基于时钟频率调整的时间同步的FPGA实现及应用

在本系统中，取FreqClk为50 MHz，FreqOsc为60MHz，则DivRatio为1.2。当同步周期为1 s时，补偿精度Precision可选10-9，由公式可选择r=q=32，p=64。频率补偿初值由下式求出：

FreqCompValue=2q/DivRatio=232/1.2=32d3579139413

在时钟输出算法中，该值由频率调整系数动态调整：

FreqCompValuen=kn·FreqCompValuen-1 (10)3 频率补偿算法在FPGA中的实现频率补偿就是在每个同步周期计算FreqCompValuen，FPGA提供了参数化的乘法器兆函数(1pm_mult)和除法器兆函数(1pm_divide)，可以快速实现上述算法。原理如图3所示，在每个同步周期同步信号的驱使下，锁存器B和C分别锁存当前时钟读数和上个同步周期时钟读数，同时将主时钟读数输入到加法器A中，经过减法器E、F和乘法器G，以及除法器H后计算出新的FreqCompValuen，并在同步信号的驱动下，将其锁存到锁存器D中。由于中间的计算结果要经过一定的时钟周期，所以锁存器D的锁存信号要延时一定的晶振周期。在本设计中延时50个FreqOsc，即在1μs的情况下就可以得到新的频率补偿值。

同步报文的传输延迟SyncDelay理论上是不变的，而实际上报文在传输过程中有抖动。参考文献[3]对此进行了分析，并指出同步周期越长，报文传输延迟抖动的影响就越小，因此可以忽略不计。

实验验证

主时钟采用50 MHz的有源晶振来实现，并将其作为固定时钟;从时钟采用30 MHz有源晶振，通过FPGA的锁相环PLL将其频率倍频到60 MHz，然后1.2分频，实现可调频率的50 MHz时钟。

让主时钟和从时钟以一定的时间间隔产生中断，并通过逻辑分析仪采样中断信号分析其偏差。由于系统时钟的分辨率为20 ns，采用广州致远电子有限公司的逻辑分析仪LA1532，其最大采样频率为100 MHz，所以偏差测量精度可以达到10 ns。图4(a)是未进行同步前两个时钟的偏差分析，X轴表示主时钟和从时钟的计时长度，Y轴表示主时钟和从时钟的计时偏差。从图中可以看出两个时钟的偏差大概为5×10-6，即1 s内的偏差可以达到5μs。图4(b)为同步后主时钟和从时钟偏差测量结果，共测量1 000次，其10 ms内同步偏差在±20 ns。X轴表示测量时间，Y轴表示主从时钟同步偏差。图4(c)为同步后两个从时钟偏差测量结果，共测量1 000次，其10 ms内同步偏差在±40 ns。X轴表示测量时间，Y轴表示从时钟之间同步偏差。

结 语

基于时钟频率调整的时间同步方法，实现简单，而且没有复杂的软件同步协议，占用较小的网络带宽就可以实现高精度的时钟同步，在硬件上只需要低成本的FPGA支持。