一種基于sopc組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要設(shè)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別地，設(shè)及一種基于S0PC(Systemona Programm油Ie化ip,可編程片上系統(tǒng)）組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，分布式網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，且在分布式網(wǎng) 絡(luò)中各個(gè)分布式控制器對(duì)時(shí)間同步的精度要求也越來(lái)越高。目前，在通信領(lǐng)域各個(gè)基站或 移動(dòng)設(shè)備之間、各個(gè)地域的電力電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間要求統(tǒng)一、軍事航天裝置等領(lǐng)域?qū)r(shí)間同 步提出了微秒級(jí)要求，在網(wǎng)絡(luò)金融領(lǐng)域的網(wǎng)上銀行交易、股市證券交易也都要求高精度的 時(shí)間同步，尤其是正在研究的大規(guī)?；疌(Programm油IeLogicController,可編程邏輯控 制器）控制系統(tǒng)對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)也提出了微秒級(jí)的時(shí)鐘同步要求。
[0003] IE邸1588協(xié)議自2002年誕生W來(lái)，已經(jīng)成為各相關(guān)領(lǐng)域的研究人員的研究熱點(diǎn)。 IE邸1588協(xié)議全稱為"網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)時(shí)間同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)"，又簡(jiǎn)稱為PTP(Precision TimeProtocol,精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議），其提供了亞微秒級(jí)的同步精度，克服了傳統(tǒng) GPS(Global化sitioningSystem,全球定位系統(tǒng)）授時(shí)技術(shù)的局限性。IE邸委員會(huì)在2008 年頒布IE邸1588標(biāo)準(zhǔn)第二版（IE邸1588V2)，其最大技術(shù)突破就是引入了透明時(shí)鐘，針對(duì) PTP報(bào)文在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)各網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的不確定性時(shí)延做了補(bǔ)償，使其同步精度更高。
[0004] 對(duì)于精準(zhǔn)時(shí)間同步PTP實(shí)現(xiàn)的研究及設(shè)計(jì)，已有許多研究者對(duì)其進(jìn)行了研究，目 前的時(shí)間同步的研究總體上設(shè)及W下幾個(gè)方面，純粹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法、無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)時(shí)鐘同步、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、硬件時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)方式、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲、時(shí)鐘頻率補(bǔ)償。然而，現(xiàn) 有技術(shù)對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式嵌入式控制器，尤其是針對(duì)于大規(guī)模PLC控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同 步系統(tǒng)的整體架構(gòu)及方法設(shè)計(jì)鮮少。
[0005] 有鑒于此，有必要提供一種可W基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的其中一個(gè)目的在于為解決上述問(wèn)題而提供一種基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒 級(jí)時(shí)鐘同步方法，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法，包括：遠(yuǎn)程基準(zhǔn)主父時(shí)鐘 與來(lái)自外部GI^時(shí)鐘或北斗系統(tǒng)時(shí)鐘的世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC進(jìn)行同步；本地一級(jí)PTP域各節(jié)點(diǎn) 通過(guò)支持透明時(shí)鐘功能的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與遠(yuǎn)程基準(zhǔn)主父時(shí)鐘進(jìn)行同步；每個(gè)基于巧nq平 臺(tái)的從時(shí)鐘設(shè)備支持IE邸1588V2協(xié)議W及千兆W太網(wǎng)，接收來(lái)本級(jí)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)主時(shí)鐘進(jìn) 行時(shí)間同步和頻率同步；下級(jí)PTP域通過(guò)邊界時(shí)鐘與主父時(shí)鐘同步時(shí)，經(jīng)由上級(jí)主時(shí)鐘進(jìn) 行時(shí)鐘同步，本級(jí)PTP域掌握自主時(shí)鐘同步控制權(quán)期間，通過(guò)最佳主時(shí)鐘算法選出最佳主 時(shí)鐘作為本級(jí)網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘。
