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1、硕士学位论文 IEEE1588高精度网络时钟同步 研究与实现 学位申请人：何一航 学科专业：检测技术与自动化装置 指 导 教 师 ：魏 丰 副 教 授 答辩日期： 2011.5.29 分类号 _ 学号 M200871592 学校代码 10487 密级 _ A Thesis Submitted to Huazhong University of Science and Technology for the Degree of Master of Engineering Research and Implementation of IEEE 1588 High-precision Network
2、Clock Synchronization Candidate : He Yihang Major : Measurement Technique and Automatic Device Supervisor : Associate Prof. Wei Feng Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P. R. China May, 2011 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰
3、写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国豕有关部 n或机构送父论文的复印件和电子版，允许论文被杳阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 _ 年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密 时钟 整术 、地时钟结束 J 图 4-4从时钟调整自身时钟的程序流程图 29 华
4、中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在进行自身时钟调整之前，从时钟先要对相位误差进行判断，如果大于一秒，就 要对时钟进行初始化操作，执行的操作是将同步报文计数值、速率误差历史数据、 速率误差均值历史数据清零；如果相位误差小于一秒，则按照 4.3节中叙述的方法进 行时钟调整，在实际的程序中，保存速率误差历史数据的最大值取了 4,而保存速率 误差均值历史数据的最大值取了 2。 4.5本章小结 本章介绍了系统的软件设计。在介绍了所要用到的 PTP报文的格式后，介绍了 实现主时钟与 GPS接收机的同步的算法，以及从时钟与主时钟进行同步的算法，最 后给出了主从时钟程序的基本流程图。 30 华 中
5、 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5测试与分析 在完成了整个系统的软硬件设计后，需要对系统的同步精度进行测试，以验证该 系统是否真正实现了高精度网络时间同步。 5.1主时钟与 GPS接收机的同步测试 5.1.1测试平台的建立 为了测试主时钟与 GPS接收机的同步精度，本文构建了如图 5-1所示的测试平 台。 图 5-1主时钟与 GPS接收机进行同步的测试平台框图 本测试平台使用 125M的外部时钟输入信号来驱动 DP83640内部的时钟，然后 将 GPS接收机的秒脉冲通过 DP83640的 GPIO引脚引入，并由 Nios II处理器负责 解析 GPS接收机发送的串口时间信息，并通过
6、Mil接口来对 DP83640的寄存器进 行读写，从而实现对其内部时钟的操作。利用 DP83640的外部事件时间标记功能， 获取 GPS接收机的秒脉冲到达 DP83640的时间，并使用相邻秒脉冲的时间标记的 差值作为 DP83640内部时钟与 GPS接收机之间的速率误差的估计值，将串口时间 信息与当前 DP83640的时间值的差值作为相位误差的估计值。以这两个估计值为依 据，对主时钟进行调整，从而实现主时钟与 GPS接收机的时钟同步。 5.1.2测试条件 31 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 5-1主时钟与 GPS接收机同步测试条件 系统电压 3.3V 环境温度 25 C
