关于工业网络的精密时序问题解析

精密时序协议(PTP)的目的是在不需要一个单独且昂贵的时序网络的情况下，同步机器上的本地时钟。PTP是一个自下而上协作的协议，其中本地 节点相互通信(通过消息交换)来发现它们中的主时钟并且互相同步。由于PTP在数据网络中工作，交换机、路由器和操作系统都有不同程度的延时，它为“时序 数据包”排列优先级或创建特定的队列，其中包含同步的信息。为了消除操作系统和服务器引入的延迟，协议处理在硬件(FPGA或ASSP)中实现，并对时序 数据包使用硬件时间戳。

　　精密时序协议的特性是使用协作的消息交换算法，从时钟计算与主时钟之间的“时间偏移”和“传输延迟”。图4说明了PTP的消息流，以确定“时钟 偏移”和“传输延迟”。由于每个从时钟都要计算两个变量——偏移和延迟——主从时钟需要交换两组消息。首先，主时钟定时地(通常每秒一次)向所有从时钟广 播时间同步数据包。其次，每个从时钟向主时钟发送“延迟请求”消息以确定“传输延迟”。两组消息交换得到两个线性方程，从而确定“从时钟偏移”和“传输延 迟”。　　

图4：确定主从时钟之间偏移的机制

　　FPGA实现

　　实现精密时序协议要求在数据包一到达网络接口卡(NIC)时就进行捕捉并标记时间戳。纳秒级精度的分布式时钟也需要在硬件中以最小变化执行各种 同步步骤。带有SERDES功能的现场可编程门阵列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了众多的优势，实现更接近网络接口的精密 时序协议：

　　1.高速串行接口(SERDES)，迅速捕捉时序数据包;
　　2.灵活和准确的时钟电路(PLL);
　　3.精度可以根据系统要求进行调整;
　　4.用于存储时序数据包的FIFO队列，可以在FPGA结构中靠近高速I/O模块处实现;
　　5.FPGA中的嵌入式硬件或软件处理器，也可以用于实现精密时序协议;
　　6.不占用主CPU的外部PTP处理功能;
　　7.不断发展的精密时序协议可以在灵活的FPGA平台上实现轻松升级。

　　总结

　　工业环境中主流以太网网 络的迅速普及需要使用精密时序技术来同步机器和机器人。精密时序协议(IEEE1588)提供了从亚微秒到纳米秒级的同步精度。PTP的软件实现提供了亚 微秒级以上的精度。时间戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件实现可提供高达纳秒级的精度。随着通信数据传输速率的增加，所需的时序精度呈指数增长。PTP v2.0能够满足最先进的数控机床的严格时序要求。