工業網絡的精密時序

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

　　表1：各種應用所需的時鐘精度　　

 

　　精密時序協議2.0版(IEEE 1588 2.0版)

　　精密時序協議(PTP)的目的是在不需要一個單獨且昂貴的時序網絡的情況下，同步機器上的本地時鐘。PTP是一個自下而上協作的協議，其中本地節點相互通信(通過消息交換)來發現它們中的主時鐘并且互相同步。由于PTP在數據網絡中工作，交換機、路由器和操作系統都有不同程度的延時，它為“時序數據包”排列優先級或創建特定的隊列，其中包含同步的信息。為了消除操作系統和服務器引入的延遲，協議處理在硬件(FPGA或ASSP)中實現，并對時序數據包使用硬件時間戳。

　　精密時序協議的特性是使用協作的消息交換算法，從時鐘計算與主時鐘之間的“時間偏移”和“傳輸延遲”。圖4說明了PTP的消息流，以確定“時鐘偏移”和“傳輸延遲”。由于每個從時鐘都要計算兩個變量——偏移和延遲——主從時鐘需要交換兩組消息。首先，主時鐘定時地(通常每秒一次)向所有從時鐘廣播時間同步數據包。其次，每個從時鐘向主時鐘發送“延遲請求”消息以確定“傳輸延遲”。兩組消息交換得到兩個線性方程，從而確定“從時鐘偏移”和“傳輸延遲”。　　

圖4：確定主從時鐘之間偏移的機制

　　FPGA實現

　　實現精密時序協議要求在數據包一到達網絡接口卡(NIC)時就進行捕捉并標記時間戳。納秒級精度的分布式時鐘也需要在硬件中以最小變化執行各種同步步驟。帶有SERDES功能的現場可編程門陣列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了眾多的優勢，實現更接近網絡接口的精密時序協議：

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

　　總結

　　工業環境中主流以太網網絡的迅速普及需要使用精密時序技術來同步機器和機器人。精密時序協議(IEEE1588)提供了從亞微秒到納米秒級的同步精度。PTP的軟件實現提供了亞微秒級以上的精度。時間戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件實現可提供高達納秒級的精度。隨著通信數據傳輸速率的增加，所需的時序精度呈指數增長。PTP v2.0能夠滿足最先進的數控機床的嚴格時序要求。