7、主时钟基准频率源 20M温补晶振倍频得到的 125M的时钟信号 晶振频率准确度 lppm 5.1.3测试结果与分析 在主时钟进行相位调整和固定速率调整时，均采用取 25个数据来求取求平均相 位误差和平均速率误差的做法。进行相位调整之前，平均相位误差为 -511946纳秒， 即相位平均滞后 511946纳秒，相位调整之后平均相位误差为 639纳秒；进行固定 速率调整之前，平均速率误差为 2305纳秒 /秒，调整之后平均速率误差为 81纳秒 / 秒。 进行临时速率调整时，取 3000个相位误差，统计结果为： 表 5-2主时钟与 GPS接收机同步测试结果 平均相位误差 +39纳秒 样本方差 56纳秒
8、 相位最大超前 221纳秒 相位最大滞后 182纳秒 从上面的实验结果来看，开始时 DP83640内部的时钟的速率和相位误差均较大， 经过相位调整和固定速率调整后，速率和相位的误差有了明显改善。进入临时速率 调整阶段后，相位误差保持在相对稳定的范围，没有发生大幅偏移和振荡，证明主 时钟已被 GPS接收机同步，并达到了较好的同步精度。 但是相位误差的最大超前值和最大滞后值与评价相位误差的差距较大，主要是 因为 GPS接收机提供的秒脉冲本身会发生 100纳秒左右的抖动，也与同步算法不 够完善有一定的关系。并且当 GPS接收机锁定的卫星个数少于 4颗时，主时钟便 不能够继续保持较高的绝对时间精度，也
9、就是说，当前的系统还缺乏守时的能力， 在今后的研究工作中，这将是亟待解决的一个问题。 32 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5.2从时钟与主时钟的同步测试 5.2.1测试平台的建立 为了测试主从时钟的同步精度，本文设计了如图 5-2的测试平台。 图 5-2从时钟与主时钟进行同步的测试平台框图 该测试平台将主从时钟通过 10M集线器或 100M交换机进行互连，并利用了 DP83640的时间触发功能。在对 DP83640的相应寄存器进行设置后，每当其自身的 时钟走时至整秒时刻时，将会产生一个宽度可编程的脉冲信号，将主从时钟产生的 秒脉冲分别接入示波器，就可以直观的看到网络时钟同步的
10、效果。 5.2.3测试条件 表 5-3主从时钟同步测试条件 系统电压 3.3V 环境温度 25 C 基准频率源 20M温补晶振倍频得到的 125M的时钟信号 晶振频率准确度 lppm 主时钟同步报文速率 1秒 从时钟延时请求速率 10秒 5.2.2测试结果与分析 我们将主从时钟分别用 100M交换机和 10M集线器向连接，分别得到了如下的 测试结果。 使用 100M交换机连接时，取 3000个相位误差，统计结果如下： 33 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 5-3主从时钟经过 100M交换机互连的同步测试结果 平均相位误差 +207纳秒 样本方差 182纳秒 相位最大超前 3
11、51纳秒 相位最大滞后 303纳秒 使用 10M集线器连接时，取 3000个相位误差统计结果如下 : 表 5-4主从时钟经过 10M集线器互连的同步测试结果 平均相位误差 +25纳秒 样本方差 44纳秒 相位最大超目 11 102纳秒 相位最大滞后 95纳秒 从上面的实验结果来看，本系统的主从时钟同步精度为纳秒级，实现了 IEEE 1588标准预期的同步精度。 10M集线器的同步结果要明显好于 100M交换机，主要 的原因是交换机对于报文的处理要比集线器复杂，导致了网络延时的不确定性。 5.3本章小结 本章对整个系统的同步精度进行了测试，测试结果显示本系统具有较高的绝对时 间同步精度，还具有较
12、好的网络时间同步精度。初步实现了一个点对点的 IEEE 1588 高精度网络时钟同步系统。 34 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6总结与展望 IEEE1588标准由于使用了专用硬件和软件结合的特殊系统结构来实现网络时钟 的同步，使得其能够获得其他网络时钟同步协议所难以企及的同步精度。然而为了 在系统中实现 IEEE 1588标准，必须采用支持 IEEE 1588功能的专用硬件电路。因此， 本文选择了对系统改动最小的使用支持 IEEE 1588标准的物理层芯片的实现方案。 本文设计的 “Nios 11+开源 MAC核 +DP83640” 的方案，系统硬件设计较为简单， 软件移植
