分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步

　　1.3 同步實(shí)現(xiàn)

　　如圖2所示,從端發(fā)出延遲統(tǒng)計(jì)包，主端反饋后，從端求得Delay。在每個(gè)整秒左右時(shí)刻收到同步包后，進(jìn)行時(shí)鐘修正，即從屬時(shí)鐘與主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了精確同步[5]。

圖2 同步過程

　　2 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

　　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于局域網(wǎng)構(gòu)架，單元間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,由集線器和微采集系統(tǒng)組成，每個(gè)微采集器成為一個(gè)獨(dú)立“單元”?？梢灾С忠恢鞫鄰牡?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/分布式">分布式模型：設(shè)置其中一個(gè)微采集系統(tǒng)作為主單元，其他的作為從單元。分布數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 分布數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　各個(gè)單元的設(shè)計(jì)完全相同，均由一個(gè)系統(tǒng)控制板和多個(gè)功能板構(gòu)成。系統(tǒng)控制板是采集器的核心，它控制著單元內(nèi)的各個(gè)功能卡的配置和單元內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保持與外部通信。功能板用以實(shí)現(xiàn)A/D、FIFO處理等功能，用于數(shù)據(jù)采集和傳送。各個(gè)單元中的所有板卡皆采用獨(dú)立時(shí)鐘。

　　此分布式采集系統(tǒng)中各個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)星形網(wǎng)。系統(tǒng)控制板成為星形網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間用網(wǎng)線相連。系統(tǒng)符合協(xié)議IEEE802.3、CSMA/CD標(biāo)準(zhǔn)，可以與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)完美兼容。

　　3 基于FPGA的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 分布式系統(tǒng)中各個(gè)單元的體系結(jié)構(gòu)

　　由于FPGA開發(fā)靈活，精度上能達(dá)到系統(tǒng)要求，開發(fā)周期短，且成本低。系統(tǒng)中各個(gè)系統(tǒng)控制板采用FPGA技術(shù)，即采用微控制器及其對應(yīng)的外設(shè)接口和相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)[6]。利用Nios II處理體系，將系統(tǒng)劃分為各個(gè)功能模塊，并考慮到系統(tǒng)所需的資源和生成代碼的大小。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由以下幾部分組成：Altera的Cyclone系列芯片，包括嵌入Nios II軟核、系統(tǒng)定時(shí)器、同步時(shí)鐘定時(shí)器、DM9000A以及Avalon總線等設(shè)計(jì)。

　　網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能。系統(tǒng)采用無鏈接的UDP通信，且采用多個(gè)定時(shí)器，用于時(shí)鐘同步和工作周期的制定。

　　3.2 具體軟件設(shè)計(jì)流程

　　同步定時(shí)器每秒鐘產(chǎn)生一次中斷。作為同步時(shí)鐘，另一個(gè)定時(shí)器將一個(gè)同步周期劃分為幾個(gè)等時(shí)段，為工作周期。主從單元通過網(wǎng)絡(luò)互相交換數(shù)據(jù)，在每一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)將各自的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。為了預(yù)防發(fā)送時(shí)刻點(diǎn)的沖突，在配置信息中注明每個(gè)周期該單元的發(fā)送時(shí)刻。

　　系統(tǒng)有以下幾種狀態(tài):初始狀態(tài)、預(yù)同步狀態(tài)、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。

　?、?初始狀態(tài)：分布式系統(tǒng)上電后,主從單元進(jìn)入初始狀態(tài)對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化，注冊timer中斷和網(wǎng)絡(luò)中斷等。初始化后進(jìn)入預(yù)同步狀態(tài)。

　?、?預(yù)同步狀態(tài)：主要是每小時(shí)進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測量，然后從端會(huì)將自己與主端的一次傳輸時(shí)延保存起來。

　?、?實(shí)時(shí)工作狀態(tài)：預(yù)同步完畢后各單元進(jìn)入實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。一小時(shí)后又再次進(jìn)入預(yù)同步狀態(tài)。實(shí)時(shí)工作狀態(tài)將處理多個(gè)線程。