[0008] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法的一種改進(jìn)，所述邊 界時(shí)鐘與所述主父時(shí)鐘同步時(shí)，經(jīng)由上級(jí)主時(shí)鐘進(jìn)行同步，再進(jìn)入下一級(jí)PTP域的各節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行時(shí)鐘同步；并且，在本級(jí)PTP域自主控制時(shí)鐘同步期間，通過(guò)最佳主時(shí)鐘算法BMC選出 最佳主時(shí)鐘。
[0009] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法的一種改進(jìn)，對(duì)于時(shí) 間同步精度相對(duì)要求較低的下一級(jí)PTP域，其初始主時(shí)鐘來(lái)自與上一級(jí)主時(shí)鐘同步的邊界 時(shí)鐘通過(guò)BMC產(chǎn)生；本級(jí)PTP域在一定時(shí)間內(nèi)，自主控制時(shí)間同步請(qǐng)求頻率，其主時(shí)鐘在本 級(jí)PTP域各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行BMC挾擇，但其邊界時(shí)鐘需定時(shí)進(jìn)行與上級(jí)主時(shí)鐘進(jìn)行同步，W保 證本PTP域的絕對(duì)時(shí)間同步在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)。
[0010] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法的一種改進(jìn)，每個(gè)從 節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收主設(shè)備發(fā)來(lái)的PTP消息報(bào)文分為事件消息報(bào)文和普通消息報(bào)文，其中，所述 從節(jié)點(diǎn)設(shè)備在接收或者發(fā)送所述事件消息報(bào)文時(shí)應(yīng)標(biāo)記時(shí)間戳，而在接收到所述普通消息 報(bào)文時(shí)則不需標(biāo)記時(shí)間戳，并且在MC與PHY層之間的XGMII層進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。
[0011] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法的一種改進(jìn)，主時(shí)鐘 設(shè)備向PTP域W多播形式發(fā)送時(shí)鐘同步報(bào)文，并標(biāo)記第一發(fā)送時(shí)間戳ti，并發(fā)送攜帶由所述 第一發(fā)送時(shí)間戳ti的跟隨報(bào)文給從時(shí)鐘設(shè)備；從時(shí)鐘設(shè)備接收到所述時(shí)間同步報(bào)文時(shí)標(biāo)記 第一接收時(shí)間戳t2,并延遲一段時(shí)間再向主時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文并記錄第二發(fā)送時(shí) 間戳t3;主時(shí)鐘設(shè)備收到所述延遲請(qǐng)求報(bào)文時(shí)記錄第二接收時(shí)間戳14,并向從時(shí)鐘設(shè)備返 回?cái)y帶所述第二接收時(shí)間戳t4的延時(shí)響應(yīng)報(bào)文；其中，上述報(bào)文由透明時(shí)鐘計(jì)算經(jīng)過(guò)每個(gè) 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的駐留時(shí)間，并將其填充到校正域字段CF,從時(shí)鐘設(shè)備已獲得有效時(shí)間按照 同步計(jì)算公式進(jìn)行同步，同時(shí)也根據(jù)頻率偏差計(jì)算公式進(jìn)行頻率補(bǔ)償修正。
[0012] 本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，采用如上所述的時(shí)鐘同 步方法進(jìn)行時(shí)鐘同步，其中，所述時(shí)鐘同步系統(tǒng)的主父時(shí)鐘包括GI^接收器、GI^解析預(yù)處 理單元、時(shí)間輸入單元、本地時(shí)間控制單元、時(shí)間戳標(biāo)記單元、光纖模塊、本地恒溫晶振、PS 部分和化部分交互的AXI互聯(lián)和AXI-DMA互聯(lián)、IOGW太網(wǎng)MC控制器、IOGW太網(wǎng)物理編 碼和物理媒體附加子層、應(yīng)用處理器和孤R3存儲(chǔ)器。
[0013] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述GPS 接收器接收來(lái)自GI^的世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC時(shí)間報(bào)文，所述GI^解析預(yù)處理單元判斷所述UTC時(shí) 間報(bào)文是否接收正常，并在接收正常時(shí)從所述UTC時(shí)間報(bào)文解析出UTC時(shí)間，并且通過(guò)所述 時(shí)間輸入單元將所述UTC時(shí)間信息輸送給所述本地時(shí)間控制單元；所述本地時(shí)間控制單元 在接收到所述UTC時(shí)間報(bào)文時(shí)立即產(chǎn)生中斷并開始計(jì)時(shí)，將所述UTC時(shí)間報(bào)文接收處理完 成所用時(shí)間累加作為所述主父時(shí)鐘的本地系統(tǒng)時(shí)間；在UTC時(shí)間報(bào)文接收出現(xiàn)異常時(shí)使用 所述主父時(shí)鐘的本地時(shí)間控制計(jì)數(shù)器對(duì)所述本地恒溫晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)維持本地時(shí)間，并且， 經(jīng)過(guò)所述本地時(shí)間控制單元仲裁出有效時(shí)間輸出給所述時(shí)間戳標(biāo)記單元；所述時(shí)間戳標(biāo)記 單元基于IEEE1588協(xié)議標(biāo)記時(shí)間戳，并通過(guò)所述光纖模塊進(jìn)行差分信號(hào)傳輸；所述IOGW 太網(wǎng)物理編碼和物理媒體附加子層解析處理同步報(bào)文，其所需的時(shí)間信息由所述時(shí)間戳標(biāo) 記單元將處理好的時(shí)間提供；另外，所述應(yīng)用處理器通過(guò)AXI互聯(lián)對(duì)其進(jìn)行寄存器控制，并 通過(guò)AXIDMA及互聯(lián)與孤R3進(jìn)行數(shù)據(jù)流交互。
