IEEE1588和高精度時(shí)間同步的方法

0引言

控制系統中的時(shí)間同步問(wèn)題早就出現，而隨著(zhù)系統范圍的擴大和分散控制的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系的分散控制節點(diǎn)之間的時(shí)間同步變得越來(lái)越重要。系統中時(shí)間的使用通常有兩種不同的應用類(lèi)型：時(shí)間標記性應用和基于頻率的應用。如配電應用可代表時(shí)間標記應用，在這種系統中絕對時(shí)間很重要，因為特定事件的定時(shí)不僅需要與本系統內的其他事件的時(shí)間作比較，而且由于電力系統的連貫性，經(jīng)?？赡苄枰c外部相關(guān)系統的事件的時(shí)間作比較。哪一個(gè)事件先發(fā)生？是電網(wǎng)A先跳閘，還是電網(wǎng)B先跳閘？這些事件相隔多少時(shí)間？在實(shí)際應用中這些事件可能發(fā)生在不同的地理區域。由于這個(gè)原因需要絕對時(shí)間值的概念，并且這個(gè)時(shí)間基準需要校正為世界各地使用的常用時(shí)間。由于特定的事件和報警是被打上時(shí)間標記的，只要這些時(shí)間標記具有相同的基準，就可以在事后進(jìn)行這些事件的時(shí)間順序的分析。

另一方面，在控制系統中存在大量基于頻率的應用，如通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接的多個(gè)分布驅動(dòng)的協(xié)調控制，它們需要精確同時(shí)執行，因為它們不能過(guò)度拉伸或損壞驅動(dòng)機架之間的織物。在這些應用中當這些驅動(dòng)器是同步工作時(shí)過(guò)程最佳。如果每個(gè)驅動(dòng)器精確地在同時(shí)采樣反饋和執行控制算法，同時(shí)執行控制命令，那么作用力的施加是協(xié)調的。在這種應用中絕對時(shí)間不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。

解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是時(shí)間同步，時(shí)間同步的目的就是要將時(shí)間基準準確地傳遞到各控制點(diǎn)，傳遞并不困難，難于達到的是傳遞的精度。在2002年出現的IEEE1588標準（網(wǎng)絡(luò )化測量和控制系統的精確時(shí)鐘同步協(xié)議，通常稱(chēng)為Precision Time Protocol[PTP]）在這方面取得了重大進(jìn)展。使用這個(gè)方法并不需要很多資源就可以達到100納秒級的同步精度。IEEE1588標準出現后得到業(yè)界高度重視，在2002年，2004年舉辦專(zhuān)業(yè)會(huì )議，2006年將舉辦第三次專(zhuān)業(yè)會(huì )議。工業(yè)控制的領(lǐng)先廠(chǎng)商Rockwell，Siemens等立即投入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，IEC已將它轉化為IEC61588－2004標準，這個(gè)標準已為Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太網(wǎng)的總線(xiàn)采用，成為當前普遍采用的方法。

1 IEEE1588標準

IEEE1588標準，規定了將分散在測量和控制系統內的分離節點(diǎn)上獨立運行的時(shí)鐘，同步到一個(gè)高精度和準確度的協(xié)議。這些時(shí)鐘是在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )中互相通信的。按這個(gè)基本格式，這個(gè)協(xié)議要形成樹(shù)形的管理，使系統內的這些時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)主從關(guān)系。在一個(gè)給定子網(wǎng)中包括多個(gè)節點(diǎn)，每一個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)時(shí)鐘。時(shí)鐘之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )連接。IEEE1588規定了子網(wǎng)的劃分規則，它是按時(shí)鐘的級別劃分子網(wǎng)，一個(gè)子網(wǎng)只有一個(gè)1級或2級時(shí)鐘。在一個(gè)子網(wǎng)中只有一個(gè)主時(shí)鐘，從時(shí)鐘從主時(shí)鐘得到時(shí)間，所有時(shí)鐘最終都是從一個(gè)稱(chēng)為祖母時(shí)鐘那里得到它的時(shí)間。任何時(shí)鐘和它的祖母時(shí)鐘之間的通信路徑都是最小跨度樹(shù)的一部分。

分布時(shí)鐘的PTP系統由普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘組成。普通時(shí)鐘是只有一個(gè)PTP端口的時(shí)鐘，邊界時(shí)鐘是帶兩個(gè)或多個(gè)不同的PTP通信路徑的端口的時(shí)鐘。如一個(gè)可在它的端口上實(shí)現PTP協(xié)議的交換機就是一個(gè)邊界時(shí)鐘。很明顯普通時(shí)鐘只有接收時(shí)間的能力，邊界時(shí)鐘具有傳遞時(shí)間的能力。

系統中的一個(gè)時(shí)鐘可選為主時(shí)鐘，由主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送同步報文，通過(guò)報文傳遞時(shí)鐘信息。圖1是一個(gè)配置的例子。

圖1－帶祖母時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘和從時(shí)鐘的系統例子

2 PTP時(shí)鐘的協(xié)議模型

圖1是PTP子域的例子，最上面的是這個(gè)子域的祖母時(shí)鐘，它是一個(gè)GPS（Global Positioning Satellite System是由美國國防部維持的系統，來(lái)自GPS的時(shí)間可以達到10～100ns的精度范圍）時(shí)鐘，是這個(gè)子域的時(shí)間源，下面通過(guò)父子結構的時(shí)鐘端口構成傳遞系統。這個(gè)結構的根是祖母時(shí)鐘，這個(gè)結構的每一個(gè)分支點(diǎn)通常需要一個(gè)邊界時(shí)鐘，這點(diǎn)上從根進(jìn)一步分支方向的所有時(shí)鐘端口必須是主或父代端口，而有一個(gè)端口是同步到更加靠近根的時(shí)鐘的從端口。分支到最后（不是根方向）的端口必定是從端口或不活動(dòng)（Passive）端口（不活動(dòng)端口的通信路徑上，除非另外規定不應當發(fā)生報文）。

3 PTP同步機制

IEEE1588定義了四種同步報文Sync，Follow_up ,Delay_Request , Delay_Response , 和一組管理報文。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們先考慮一個(gè)主時(shí)鐘與一個(gè)從時(shí)鐘的同步過(guò)程：

1，主節點(diǎn)每2秒鐘（同步報文的間隔是可設置的，這里假設為2秒）向從節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)“同步”（Sync）報文。這個(gè)報文是由主節點(diǎn)打上預計的發(fā)送時(shí)間標記的報文，但是由于預計的發(fā)送時(shí)間和實(shí)際的發(fā)送報文發(fā)送本身可能的延遲，實(shí)際時(shí)間標記不能隨“同步”報文一起發(fā)送。這個(gè)“同步”報文在接收端被從節點(diǎn)打上接收時(shí)間標記（為了提高精度，應在物理層或接近物理層的位置檢測、記錄和標識發(fā)送或接收時(shí)間）。IEEE1588規范制定了可選件“硬件輔助”設計來(lái)實(shí)現這個(gè)精度的提高。