精密时钟同步协议V2.0的研究与实现

admin · 发表于 2023-9-29 17:40:43

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时钟同步是分布式系统的一项重要研究课题，在分布式数据采集、电力系统自动化、移动通信等领域有大量的应用需求。IEEE在2002年发布了一种时钟同步的标准——精密时钟同步协议(PTP)，2008年又推出该协议的第二版（PTPv2）。该标准和底层的网络拓扑结构和传输介质无关，具备亚微秒级的同步精度的能力，适用性广。本课题主要对PTPv2的同步机制、影响同步精度的因素和时钟伺服算法进行研究，并设计软硬件实现方案。首先对PTP的基本同步机制进行分析，包括时钟模型、最佳主时钟算法和延迟测量机制。对2.0版本的新特征进行了介绍，分析了点对点延迟测量机制，单步时钟模型，线性及混合网络拓扑。重点介绍了透明时钟模型，包括点对点透明时钟和端对端透明时钟，总结了两种时钟模型的优点及应用领域。然后对影响同步精度的因素进行了详细分析。提出时间标签的捕捉位置、主从时钟频率偏差、同步间隔三个影响因素。对时钟伺服算法进行了专门研究，采用了一种固定周期的时钟伺服方法。同传统PI调节技术相比，该方法调节速度快、软硬件实施简单。在此基础上，提出了基于MCU+FPGA的硬件实现方案。之后介绍了PTPv2软件系统的设计。整个协议进程运行在Linux平台上，分为端口状态处理、消息的接收和解析、最佳主时钟算法三个模块进行设计。 FPGA实现了时间标签的捕获、时钟伺服和可调时钟等逻辑功能。FPGA实时监测RMII总线上的数据帧，根据同步消息包特定的包头识别消息并捕获时间标签。时钟伺服为时钟模块提供可变的周期值，以消除绝对时间偏差和频率偏差。可调时钟提供灵活的时间调节方式，包括频率调节和绝对时间调节，并对外输出PPS脉冲信号。最后对设计方案的同步误差进行了测试。两个时钟节点在点对点直连的情况下进行同步，稳定后主从时钟的最大同步误差在70ns以内，该同步精度已接近实验环境所能达到的理论极限水平。对进一步提高精度的可行性方案进行了讨论。

精密时钟同步协议V2.0的研究与实现

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