[0014] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述透 明時(shí)鐘除了具有普通的橋、路由器或中繼器轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文功能外，對(duì)于PTP事件消息，駐留時(shí)間 橋還用于測(cè)量PTP事件消息穿過(guò)所述透明時(shí)鐘的駐留時(shí)間，并把所述駐留時(shí)間填充到PTP報(bào)文的特定字段并跟隨報(bào)文一起轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。
[0015] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的一種改進(jìn)，還包括 備用主父時(shí)鐘，所述備用時(shí)鐘和所述主父時(shí)鐘共用同一GI^接收器并使用同一時(shí)間源；其 中，所述備用時(shí)鐘和所述主父時(shí)鐘是相對(duì)的，在初始使用所述主父時(shí)鐘，兩者也隔相對(duì)較長(zhǎng) 一段時(shí)間進(jìn)行時(shí)鐘狀態(tài)BMC比較切換，所述時(shí)鐘同步系統(tǒng)選擇較優(yōu)時(shí)鐘作為主父時(shí)鐘作為 基準(zhǔn)時(shí)鐘；所述備用時(shí)鐘還用于在所述主父時(shí)鐘出現(xiàn)故障時(shí)作為基準(zhǔn)主父時(shí)鐘，且在所述 備用時(shí)鐘和所述主父時(shí)鐘出現(xiàn)故障時(shí)一級(jí)PTP域通過(guò)BMC選取最佳主時(shí)鐘充當(dāng)基準(zhǔn)主父時(shí) 鐘，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到相對(duì)時(shí)間同步。
[0016] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述基 于巧nq平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備的PTP軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括應(yīng)用處理單元、參考時(shí)鐘源模塊、DDR3 存儲(chǔ)器、時(shí)間戳標(biāo)記單元、時(shí)鐘頻率補(bǔ)償模塊，光纖模塊、PS部分與化部分交互的AXI互聯(lián) 及AXI-DMA互聯(lián)、IOGW太網(wǎng)MC控制器、IOGW太網(wǎng)物理編碼和物理媒體附加子層；其中， 所述時(shí)間戳標(biāo)記單元使用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)，嵌在收發(fā)器PHY層與MC之間的XGMII層，具體 為IOGW太網(wǎng)物理編碼和物理媒體附加子層PCS/PMA，采用64位計(jì)數(shù)器，高32位為秒域，低 30位為納秒域，30~3化it保留；所述時(shí)間戳標(biāo)記單元的時(shí)鐘輸入由外部時(shí)鐘產(chǎn)生，在需使 用化邏輯實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算時(shí)，在IOGW太網(wǎng)物理編碼和物理媒體附加子層所標(biāo)記的單獨(dú)分離 的時(shí)間輸出端口進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，同時(shí)支持帶內(nèi)時(shí)間傳輸給所述應(yīng)用處理器進(jìn)行計(jì)算，所述 應(yīng)用處理器經(jīng)過(guò)頻率補(bǔ)償計(jì)算后再反饋到所述時(shí)間戳標(biāo)記單元糾正計(jì)時(shí)頻率。
[0017] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法和系統(tǒng) 具有W下有益效果：
[0018] 一、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法和系統(tǒng)采用分層式組網(wǎng)進(jìn)時(shí)間 同步，其主父時(shí)鐘源采用GI^授時(shí)，能達(dá)到與世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC的納秒（ns)級(jí)高精度同步；
[0019] 二、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)采用分層式同步的方法，根據(jù)不 同同步精度的要求進(jìn)行分層，能夠保證精度要求的同時(shí)還能提升效率；
[0020] =、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法和系統(tǒng)采用透明時(shí)鐘與邊界時(shí) 鐘作為遠(yuǎn)距離同步報(bào)文傳輸?shù)慕粨Q設(shè)備，能夠?qū)Ψ谴_定性網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償；
[0021] 四、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步方法和系統(tǒng)對(duì)從時(shí)鐘的頻率進(jìn)行補(bǔ) 償修正，進(jìn)一步提高同步精