　?。?） 同步線程

　?、?主單元，將同步timer的周期置為1 s的同步約定周期，即每1s產(chǎn)生1次中斷。主單元會(huì)在每秒到來時(shí)刻（中斷），發(fā)出同步包（syns）。

　　② 從端在接收到同步包后，調(diào)整定時(shí)器時(shí)鐘為同步包內(nèi)時(shí)刻與時(shí)延之和。

　?。?） 數(shù)據(jù)傳輸

　　線程系統(tǒng)在避開同步階段的時(shí)刻進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，主要是根據(jù)系統(tǒng)對各個(gè)工作周期的劃定。

　?。?） 數(shù)據(jù)采集和處理線程

　　由系統(tǒng)中各單元的各自任務(wù)來決定，不占用網(wǎng)絡(luò)。對傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)也處理網(wǎng)絡(luò)傳送來的數(shù)據(jù)。

　　4 同步測試

　　在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)下，驗(yàn)證其同步效果。由于同步定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘寬度（32MHz）,不便于觀察。為了便于演示，主從端都在定時(shí)器產(chǎn)生的同步時(shí)鐘上升沿到達(dá)時(shí)將同步信號(hào)置1,主單元在發(fā)送完同步包后將同步信號(hào)置0；從單元?jiǎng)t在收到同步包后將同步信號(hào)置0。這樣得到的信號(hào)與定時(shí)器產(chǎn)生的同步時(shí)鐘是同頻的，只是放寬了脈沖寬度。同步效果如圖4所示。

圖4 同步效果

　　圖4 (a)中，每個(gè)柵格為500 ms；圖4（b）將其放大1 000倍，每柵格為500μs。每幅圖中，上面的1通道為主單元同步信號(hào)，下面的2通道為從單元同步信號(hào)。由圖4(a)可見，同步時(shí)鐘周期為1 024 ms。

　　由于從單元是在收到同步包后，將信號(hào)置0，必定滯后于主單元發(fā)送同步包時(shí)刻（主端將同步信號(hào)置0時(shí)刻）,從圖4(b)中可見，從單元脈沖寬度比主單元寬，因此只需比對同步信號(hào)的上升沿。圖4（b）是將圖像保持時(shí)間置為無限，信號(hào)上升沿處陰影表示運(yùn)行時(shí)間以來的偏移情況。測試時(shí)間為24h(小時(shí))，測量陰影的長度Δx＝20 μs（上升沿偏移），即為同步效果最大的同步偏差可以控制在20 μs以內(nèi)。

　　5 結(jié)論

　　由于系統(tǒng)工作于局域網(wǎng)，借鑒IEEE1588協(xié)議思想，提出并實(shí)現(xiàn)了簡易時(shí)鐘同步的設(shè)想；占用資源少，精度高，可行性高。驗(yàn)證是在實(shí)時(shí)工作狀態(tài)下測試的，并將同步偏差控制在20μs，滿足時(shí)鐘同步的要求；同時(shí)，以FPGA技術(shù)為載體，軟件開發(fā)平臺(tái)為Nios II，易于系統(tǒng)移植和功能擴(kuò)展。鑒于方案的高效和高可行性，可以進(jìn)一步推廣到其他分布式局域網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)中。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王娜, 慕德俊. 分布式試驗(yàn)系統(tǒng)管理中的時(shí)鐘同步技術(shù)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2006(12): 25-27.

　　[2] 桂本烜,馮冬芹,褚健,等. IEEE1588的高精度時(shí)間同步算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2006(4):20-23.

　　[3] IEEE1588, Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworkedMeasurementandControl Systems[S],IEEE15882002 Standard, November 2002.

　　[4] Ferrari P,Flammini A, Marioli D,et al. IEEE 1588based Synchronization System for a Displacement Sensor Network[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2006.

　　[5] Depari A, Ferrari P, Flammini A,et al. Evaluation of Timing Characteristics of Industrial Ethernet Networks Synchronized by means of IEEE 1588[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference,2007.

　　[6] 彭澄廉,周博,等. 挑戰(zhàn)SOC——基于NIOS的SOPC設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2004: 12-15,148-152.</P>