分布式數據采集系統中的時鐘同步

　　1.3 同步實現

　　如圖2所示,從端發出延遲統計包，主端反饋后，從端求得Delay。在每個整秒左右時刻收到同步包后，進行時鐘修正，即從屬時鐘與主時鐘實現了精確同步[5]。

圖2 同步過程

　　2 分布式數據采集系統簡介

　　分布式數據采集系統屬于局域網構架，單元間通過網絡進行數據交互,由集線器和微采集系統組成，每個微采集器成為一個獨立“單元”。可以支持一主多從的分布式模型：設置其中一個微采集系統作為主單元，其他的作為從單元。分布數據采集系統結構框圖如圖3所示。

圖3 分布數據采集系統結構框圖

　　各個單元的設計完全相同，均由一個系統控制板和多個功能板構成。系統控制板是采集器的核心，它控制著單元內的各個功能卡的配置和單元內的數據傳輸，同時保持與外部通信。功能板用以實現A/D、FIFO處理等功能，用于數據采集和傳送。各個單元中的所有板卡皆采用獨立時鐘。

　　此分布式采集系統中各個單元構成一個星形網。系統控制板成為星形網絡中的節點，節點間用網線相連。系統符合協議IEEE802.3、CSMA/CD標準，可以與標準的以太網完美兼容。

　　3 基于FPGA的實現

　　3.1 分布式系統中各個單元的體系結構

　　由于FPGA開發靈活，精度上能達到系統要求，開發周期短，且成本低。系統中各個系統控制板采用FPGA技術，即采用微控制器及其對應的外設接口和相應的軟件來實現[6]。利用Nios II處理體系，將系統劃分為各個功能模塊，并考慮到系統所需的資源和生成代碼的大小。設計的系統由以下幾部分組成：Altera的Cyclone系列芯片，包括嵌入Nios II軟核、系統定時器、同步時鐘定時器、DM9000A以及Avalon總線等設計。

　　網絡接口芯片DM9000A實現以太網媒體介質訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能。系統采用無鏈接的UDP通信，且采用多個定時器，用于時鐘同步和工作周期的制定。

　　3.2 具體軟件設計流程

　　同步定時器每秒鐘產生一次中斷。作為同步時鐘，另一個定時器將一個同步周期劃分為幾個等時段，為工作周期。主從單元通過網絡互相交換數據，在每一個系統周期內將各自的數據發送到網絡中。為了預防發送時刻點的沖突，在配置信息中注明每個周期該單元的發送時刻。

　　系統有以下幾種狀態:初始狀態、預同步狀態、實時工作狀態。

　　① 初始狀態：分布式系統上電后,主從單元進入初始狀態對各項參數進行初始化，注冊timer中斷和網絡中斷等。初始化后進入預同步狀態。

　　② 預同步狀態：主要是每小時進行一次網絡延時的測量，然后從端會將自己與主端的一次傳輸時延保存起來。

　　③ 實時工作狀態：預同步完畢后各單元進入實時工作狀態。一小時后又再次進入預同步狀態。實時工作狀態將處理多個線程。

　　（1） 同步線程

　　① 主單元，將同步timer的周期置為1 s的同步約定周期，即每1s產生1次中斷。主單元會在每秒到來時刻（中斷），發出同步包（syns）。

　　② 從端在接收到同步包后，調整定時器時鐘為同步包內時刻與時延之和。

　　（2） 數據傳輸

　　線程系統在避開同步階段的時刻進行實時數據的傳輸，主要是根據系統對各個工作周期的劃定。

　　（3） 數據采集和處理線程

　　由系統中各單元的各自任務來決定，不占用網絡。對傳感器采集數據進行處理，同時也處理網絡傳送來的數據。

　　4 同步測試

　　在系統的實時工作狀態下，驗證其同步效果。由于同步定時器產生的脈沖為一個系統時鐘寬度（32MHz）,不便于觀察。為了便于演示，主從端都在定時器產生的同步時鐘上升沿到達時將同步信號置1,主單元在發送完同步包后將同步信號置0；從單元則在收到同步包后將同步信號置0。這樣得到的信號與定時器產生的同步時鐘是同頻的，只是放寬了脈沖寬度。同步效果如圖4所示。

圖4 同步效果

　　圖4 (a)中，每個柵格為500 ms；圖4（b）將其放大1 000倍，每柵格為500μs。每幅圖中，上面的1通道為主單元同步信號，下面的2通道為從單元同步信號。由圖4(a)可見，同步時鐘周期為1 024 ms。

　　由于從單元是在收到同步包后，將信號置0，必定滯后于主單元發送同步包時刻（主端將同步信號置0時刻）,從圖4(b)中可見，從單元脈沖寬度比主單元寬，因此只需比對同步信號的上升沿。圖4（b）是將圖像保持時間置為無限，信號上升沿處陰影表示運行時間以來的偏移情況。測試時間為24h(小時)，測量陰影的長度Δx＝20 μs（上升沿偏移），即為同步效果最大的同步偏差可以控制在20 μs以內。

　　5 結論

　　由于系統工作于局域網，借鑒IEEE1588協議思想，提出并實現了簡易時鐘同步的設想；占用資源少，精度高，可行性高。驗證是在實時工作狀態下測試的，并將同步偏差控制在20μs，滿足時鐘同步的要求；同時，以FPGA技術為載體，軟件開發平臺為Nios II，易于系統移植和功能擴展。鑒于方案的高效和高可行性，可以進一步推廣到其他分布式局域網的應用系統中。

　　參考文獻

　　[1] 王娜, 慕德俊. 分布式試驗系統管理中的時鐘同步技術研究[J]. 電子技術應用,2006(12): 25-27.

　　[2] 桂本烜,馮冬芹,褚健,等. IEEE1588的高精度時間同步算法的分析與實現[J]. 工業儀表與自動化裝置,2006(4):20-23.

　　[3] IEEE1588, Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworkedMeasurementandControl Systems[S],IEEE15882002 Standard, November 2002.

　　[4] Ferrari P,Flammini A, Marioli D,et al. IEEE 1588based Synchronization System for a Displacement Sensor Network[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2006.

　　[5] Depari A, Ferrari P, Flammini A,et al. Evaluation of Timing Characteristics of Industrial Ethernet Networks Synchronized by means of IEEE 1588[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference,2007.

　　[6] 彭澄廉,周博,等. 挑戰SOC——基于NIOS的SOPC設計與實踐[M]. 北京: 清華大學出版社,2004: 12-15,148-152.</P>