尤志堅(jiān)　代曉倩

摘要：IEEE1588協(xié)議則是專(zhuān)門(mén)為測(cè)控領(lǐng)域而制定的一個(gè)時(shí)間同步協(xié)議，該協(xié)議可以用于包括以太網(wǎng)在內(nèi)的任何支持組播功能的網(wǎng)絡(luò)。該論文介紹了IEEE1588協(xié)議結(jié)構(gòu)，分析了協(xié)議的同步原理。然后詳細(xì)說(shuō)明了協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括軟硬件平臺(tái)以及實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：IEEE1588；PTP時(shí)鐘；STR912；μC/OS-II； LwIP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）07-0085-03

Abstract： IEEE1588 defines a protocol enabling synchronization of clock in measurement and control systems. This protocol will applicable to systems communicating by local area network supporting multicast messaging including， but not limited to， Ethernet. This thesis introduces IEEE1588 protocol and analyses its synchronization method. Then it specifies the implementation of this protocol， including hardware platform and software platform.

Key words： IEEE1588； PTP clock； STR912； μC/OS-II； LwIP

1 協(xié)議簡(jiǎn)介

IEEE1588網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)精確時(shí)間同步協(xié)議，簡(jiǎn)稱(chēng)PTP[1]，主要用于同步分布式網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，尤其適用于同步精度要求很高的控制以及測(cè)量領(lǐng)域。PTP最初由Agilent實(shí)驗(yàn)室的John Eidson以及來(lái)自其他公司和組織的12名成員開(kāi)發(fā)，后來(lái)的到IEEE的贊助，并于2002年11月得到IEEE的批準(zhǔn)[2] [3]。它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步，通過(guò)軟硬件的配合，可以實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)之間的高精度的時(shí)間同步。IEEE1588是針對(duì)相對(duì)本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的[4]。它要求子網(wǎng)較好、內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)定，所以非常適合于工業(yè)自動(dòng)化和測(cè)量環(huán)境。

2 協(xié)議操作綜述

整個(gè)同步系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，在一條PTP通信通道上，存在一個(gè)時(shí)間值被認(rèn)為最準(zhǔn)確的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為主時(shí)鐘，與主時(shí)鐘進(jìn)行同步的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為從時(shí)鐘。各時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過(guò)最佳主時(shí)鐘算法確定為主時(shí)鐘還是從時(shí)鐘。一般選擇精度較高的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘。

主從時(shí)鐘的同步依靠四種消息：Sync消息、Follow_Up消息、Delay_req消息、Delay_Resp消息。主時(shí)鐘定期發(fā)送Sync消息到網(wǎng)絡(luò)中，所有的Sync消息都包含了一個(gè)時(shí)間戳，標(biāo)記了同步消息發(fā)送到PTP通信通道上大的時(shí)間估計(jì)值，該時(shí)間戳以主時(shí)鐘的本地時(shí)間為基準(zhǔn)。為了使其它節(jié)點(diǎn)獲得Sync消息發(fā)送的更準(zhǔn)確時(shí)間，主時(shí)鐘可以在發(fā)送Sync消息之后發(fā)送一個(gè)Follow_Up消息，該消息包含了前一個(gè)Sync消息發(fā)送到通道上的準(zhǔn)確時(shí)間。從時(shí)鐘可以使用Sync消息或者Follow_Up消息中的時(shí)間戳來(lái)更新本地時(shí)間。因?yàn)镾ync消息從主時(shí)鐘發(fā)送到從時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)上會(huì)有一段傳播延遲。通過(guò)估算這個(gè)傳播延遲，可以使從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的同步更為精確。為了計(jì)算傳播延遲，從時(shí)鐘會(huì)發(fā)送一個(gè)Delay_Req消息給主時(shí)鐘，主時(shí)鐘接收到這個(gè)消息后，將返回一個(gè)Delay_Resp消息給從時(shí)鐘，Delay_Resp消息中的時(shí)間戳為主時(shí)鐘接收到Delay_Req的時(shí)間。

3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

本論文使用IEEE1588協(xié)議，即PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的同步模型如圖2所示。

圖中，所有參與同步的時(shí)鐘都是在一個(gè)局域網(wǎng)，底層網(wǎng)絡(luò)采用了以太網(wǎng)。

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為STR912，軟件平臺(tái)為μC/OS-II + LwIP。STR912由STMicroelectronics公司生產(chǎn)，是一款基于ARM966E-S核的MCU[5]。μC/OS-II是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度和任務(wù)搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核。LwIP是TCP/IP協(xié)議棧在嵌入式平臺(tái)上的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。

本論文實(shí)現(xiàn)的PTP時(shí)鐘通過(guò)修改網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)可以在MAC層獲得消息發(fā)送和接收的時(shí)間，因而μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度和消息經(jīng)過(guò)LwIP協(xié)議棧所產(chǎn)生的延遲不會(huì)對(duì)同步的計(jì)算產(chǎn)生影響。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步精度可達(dá)17微秒。

4 展望

本論文在嵌入式平臺(tái)上使用IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘同步，其時(shí)鐘同步精度仍有提升空間，主要體現(xiàn)在：本論文時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間是從STR912的定時(shí)器獲得，通過(guò)定時(shí)器獲取的時(shí)間只達(dá)能到微秒的精度，如果時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)采用更精確的時(shí)間源，那么同步精度也可以隨之更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE std. 1588-2002，Precision Clock Synchronization protocol for networked measurement and control systems， Sept. 2004.

[2]Introduction to IEEE 1588， http：//ieee1588.nist.gov/

[3] John C.Eidson，Recent Advances in IEEE 1588 Technology and Its Applications[J].Agilent Technologies， July 2005.

[4] John C.Eidson，Measurement Control and Communication Using IEEE1588，2006.

[5] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.