工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的精密時(shí)序

　　表1(下頁(yè))列出了不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )的精度要求。辦公網(wǎng)絡(luò )(局域網(wǎng))僅需一到十毫秒的本地時(shí)鐘精度。毫秒級的時(shí)鐘精密度可以使用稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )時(shí)序協(xié)議(NTP)的軟件協(xié)議很容易地實(shí)現，該協(xié)議適用于操作系統(Windows和Linux)和局域網(wǎng)，實(shí)現了辦公設備的互連。傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )要求本地機器時(shí)鐘與參考時(shí)鐘(或主時(shí)鐘)相差不到0.1微秒。傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )使用獨立的布線(xiàn)來(lái)分發(fā)參考時(shí)間并同步本地時(shí)鐘。新的數據密集型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )要求極具成本效益的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )具有納秒級的時(shí)鐘精度。精密時(shí)序協(xié)議2.0版(PTP v2.0)設計用于為“盡力而為”型的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )提供納秒級的時(shí)鐘精度。PTP v2.0通過(guò)盡可能地接近網(wǎng)絡(luò )接口，在硬件中實(shí)現時(shí)間戳和同步算法，從而實(shí)現納秒級的時(shí)鐘精度。

　　表1：各種應用所需的時(shí)鐘精度　　

 

　　精密時(shí)序協(xié)議2.0版(IEEE 1588 2.0版)

　　精密時(shí)序協(xié)議(PTP)的目的是在不需要一個(gè)單獨且昂貴的時(shí)序網(wǎng)絡(luò )的情況下，同步機器上的本地時(shí)鐘。PTP是一個(gè)自下而上協(xié)作的協(xié)議，其中本地節點(diǎn)相互通信(通過(guò)消息交換)來(lái)發(fā)現它們中的主時(shí)鐘并且互相同步。由于PTP在數據網(wǎng)絡(luò )中工作，交換機、路由器和操作系統都有不同程度的延時(shí)，它為“時(shí)序數據包”排列優(yōu)先級或創(chuàng )建特定的隊列，其中包含同步的信息。為了消除操作系統和服務(wù)器引入的延遲，協(xié)議處理在硬件(FPGA或ASSP)中實(shí)現，并對時(shí)序數據包使用硬件時(shí)間戳。

　　精密時(shí)序協(xié)議的特性是使用協(xié)作的消息交換算法，從時(shí)鐘計算與主時(shí)鐘之間的“時(shí)間偏移”和“傳輸延遲”。圖4說(shuō)明了PTP的消息流，以確定“時(shí)鐘偏移”和“傳輸延遲”。由于每個(gè)從時(shí)鐘都要計算兩個(gè)變量——偏移和延遲——主從時(shí)鐘需要交換兩組消息。首先，主時(shí)鐘定時(shí)地(通常每秒一次)向所有從時(shí)鐘廣播時(shí)間同步數據包。其次，每個(gè)從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送“延遲請求”消息以確定“傳輸延遲”。兩組消息交換得到兩個(gè)線(xiàn)性方程，從而確定“從時(shí)鐘偏移”和“傳輸延遲”?！　?/p>

圖4：確定主從時(shí)鐘之間偏移的機制

　　FPGA實(shí)現

　　實(shí)現精密時(shí)序協(xié)議要求在數據包一到達網(wǎng)絡(luò )接口卡(NIC)時(shí)就進(jìn)行捕捉并標記時(shí)間戳。納秒級精度的分布式時(shí)鐘也需要在硬件中以最小變化執行各種同步步驟。帶有SERDES功能的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了眾多的優(yōu)勢，實(shí)現更接近網(wǎng)絡(luò )接口的精密時(shí)序協(xié)議：

　　1.高速串行接口(SERDES)，迅速捕捉時(shí)序數據包;
　　2.靈活和準確的時(shí)鐘電路(PLL);
　　3.精度可以根據系統要求進(jìn)行調整;
　　4.用于存儲時(shí)序數據包的FIFO隊列，可以在FPGA結構中靠近高速I(mǎi)/O模塊處實(shí)現;
　　5.FPGA中的嵌入式硬件或軟件處理器，也可以用于實(shí)現精密時(shí)序協(xié)議;
　　6.不占用主CPU的外部PTP處理功能;
　　7.不斷發(fā)展的精密時(shí)序協(xié)議可以在靈活的FPGA平臺上實(shí)現輕松升級。

　　總結

　　工業(yè)環(huán)境中主流以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的迅速普及需要使用精密時(shí)序技術(shù)來(lái)同步機器和機器人。精密時(shí)序協(xié)議(IEEE1588)提供了從亞微秒到納米秒級的同步精度。PTP的軟件實(shí)現提供了亞微秒級以上的精度。時(shí)間戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件實(shí)現可提供高達納秒級的精度。隨著(zhù)通信數據傳輸速率的增加，所需的時(shí)序精度呈指數增長(cháng)。PTP v2.0能夠滿(mǎn)足最先進(jìn)的數控機床的嚴格時(shí)序要求。