IEEE1588和高精度時(shí)間同步的方法

0引言

控制系統(tǒng)中的時(shí)間同步問(wèn)題早就出現(xiàn)，而隨著系統(tǒng)范圍的擴(kuò)大和分散控制的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的分散控制節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步變得越來(lái)越重要。系統(tǒng)中時(shí)間的使用通常有兩種不同的應(yīng)用類型：時(shí)間標(biāo)記性應(yīng)用和基于頻率的應(yīng)用。如配電應(yīng)用可代表時(shí)間標(biāo)記應(yīng)用，在這種系統(tǒng)中絕對(duì)時(shí)間很重要，因?yàn)樘囟ㄊ录亩〞r(shí)不僅需要與本系統(tǒng)內(nèi)的其他事件的時(shí)間作比較，而且由于電力系統(tǒng)的連貫性，經(jīng)?？赡苄枰c外部相關(guān)系統(tǒng)的事件的時(shí)間作比較。哪一個(gè)事件先發(fā)生？是電網(wǎng)A先跳閘，還是電網(wǎng)B先跳閘？這些事件相隔多少時(shí)間？在實(shí)際應(yīng)用中這些事件可能發(fā)生在不同的地理區(qū)域。由于這個(gè)原因需要絕對(duì)時(shí)間值的概念，并且這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)需要校正為世界各地使用的常用時(shí)間。由于特定的事件和報(bào)警是被打上時(shí)間標(biāo)記的，只要這些時(shí)間標(biāo)記具有相同的基準(zhǔn)，就可以在事后進(jìn)行這些事件的時(shí)間順序的分析。

另一方面，在控制系統(tǒng)中存在大量基于頻率的應(yīng)用，如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的多個(gè)分布驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，它們需要精確同時(shí)執(zhí)行，因?yàn)樗鼈儾荒苓^(guò)度拉伸或損壞驅(qū)動(dòng)機(jī)架之間的織物。在這些應(yīng)用中當(dāng)這些驅(qū)動(dòng)器是同步工作時(shí)過(guò)程最佳。如果每個(gè)驅(qū)動(dòng)器精確地在同時(shí)采樣反饋和執(zhí)行控制算法，同時(shí)執(zhí)行控制命令，那么作用力的施加是協(xié)調(diào)的。在這種應(yīng)用中絕對(duì)時(shí)間不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。

解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是時(shí)間同步，時(shí)間同步的目的就是要將時(shí)間基準(zhǔn)準(zhǔn)確地傳遞到各控制點(diǎn)，傳遞并不困難，難于達(dá)到的是傳遞的精度。在2002年出現(xiàn)的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)（網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議，通常稱為Precision Time Protocol[PTP]）在這方面取得了重大進(jìn)展。使用這個(gè)方法并不需要很多資源就可以達(dá)到100納秒級(jí)的同步精度。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后得到業(yè)界高度重視，在2002年，2004年舉辦專業(yè)會(huì)議，2006年將舉辦第三次專業(yè)會(huì)議。工業(yè)控制的領(lǐng)先廠商Rockwell，Siemens等立即投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，IEC已將它轉(zhuǎn)化為IEC61588－2004標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已為Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太網(wǎng)的總線采用，成為當(dāng)前普遍采用的方法。

1 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了將分散在測(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(shù)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)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)時(shí)鐘。時(shí)鐘之間經(jīng)由網(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。任何時(shí)鐘和它的祖母時(shí)鐘之間的通信路徑都是最小跨度樹(shù)的一部分。

分布時(shí)鐘的PTP系統(tǒng)由普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘組成。普通時(shí)鐘是只有一個(gè)PTP端口的時(shí)鐘，邊界時(shí)鐘是帶兩個(gè)或多個(gè)不同的PTP通信路徑的端口的時(shí)鐘。如一個(gè)可在它的端口上實(shí)現(xiàn)PTP協(xié)議的交換機(jī)就是一個(gè)邊界時(shí)鐘。很明顯普通時(shí)鐘只有接收時(shí)間的能力，邊界時(shí)鐘具有傳遞時(shí)間的能力。

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(guò)報(bào)文傳遞時(shí)鐘信息。圖1是一個(gè)配置的例子。

圖1－帶祖母時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和從時(shí)鐘的系統(tǒng)例子

2 PTP時(shí)鐘的協(xié)議模型

圖1是PTP子域的例子，最上面的是這個(gè)子域的祖母時(shí)鐘，它是一個(gè)GPS（Global Positioning Satellite System是由美國(guó)國(guó)防部維持的系統(tǒng)，來(lái)自GPS的時(shí)間可以達(dá)到10～100ns的精度范圍）時(shí)鐘，是這個(gè)子域的時(shí)間源，下面通過(guò)父子結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘端口構(gòu)成傳遞系統(tǒng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的根是祖母時(shí)鐘，這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)分支點(diǎn)通常需要一個(gè)邊界時(shí)鐘，這點(diǎn)上從根進(jìn)一步分支方向的所有時(shí)鐘端口必須是主或父代端口，而有一個(gè)端口是同步到更加靠近根的時(shí)鐘的從端口。分支到最后（不是根方向）的端口必定是從端口或不活動(dòng)（Passive）端口（不活動(dòng)端口的通信路徑上，除非另外規(guī)定不應(yīng)當(dāng)發(fā)生報(bào)文）。

3 PTP同步機(jī)制

IEEE1588定義了四種同步報(bào)文Sync，F(xiàn)ollow_up ,Delay_Request , Delay_Response , 和一組管理報(bào)文。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們先考慮一個(gè)主時(shí)鐘與一個(gè)從時(shí)鐘的同步過(guò)程：

1，主節(jié)點(diǎn)每2秒鐘（同步報(bào)文的間隔是可設(shè)置的，這里假設(shè)為2秒）向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“同步”（Sync）報(bào)文。這個(gè)報(bào)文是由主節(jié)點(diǎn)打上預(yù)計(jì)的發(fā)送時(shí)間標(biāo)記的報(bào)文，但是由于預(yù)計(jì)的發(fā)送時(shí)間和實(shí)際的發(fā)送報(bào)文發(fā)送本身可能的延遲，實(shí)際時(shí)間標(biāo)記不能隨“同步”報(bào)文一起發(fā)送。這個(gè)“同步”報(bào)文在接收端被從節(jié)點(diǎn)打上接收時(shí)間標(biāo)記（為了提高精度，應(yīng)在物理層或接近物理層的位置檢測(cè)、記錄和標(biāo)識(shí)發(fā)送或接收時(shí)間）。IEEE1588規(guī)范制定了可選件“硬件輔助”設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)精度的提高。