一種基于sopc組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法及系統(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)的亞微秒級時鐘同步方法及系統(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)中各個分布式控制器對時間同步的精度要求也越來越高。目前，在通信領(lǐng)域各個基站或 移動設(shè)備之間、各個地域的電力電網(wǎng)系統(tǒng)的時間要求統(tǒng)一、軍事航天裝置等領(lǐng)域?qū)r間同 步提出了微秒級要求，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)對各控制節(jié)點也提出了微秒級的時鐘同步要求。
[0003] IE邸1588協(xié)議自2002年誕生W來，已經(jīng)成為各相關(guān)領(lǐng)域的研究人員的研究熱點。 IE邸1588協(xié)議全稱為"網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)時間同步協(xié)議標準"，又簡稱為PTP(Precision TimeProtocol,精準時間同步協(xié)議），其提供了亞微秒級的同步精度，克服了傳統(tǒng) GPS(Global化sitioningSystem,全球定位系統(tǒng)）授時技術(shù)的局限性。IE邸委員會在2008 年頒布IE邸1588標準第二版（IE邸1588V2)，其最大技術(shù)突破就是引入了透明時鐘，針對 PTP報文在傳輸過程中經(jīng)過各網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的不確定性時延做了補償，使其同步精度更高。
[0004] 對于精準時間同步PTP實現(xiàn)的研究及設(shè)計，已有許多研究者對其進行了研究，目 前的時間同步的研究總體上設(shè)及W下幾個方面，純粹計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及方法、無線網(wǎng) 絡(luò)時鐘同步、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、硬件時間戳實現(xiàn)方式、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲、時鐘頻率補償。然而，現(xiàn) 有技術(shù)對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式嵌入式控制器，尤其是針對于大規(guī)模PLC控制系統(tǒng)的時鐘同 步系統(tǒng)的整體架構(gòu)及方法設(shè)計鮮少。
[0005] 有鑒于此，有必要提供一種可W基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的其中一個目的在于為解決上述問題而提供一種基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒 級時鐘同步方法，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法，包括：遠程基準主父時鐘 與來自外部GI^時鐘或北斗系統(tǒng)時鐘的世界協(xié)調(diào)時UTC進行同步；本地一級PTP域各節(jié)點 通過支持透明時鐘功能的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與遠程基準主父時鐘進行同步；每個基于巧nq平 臺的從時鐘設(shè)備支持IE邸1588V2協(xié)議W及千兆W太網(wǎng)，接收來本級網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)主時鐘進 行時間同步和頻率同步；下級PTP域通過邊界時鐘與主父時鐘同步時，經(jīng)由上級主時鐘進 行時鐘同步，本級PTP域掌握自主時鐘同步控制權(quán)期間，通過最佳主時鐘算法選出最佳主 時鐘作為本級網(wǎng)絡(luò)的主時鐘。
[0008] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法的一種改進，所述邊 界時鐘與所述主父時鐘同步時，經(jīng)由上級主時鐘進行同步，再進入下一級PTP域的各節(jié)點 進行時鐘同步；并且，在本級PTP域自主控制時鐘同步期間，通過最佳主時鐘算法BMC選出 最佳主時鐘。
[0009] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法的一種改進，對于時 間同步精度相對要求較低的下一級PTP域，其初始主時鐘來自與上一級主時鐘同步的邊界 時鐘通過BMC產(chǎn)生；本級PTP域在一定時間內(nèi)，自主控制時間同步請求頻率，其主時鐘在本 級PTP域各節(jié)點設(shè)備進行BMC挾擇，但其邊界時鐘需定時進行與上級主時鐘進行同步，W保 證本PTP域的絕對時間同步在預(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)的亞微秒級時鐘同步方法的一種改進，每個從 節(jié)點設(shè)備接收主設(shè)備發(fā)來的PTP消息報文分為事件消息報文和普通消息報文，其中，所述 從節(jié)點設(shè)備在接收或者發(fā)送所述事件消息報文時應(yīng)標記時間戳，而在接收到所述普通消息 報文時則不需標記時間戳，并且在MC與PHY層之間的XGMII層進行時間標記。
