关于工业网络的精密时序问题解析

图3：随数据速率的增加时钟精度要求成倍增长

表1(下页)列出了不同类型网络的精度要求。办公网络(局域网)仅需一到十毫秒的本地时钟精度。毫秒级的时钟精密度可以使用称为网络时序协议(NTP)的软件协议很容易地实现，该协议适用于操作系统(Windows和Linux)和局域网，实现了办公设备的互连。传统的工业网络要求本地机器时钟与参考时钟(或主时钟)相差不到0.1微秒。传统的工业网络使用独立的布线来分发参考时间并同步本地时钟。新的数据密集型工业网络要求极具成本效益的以太网网络具有纳秒级的时钟精度。精密时序协议2.0版(PTP v2.0)设计用于为“尽力而为”型的以太网网络提供纳秒级的时钟精度。PTP v2.0通过尽可能地接近网络接口，在硬件中实现时间戳和同步算法，从而实现纳秒级的时钟精度。

　　表1：各种应用所需的时钟精度　　

　　精密时序协议2.0版(IEEE 1588 2.0版)

　　精密时序协议(PTP)的目的是在不需要一个单独且昂贵的时序网络的情况下，同步机器上的本地时钟。PTP是一个自下而上协作的协议，其中本地 节点相互通信(通过消息交换)来发现它们中的主时钟并且互相同步。由于PTP在数据网络中工作，交换机、路由器和操作系统都有不同程度的延时，它为“时序 数据包”排列优先级或创建特定的队列，其中包含同步的信息。为了消除操作系统和服务器引入的延迟，协议处理在硬件(FPGA或ASSP)中实现，并对时序 数据包使用硬件时间戳。

　　精密时序协议的特性是使用协作的消息交换算法，从时钟计算与主时钟之间的“时间偏移”和“传输延迟”。图4说明了PTP的消息流，以确定“时钟 偏移”和“传输延迟”。由于每个从时钟都要计算两个变量——偏移和延迟——主从时钟需要交换两组消息。首先，主时钟定时地(通常每秒一次)向所有从时钟广 播时间同步数据包。其次，每个从时钟向主时钟发送“延迟请求”消息以确定“传输延迟”。两组消息交换得到两个线性方程，从而确定“从时钟偏移”和“传输延 迟”。　　

　　FPGA实现

　　实现精密时序协议要求在数据包一到达网络接口卡(NIC)时就进行捕捉并标记时间戳。纳秒级精度的分布式时钟也需要在硬件中以最小变化执行各种 同步步骤。带有SERDES功能的现场可编程门阵列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了众多的优势，实现更接近网络接口的精密 时序协议：

　　1.高速串行接口(SERDES)，迅速捕捉时序数据包;
　　2.灵活和准确的时钟电路(PLL);
　　3.精度可以根据系统要求进行调整;
　　4.用于存储时序数据包的FIFO队列，可以在FPGA结构中靠近高速I/O模块处实现;
　　5.FPGA中的嵌入式硬件或软件处理器，也可以用于实现精密时序协议;
　　6.不占用主CPU的外部PTP处理功能;
　　7.不断发展的精密时序协议可以在灵活的FPGA平台上实现轻松升级。

　　总结

　　工业环境中主流以太网网 络的迅速普及需要使用精密时序技术来同步机器和机器人。精密时序协议(IEEE1588)提供了从亚微秒到纳米秒级的同步精度。PTP的软件实现提供了亚 微秒级以上的精度。时间戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件实现可提供高达纳秒级的精度。随着通信数据传输速率的增加，所需的时序精度呈指数增长。PTP v2.0能够满足最先进的数控机床的严格时序要求。