基于時鐘頻率調整的時間同步的FPGA實現及應用

在本系統中，取FreqClk為50 MHz，FreqOsc為60MHz，則DivRatio為1.2。當同步周期為1 s時，補償精度Precision可選10-9，由公式可選擇r=q=32，p=64。頻率補償初值由下式求出：

FreqCompValue=2q/DivRatio=232/1.2=32d3579139413

在時鐘輸出算法中，該值由頻率調整系數動態(tài)調整：

FreqCompValuen=kn·FreqCompValuen-1 (10)3 頻率補償算法在FPGA中的實現頻率補償就是在每個同步周期計算FreqCompValuen，FPGA提供了參數化的乘法器兆函數(1pm_mult)和除法器兆函數(1pm_divide)，可以快速實現上述算法。原理如圖3所示，在每個同步周期同步信號的驅使下，鎖存器B和C分別鎖存當前時鐘讀數和上個同步周期時鐘讀數，同時將主時鐘讀數輸入到加法器A中，經過減法器E、F和乘法器G，以及除法器H后計算出新的FreqCompValuen，并在同步信號的驅動下，將其鎖存到鎖存器D中。由于中間的計算結果要經過一定的時鐘周期，所以鎖存器D的鎖存信號要延時一定的晶振周期。在本設計中延時50個FreqOsc，即在1μs的情況下就可以得到新的頻率補償值。

同步報文的傳輸延遲SyncDelay理論上是不變的，而實際上報文在傳輸過程中有抖動。參考文獻[3]對此進行了分析，并指出同步周期越長，報文傳輸延遲抖動的影響就越小，因此可以忽略不計。

實驗驗證

主時鐘采用50 MHz的有源晶振來實現，并將其作為固定時鐘;從時鐘采用30 MHz有源晶振，通過FPGA的鎖相環(huán)PLL將其頻率倍頻到60 MHz，然后1.2分頻，實現可調頻率的50 MHz時鐘。

讓主時鐘和從時鐘以一定的時間間隔產生中斷，并通過邏輯分析儀采樣中斷信號分析其偏差。由于系統時鐘的分辨率為20 ns，采用廣州致遠電子有限公司的邏輯分析儀LA1532，其最大采樣頻率為100 MHz，所以偏差測量精度可以達到10 ns。圖4(a)是未進行同步前兩個時鐘的偏差分析，X軸表示主時鐘和從時鐘的計時長度，Y軸表示主時鐘和從時鐘的計時偏差。從圖中可以看出兩個時鐘的偏差大概為5×10-6，即1 s內的偏差可以達到5μs。圖4(b)為同步后主時鐘和從時鐘偏差測量結果，共測量1 000次，其10 ms內同步偏差在±20 ns。X軸表示測量時間，Y軸表示主從時鐘同步偏差。圖4(c)為同步后兩個從時鐘偏差測量結果，共測量1 000次，其10 ms內同步偏差在±40 ns。X軸表示測量時間，Y軸表示從時鐘之間同步偏差。

結 語

基于時鐘頻率調整的時間同步方法，實現簡單，而且沒有復雜的軟件同步協議，占用較小的網絡帶寬就可以實現高精度的時鐘同步，在硬件上只需要低成本的FPGA支持。