DP83640同步以太网模式：在PTP应用中实现次纳秒精度

4.3使能同步以太网模式

仅在指定为从结点的结点上使能同步以太网模式。只要设定PHYCR2扩展页0寄存器的SYNC_ENET_EN位为1（Reg0x1C:13=1），便可使能同步以太网模式。

4.4DP83640时钟结构

DP83640具有几个内部时钟，包括本地参考时钟，一个以太网接收时钟和一个PTP时钟信号源。同时还包括一个内部的PTP数字计数器，以及可以控制数字计数器和PTP时钟速率（频率）的逻辑（参见图1）。


图1.同步以太网模式被禁止的DP83640内部时钟

一个外部晶振或振荡器对本地参考时钟提供了激励。本地参考时钟成为器件中所有时钟的核心。从接收的以太网包数据流中恢复接收时钟，并锁定到对接点中的发送时钟。在正常工作时，利用IEEE1588PTP包将从器件中的PTP时钟和计数器与主器件中的PTP时钟和计数器相匹配。通过控制速率调节逻辑可完成这种匹配。

使能同步以太网模式时，将PTP时钟，数字计数器和PTP速率调节逻辑的控制从本地参考时钟切换到已恢复的接收时钟上（参见图2）。这具有将从系统的PTP时钟和计数器锁定到主系统的PTP时钟和计数器的效果。最后，同步精确性会显著增加（参见图3）。


图2.同步以太网模式被使能的DP83640内部时钟



图3.在点对点网络拓扑中同步以太网模式使能的DP83640的工作框图

4.5系统拓扑的考虑

如前所述，为了以同步以太网模式工作，主结点参考时钟必须与主PTP时钟锁定。这是当DP83640本地参考时钟采用PTP数字计数器和PTP时钟时的默认配置。如果在主系统中采用一个外部的PTP时钟源，可以用外部PLL将参考时钟源与外部PTP时钟锁定。

注意到，没有必要为了使附接的DP83640从结点能工作在同步以太网模式而在主PTP时钟结点去利用一个DP83640器件。将一个外部PTP时钟与任何以太网物理层接口器件（Phy）的参考时钟输入作相位锁定就足够了。

如果利用能将所有以太网通道同步到主PTP时钟的一个多口集线器或者开关结构，便可把多个从器件同步到一个单独的主时钟上。参见图4。



图4.分布式主时钟的开关拓扑结构

类似地，可能会通过开关树状结构传播同步以太网模式工作，其中每个从开关结点将其本身与主网络源同步。（参见图5）



图5.两端口的同步转发器系统

5 典型应用

同步以太网模式的一种典型应用是要求非常精确的数据记录仪器。采用图4的分布结点，一个主系统会触发一个激励，例如能量突波，每个从结点可以代表一个精确的仪器或者传感器，能用来测量在精确时间点的激励效果。

此外，有的应用还会要求在本地网络中的几个仪器上传播一个锁定的时钟信号。若在同步以太网模式使能时给定1ns的峰峰值精度，采用125MHz输出时钟可以将几个仪器与采样数据同步触发。采用器件的输出时钟控制外部PLL时钟源，例如美国国家半导体的LMK3000系列器件，可获得更大的频率选择范围。

最后，因为主时钟的频率通过网络传递，当使能同步以太网模式时，本地振荡器的稳定性并不是一个重要的误差来源。

从属结点的稳定性直接取决于其相应PTP连接主结点的稳定性。因此，不需要特别的环境控制来维持同步精度。采用一个高稳定性的OCXO的从结点将会实现相同于标准25MHz晶振的精度水平。

6 同步测量的设置

如之前所提到的，使用一个示波器来比较主时钟或结点的输出信号与从结点的相应同步信号之间的时延，可测得同步的精确性。典型情况下，主从输出信号连到示波器的输入端。采用主信号来触发示波器，依靠主触发信号来测量从信号时间。

有些示波器有直方图功能。通过累计从结点输出信号的大量采样，可确定从结点到主结点相对同步的统计信息。在IEEE1588应用中，一般通过将主器件的一个秒脉冲（PPS）触发输出连接从器件输出的相应PPS信号，来测量同步性能。

使用DP83640能测量同步，可以使用输出触发器（包括一个周期性的PPS输出触发），或者使用实际的PTP时钟信号，可通过对器件的CLK_OUT引脚（引脚24）上的输出编程来实现。参见图6。



图6.同步测量的设置

根据本应用注释的用途，将两个DP83640演示板卡分别用作主从器件来进行测量，采用1米电缆进行连接。主器件采用OCXO25MHz参考时钟源。从器件采用OCXO和晶振，以此表明同步以太网模式提供了对于本地温度/频率不稳定性的抗干扰性能。在25℃室温和3.3V的VCC等正常条件下进行测量。采用了Tektronix784C示波器。

7 测量结果

表1总结了在正常条件下同步数据的长时间（几个小时）累计。统计数据代表了主示波器触发信号和相应的从信号在扩展周期内测量的时间。在数据表中每行的相关直方图也用附加的示波图表示出来。

为了进行比较，在表1（图7）中的测试编号1代表了同步以太网模式禁止时采集的同步数据。主从器件利用非常稳定的OCXO参考时钟源测量数据。可以看到，当以主时钟为参考时，测量捕捉到的从时钟分布的标准偏差约为5ns，最大峰峰值约为48ns。

测试编号2（图8）表示了同步以太网模式禁止时在相同配置中采集的数据，但是将晶振作为一个从参考时钟源来比较。可以发现，在测量的最大峰峰值约为119ns时，标准偏差几乎倍增到约9.5ns。如果最大峰峰值结果大于100ns，就不可能得到一个稳定的10MHz信号直方图迹线，所以会采用1MHz时钟输出信号来代替。

作为对比，测试编号3（图9）显示了当使能同步以太网模式时标准偏差约为80ps，此时峰峰值测量约为900ps。测得的精度比采用同步以太网模式禁止时的相应数据高出50倍以上（测试编号1，图7）。

测试编号4（图10）显示了同步以太网模式使能时在相同配置下测试的数据，但再次使用了晶振作为从参考时钟源以进行比较。以大约77ps的标准偏差和大约700ps的峰峰值，很清楚地阐明了同步以太网模式提供的对本地时钟不稳定性的抗干扰能力。与以太网模式禁止下的参照数据相比，精度高出约100倍以上。

测试编号5（图11）可将代表10MHzCLK_OUT信号的数据与代表秒脉冲触发输出同步的数据作比较。数据表明，当标准偏差与类似的10MHzCLK_OUT数据（测试编号3）可比拟时，测得的数据峰峰值加倍到约2ns。

最后，测试编号6（图12）表明标准偏差约为79ps，最大幅值约为760ps时，125MHz主时钟到从时钟输出的性能与10MHz条件下的性能可比拟。

表1.同步输出测试结果