“大白兔”：每纳秒都很重要的时候

科学应用及更高层次应用

许多应用都需要把参考时钟源信息传播到不同目的地点。科研机构可能是需要高精度时间分配最为严格的基础设施。从CERN的LHC加速器到CTA、SKA或KM3NeT等大型射电天文分布式设施，所有这些都需要超高精度的时间与频率分配。

但新一代IT及通信应用还需要使用目前标准方法无法实现的极高精度时间传输。例如在GPS应用领域，测量卫星信号传播时间等同于测量距离，因此定位与时间精度测量密切相关。一般来说，GNSS容易受阻塞或电子欺骗问题的影响。所以在用于时间分配时，建议重要基础设施将地面替代方案（基于光纤）用作互补冗余机制。

“大白兔”解决方案

“大白兔”（http://www.whiterabbitsolution.com/）是精确时序以太网的扩展和外延。它是CERN于2009年构思的一个开放式协作软硬件项目，技术行业已急切开始参与了其发展。源代码提供在开放式硬件资源库（OHWR，http://www.ohwr.org）中，以鼓励不同企业及研究机构进行开发。

从一开始起，位于西班牙格拉纳达的Seven Solutions (www.sevensols.com)就一直在协作设计各种大白兔产品，其中包括电子产品、固件以及门控件。此外，该公司还可提供基于该技术的定制解决方案和交钥匙解决方案。


图1：白兔应用概要

作为以太网的扩展，”大白兔”技术正在接受评估，以加入高精度配置文件框架中的新一代高精度时间协议标准（IEEE-1588v3）中。标准化将有助于“大白兔”集成至未来各种不同技术中，如图1所示。

“大白兔”技术的深入介绍

“大白兔”整合大量机制，可优化其位于以太网扩展框架内的时序精度，因此可保留以太网通信结构。此外，“大白兔”还集成PTP、同步以太网以及数字双路混合器时间差异（DMTD）相位跟踪技术。

Seven Solutions提供的全新ZEN电路板将展示“大白兔”的主要组份如何在产品中结合（图2）。ZEN电路板以赛灵思Zynq-7000全可编程SoC为基础，内含“大白兔”内核以及可提供高精度时钟的千兆位以太网MAC实现方案。在“大白兔”内核中实现的同步机制包括以下组份：

• 频率同步（同步）：这可通过使用SynCE实现，其可编码数据载体中的时钟信号。为确保所有节点都使用相同的频率，我们采用一个基于本地振荡器的机制，该振荡器可通过从光链路恢复的外部时钟进行控制。
• 相位同步：节点的物理时钟可转发至主设备组份，或从主设备组份转发至节点，以便主设备能够将该信号（来自从设备）的相位与自己的相位相比较。偏差应该与信号通过光纤的传播时间相同（使用PTP进行正确测量）。有了该信息，主设备就可确定其自己的时钟与来自从设备的时钟之间的相位差，并要求从设备将其相位转换成与主设备完全相同的值。该过程可通过在FPGA门控件中实现一个数字DMTD来数字化完成。
• 时间同步：这是使用PTPv2协议的结果，该协议不仅可测量链路传播时间，而且还可提供全局时间概念。此外，“大白兔”还考虑了因在双向光纤中为每次通信传输（在环路中向前和向后）使用不同波长而产生的有关传播时间的不对称性，从而可提高标准PTP协议的精度。由于频率和相位之前已经同步，因此我们可以在”大白兔”网络中确保所有设备的全局时间概念。
  

所有这些工作均可在“大白兔”内核中实现，一部分使用适当的FPGA门控件，一部分使用嵌入式软件内核。“大白兔”产品包括执行这些不同时钟工作所需的适当振荡器、PLL和时序电子产品。

作为案例研究，下面我们将更详细了解ZEN电路板。该电路板采用双路“大白兔”内核（D-WRC），这是Seven Solutions用我们最新系列赛灵思7系列产品开发的原始“大白兔”内核的修订版。D-WRC能够同步两个“大白兔”节点，也可作为菊花链网络中的中间链路。此外，ZEN电路板还包含由D-WRC控制的高精度、低抖动、温度补偿时钟资源。


图2 — 基于Xilinx Zynq SoC器件的“大白兔”门控组份


图3 —“大白兔”LEN电路板（上图）和ZEN（右图）电路板。它们分别由Artix FPGA和Zynq SoC器件提出支持，采用支持工业应用的适当外壳。

此外，Zynq SoC在Linux操作系统下运行的双核ARM® Cortex™-A9处理器可促进用户应用的开发。板载提供Linux，有助于使用令人关注的全新特性，例如适用于配置的Web服务、状态监控的SNMP支持以及远程固件加载与更新。

ZEN电路板旨在用作提供高精度时间，它可提供多样化连接与扩展带来的大量可能性：

• IRIG-B I/O是ZEN电路板使用的当日时间，它既可作为主设备，也可作为从设备。
• 两个连接至ARM处理器的10/100/1000以太网端口可用于各类网络应用和协