测到有PTP报文，将会在队列中记录报文的时间戳，以及报文的一些属性供后续处理，同时时间戳单元内置一个时间戳采样时钟，用于时间报文打戳。该时钟是输入时钟的倍数。输入时钟由本地晶振提供。采用支持PTP时间戳的芯片，例如美国NI公司的DP83640芯片。这些芯片具有高精度的PTP打时间戳能力。网络接口用于发送与接收PTP报文信息，其结构如图5。时钟算法模块的作用是根据PTP报文中的时间戳来评估时间与频率误差，评估出的频率误差可以用来矫正硬件的频率偏差，评估的时间误差可以用于校正时间戳时钟；如图6

假设网络延时是固定的：