FPGA的時(shí)鐘頻率同步設(shè)計(jì)

引 言
網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制是未來(lái)運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)，隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步精度提出了更高的要求。如造紙機(jī)械，運(yùn)行速度為1 500～1 800m／min，同步運(yùn)行的電機(jī)之間1μs的時(shí)間同步誤差將造成30 μm的運(yùn)動(dòng)誤差。高速加工中心中加工速度為120 m／min時(shí)，伺服電機(jī)之間1μs的時(shí)間同步誤差，將造成2 μm的加工誤差，影響了加工精度的提高。
分布式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘通常是采用晶振+計(jì)數(shù)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于晶振本身的精度以及穩(wěn)定性問(wèn)題，造成了時(shí)間運(yùn)行的誤差。時(shí)鐘同步通常是選定一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，其他節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘作為從時(shí)鐘。主節(jié)點(diǎn)周期性地通過(guò)報(bào)文將主時(shí)鐘時(shí)間發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)文后，以主時(shí)鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行延遲補(bǔ)償，然后將計(jì)算出的新時(shí)鐘值賦給從時(shí)鐘。這種同步方法造成了從時(shí)鐘計(jì)數(shù)值的不連續(xù)，即會(huì)出現(xiàn)重復(fù)(從時(shí)鐘晶振頻率快于主時(shí)鐘)或跳躍(從時(shí)鐘晶振頻率慢于主時(shí)鐘)，而且這種方法并沒(méi)有從根本上解決時(shí)鐘頻率的不同步問(wèn)題，因此要進(jìn)一步提高同步精度很困難。本文研究了一種可對(duì)頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘頻率的動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘頻率的同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

1 時(shí)鐘同步原理
要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)鐘的同步，一是時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值要相同，二是計(jì)數(shù)增長(zhǎng)速率要相同。如圖1所示，設(shè)主時(shí)鐘的頻率為f，從時(shí)鐘頻率在Nn-1到Nn時(shí)間段為fn-1，在Nn到Nn+1為fn，SyncDelay為同步報(bào)文從主站到從站的延遲時(shí)間，可以通過(guò)延時(shí)測(cè)量幀采用往返法測(cè)量得到，從時(shí)鐘要在Nn+1時(shí)刻達(dá)到與主時(shí)鐘相等，那么有：

因?yàn)橹鲿r(shí)鐘是周期性發(fā)出同步報(bào)文，所以有Mn+1-Mn=Mn-Mn-1=T，由式(2)和(3)可得：

kn就是時(shí)鐘頻率調(diào)整系數(shù)。在每個(gè)同步周期可以計(jì)算出頻率調(diào)整系數(shù)，然后通過(guò)相應(yīng)的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

2 可調(diào)頻率的時(shí)鐘設(shè)計(jì)
可調(diào)頻率時(shí)鐘是一種完全由數(shù)字電路組成的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可以很方便地在FPGA中實(shí)現(xiàn)，原理如圖2所示。該頻率可調(diào)時(shí)鐘由一個(gè)戶位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，q位累加器和r位頻率補(bǔ)償值寄存器組成。每個(gè)晶振周期，累加器與頻率補(bǔ)償寄存器中的FreqCompValue相加，并將結(jié)果保存到累加器。如果累加器發(fā)生溢出，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值就增加1；反之，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器保持不變。由此可以看出，晶振頻率和頻率補(bǔ)償值FreqCompValue的大小決定了累加器的溢出速率，也決定了時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。所以可以通過(guò)調(diào)整FreqCompValue來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率。為了實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘，晶振頻率要比時(shí)鐘頻率高。設(shè)晶振頻率為FreqOsc，時(shí)鐘計(jì)數(shù)頻率為FreqClk，分頻比為DivRatio，同步周期為SyncInterval，補(bǔ)償精度為Precision，p、q、r可由下列公式得出：
DivRatio=FreqOsc／FreqClk (5)

在本系統(tǒng)中，取FreqClk為50 MHz，F(xiàn)reqOsc為60MHz，則DivRatio為1．2。當(dāng)同步周期為1 s時(shí)，補(bǔ)償精度Precision可選10-9，由公式可選擇r=q=32，p=64。頻率補(bǔ)償初值由下式求出：
FreqCompValue=2q／DivRatio=232／1．2=32d3579139413
在時(shí)鐘輸出算法中，該值由頻率調(diào)整系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整：
FreqCompValuen=kn?FreqCompValuen-1 (10)