13、方便，是实现 IEEE 1588的较好选择。 为了实现高精度的网络时钟同步系统，本文充分利用了 DP83640用于支持 IEEE 1588标准的各种功能，包括同步报文时间标记功能、外部事件时间标记功能以及三 种调整 DP83640内部时钟的方法，并且基于这些功能提出了两种时钟同步的方法， 分别用于 GPS接收机与主时钟的同步及主从时钟之间的同步。 用于 GPS接收机与主时钟之间的同步算法的主要思想是通过记录 GPS接收机的 秒脉冲到达 DP83640的时间来估算主时钟与 GPS接收机提供的标准时间之间的速率 误差；通过 GPS接收机串口提供的时间信息与 DP83640内部时钟时间值的差值来估
14、算主时钟与 GPS接收机所提供的标准时间之间的相位误差。最终依据这两个误差的 值，再使用 DP83640提供的三种时钟调整机制，来调整主时钟的相位和速率，最终 实现主时钟与 GPS接收机之间的同步。 用于主从时钟之间的同步算法的主要思想 是使用 PTP协议来估算网络延时和主 从时钟间的相位误差；使用相邻的同步报文的时间标记来估计主从时钟之间的速率 误差。最终依据这两个误差并结合 DP83640的灵活的时钟调整机制，来调整从时钟 的相位和速率，最终实现主从时钟间的时间同步。 本文在第三章所设计的硬件平台之上实现了 PTP协议的最核心部分，完成了对 于网络延时和主从相位误差的估算，并且实现了上述的
15、两个算法，最终完成了基于 IEEE 1588的高精度网络时钟同步系统的设计与初步实现。 当然，本文所做的工作离实现完整的正 EE 1588标准还有很大的距离 ，在接下来 35 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的研究中，需要解决的问题有： (1) 解决 GPS接收机秒脉冲的抖动问题。 GPS接收机的秒脉冲即使在锁定了 4 颗以上的卫星时，仍然存在 100纳秒左右的抖动，应该采取相应的处理措施，尽可 能的消除掉这种抖动。 (2) 解决 GPS接收机卫星失锁时，系统的守时问题。当 GPS接收机锁定的卫 星个数少于 4颗时，系统能不能保持失锁前的准确时间，也是一个亟待解决的问题 (3)
16、 网络延时的不对称性。在 PTP协议中，网络延时是假定双向对称的，然而 在真实网络环境当中，由于各种复杂因素所导致的网络延时的不对称非常常见。原 有的估算网络延时的方法必须得到改进。 36 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 致 谢 从 2003年从家乡到武汉求学，到今天为自己的学生生涯画上一个句点，时光飞 逝，我已经在这所美丽的校园中度过了近八个年头。八年的时光亦长亦短，有许多 人值得追思和怀念。 记得 2007年第一次考研失败后，我误打误撞的进入了魏丰老师的实验室做本科 毕业设计。当时对前途一片迷茫的我看到实验室内一台台闪烁着鲜红数字的时钟源 时，当我看到每天都辛勤工作到很晚的
17、魏丰老师时，心中似乎被点起了一盏明灯， 正是这盏明灯指引着我在第二次考研的道路上走向成功。 当我以一名研究生的身份进入魏老师的实验室时，更加被他那敏捷的思维、渊 博的知识、严谨的治学精神所折服。感谢魏老师对我的悉心指导和谆谆教诲，在此 对魏老师致以由衷的敬意和最真诚的感谢。我也要对测控所内的其他老师一一致以 感谢，他们是：李昌禧老师、叶林老师、孔力老师、张杰老师、徐琦老师和张洪老 师。 我还要感谢实验室内的每一位同学。特别是王瑞清、钱志伟、朱广伟、潘小虎、 罗毅、曾勤波、田 鸣等同学，感谢他们给我提供了一个交流学术的良好环境，使得 我受益匪浅。 除此之外，我要感谢我的父母。没有他们在我的背后默
18、默的支持，将没有我今 天的学有所成。无论我漂泊到何处，将会永远铭记这份恩情。 在本文彳丁将结束之际，对所有关心和支持我的人致以深深的谢意。 37 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 参考文献 1 黄水云，冯玉光 .正 EE 1588精密时钟同步分析 J.国外电子测量技术， 2005, 9.10-12 2 桂本烜，冯冬芹，褚健等 .IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现 J.工业自动化仪表 .2006， 4: 20-21 3 谢希仁 .计算机网络 M.第二版 .北京：电子工业出版社， 1999 4 张岩，陈利学，丁鹏等 .基于 SOPC的嵌入式 Web服务器设计与实现 J.
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