[0011] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法的一種改進，主時鐘 設(shè)備向PTP域W多播形式發(fā)送時鐘同步報文，并標記第一發(fā)送時間戳ti，并發(fā)送攜帶由所述 第一發(fā)送時間戳ti的跟隨報文給從時鐘設(shè)備；從時鐘設(shè)備接收到所述時間同步報文時標記 第一接收時間戳t2,并延遲一段時間再向主時鐘設(shè)備發(fā)送延遲請求報文并記錄第二發(fā)送時 間戳t3;主時鐘設(shè)備收到所述延遲請求報文時記錄第二接收時間戳14,并向從時鐘設(shè)備返 回攜帶所述第二接收時間戳t4的延時響應(yīng)報文；其中，上述報文由透明時鐘計算經(jīng)過每個 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的駐留時間，并將其填充到校正域字段CF,從時鐘設(shè)備已獲得有效時間按照 同步計算公式進行同步，同時也根據(jù)頻率偏差計算公式進行頻率補償修正。
[0012] 本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)，采用如上所述的時鐘同 步方法進行時鐘同步，其中，所述時鐘同步系統(tǒng)的主父時鐘包括GI^接收器、GI^解析預(yù)處 理單元、時間輸入單元、本地時間控制單元、時間戳標記單元、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存儲器。
[0013] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)的一種改進，所述GPS 接收器接收來自GI^的世界協(xié)調(diào)時UTC時間報文，所述GI^解析預(yù)處理單元判斷所述UTC時 間報文是否接收正常，并在接收正常時從所述UTC時間報文解析出UTC時間，并且通過所述 時間輸入單元將所述UTC時間信息輸送給所述本地時間控制單元；所述本地時間控制單元 在接收到所述UTC時間報文時立即產(chǎn)生中斷并開始計時，將所述UTC時間報文接收處理完 成所用時間累加作為所述主父時鐘的本地系統(tǒng)時間；在UTC時間報文接收出現(xiàn)異常時使用 所述主父時鐘的本地時間控制計數(shù)器對所述本地恒溫晶振進行計數(shù)維持本地時間，并且， 經(jīng)過所述本地時間控制單元仲裁出有效時間輸出給所述時間戳標記單元；所述時間戳標記 單元基于IEEE1588協(xié)議標記時間戳，并通過所述光纖模塊進行差分信號傳輸；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文，其所需的時間信息由所述時間戳標 記單元將處理好的時間提供；另外，所述應(yīng)用處理器通過AXI互聯(lián)對其進行寄存器控制，并 通過AXIDMA及互聯(lián)與孤R3進行數(shù)據(jù)流交互。
[0014] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)的一種改進，所述透 明時鐘除了具有普通的橋、路由器或中繼器轉(zhuǎn)發(fā)報文功能外，對于PTP事件消息，駐留時間 橋還用于測量PTP事件消息穿過所述透明時鐘的駐留時間，并把所述駐留時間填充到PTP報文的特定字段并跟隨報文一起轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。
[0015] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)的一種改進，還包括 備用主父時鐘，所述備用時鐘和所述主父時鐘共用同一GI^接收器并使用同一時間源；其 中，所述備用時鐘和所述主父時鐘是相對的，在初始使用所述主父時鐘，兩者也隔相對較長 一段時間進行時鐘狀態(tài)BMC比較切換，所述時鐘同步系統(tǒng)選擇較優(yōu)時鐘作為主父時鐘作為 基準時鐘；所述備用時鐘還用于在所述主父時鐘出現(xiàn)故障時作為基準主父時鐘，且在所述 備用時鐘和所述主父時鐘出現(xiàn)故障時一級PTP域通過BMC選取最佳主時鐘充當基準主父時 鐘，使整個網(wǎng)絡(luò)達到相對時間同步。
[0016] 作為本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)的一種改進，所述基 于巧nq平臺的節(jié)點設(shè)備的PTP軟硬件系統(tǒng)設(shè)計包括應(yīng)用處理單元、參考時鐘源模塊、DDR3 存儲器、時間戳標記單元、時鐘頻率補償模塊，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， 所述時間戳標記單元使用可編程邏輯實現(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；所述時間戳標記單元的時鐘輸入由外部時鐘產(chǎn)生，在需使 用化邏輯實現(xiàn)同步計算時，在IOGW太網(wǎng)物理編碼和物理媒體附加子層所標記的單獨分離 的時間輸出端口進行邏輯設(shè)計，同時支持帶內(nèi)時間傳輸給所述應(yīng)用處理器進行計算，所述 應(yīng)用處理器經(jīng)過頻率補償計算后再反饋到所述時間戳標記單元糾正計時頻率。
[0017] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法和系統(tǒng) 具有W下有益效果：
[0018] 一、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法和系統(tǒng)采用分層式組網(wǎng)進時間 同步，其主父時鐘源采用GI^授時，能達到與世界協(xié)調(diào)時UTC的納秒（ns)級高精度同步；
[0019] 二、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步系統(tǒng)采用分層式同步的方法，根據(jù)不 同同步精度的要求進行分層，能夠保證精度要求的同時還能提升效率；
[0020] =、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法和系統(tǒng)采用透明時鐘與邊界時 鐘作為遠距離同步報文傳輸?shù)慕粨Q設(shè)備，能夠?qū)Ψ谴_定性網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲進行時間補償；
[0021] 四、所述基于SOPC組網(wǎng)的亞微秒級時鐘同步方法和系統(tǒng)對從時鐘的頻率進行補 償修正，進一步提高同步精