基于ARM-WinCE平臺的時鐘同步設計

摘要：時鐘同步是分布式系統的核心技術之一，為實現基于ARM—WinCE嵌入式系統平臺的測試儀器組建分布式測試系統，在介紹IEEE1588精確時鐘協議基本原理的基礎上，提出了使用具有IEEE1588協議硬件支持功能的DP83640以太網物理層收發器在基于ARM-WinCE的嵌入式系統平臺上實現時鐘同步的設計方案，給出了硬件設計的接口電路和軟件設計框架。經測試該方案可達到不低于1μs的同步精度。
關鍵詞：時鐘同步；IEEE1588；ARM；WinCE；DP83640

隨著計算機技術、網絡通信技術的進步，組建分布式網絡化測試系統，提高測試效率、共享信息資源，已成為現代測試系統發展的方向。分布式測試系統通過網絡等通信媒介把分布于各測試點、獨立完成特定功能的測試設備連接起來，以達到測試資源共享和協同工作等目的。時鐘同步是分布式系統的核心技術之一，其目的是維護一個全局一致的物理或邏輯時鐘，使得系統內各個節點中與時間有關的信息、事件及行為有一個全局一致的解釋。IEEE1588精確時鐘協議是當前分布式測試系統中時鐘同步研究的熱點。采用硬件支持的IEEE1588協議能夠在以太網中不同結點之間實現納秒級的時鐘同步，為工廠自動化、測試和測量以及通信等領域需要高精度時鐘同步的應用提供了一種有效的解決方案。本文采用具有IEEE1588精確時鐘協議硬件支持功能DP83640芯片在基于ARM和WinCE的嵌入式系統平臺上實現IEEE1588協議，為基于嵌入式系統的智能測試儀器組成分布式測試系統奠定了基礎。

1 IEEE1588協議原理
IEEE1588的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”，簡稱精確時鐘協議(Precision Time Protocol，PIP)。IEEE1588協議是通用的提升網絡系統定時同步能力的規范，在起草過程中主要參考以太網來編制，使分布式通信網絡能夠具有嚴格的定時同步，并且應用于工業自動化系統。基本構思是通過硬件和軟件將網絡設備(客戶機)的內時鐘與主控機的主時鐘實現同步，提供同步建立時間小于10μs的運用，與未執行IEEE1588協議的以太網延遲時間1000μs相比，整個網絡的定時同步指標有顯著的改善。
IEEE1588時鐘協議在進行時鐘同步時，主時鐘設備按照一定的時間間隔(一般為2 s)周期性地以廣播方式發送同步報文(Sync)和同步跟隨報文(FollowUp)，且在FollowUp報文中記錄Sync報文的發送時間戳t1，而從時鐘設備接收Syne報文記錄接收時間戳為t2；然后，從時鐘設備節點定期發送延遲請求報文(Delay_Req)(一般4～60 s發送一次)，并記錄其發送時間戳t3，主時鐘設備接收判延遲請求后，記錄接收時間戳t4，并給相應從節點發送延遲請求響應報文(Delay_Resp)，該報文信息中包古時間戳t4。通過得到的4個時間戳，可以計算出主從時鐘之間的偏移量Toffset和網絡傳輸的線路延遲ms_delay，其過程如圖1所示。