IEEE1588和高精度时间同步的方法

0引言

控制系统中的时间同步问题早就出现，而随着系统范围的扩大和分散控制的发展，通过网络联系的分散控制节点之间的时间同步变得越来越重要。系统中时间的使用通常有两种不同的应用类型：时间标记性应用和基于频率的应用。如配电应用可代表时间标记应用，在这种系统中绝对时间很重要，因为特定事件的定时不仅需要与本系统内的其他事件的时间作比较，而且由于电力系统的连贯性，经常可能需要与外部相关系统的事件的时间作比较。哪一个事件先发生？是电网A先跳闸，还是电网B先跳闸？这些事件相隔多少时间？在实际应用中这些事件可能发生在不同的地理区域。由于这个原因需要绝对时间值的概念，并且这个时间基准需要校正为世界各地使用的常用时间。由于特定的事件和报警是被打上时间标记的，只要这些时间标记具有相同的基准，就可以在事后进行这些事件的时间顺序的分析。

另一方面，在控制系统中存在大量基于频率的应用，如通过网络连接的多个分布驱动的协调控制，它们需要精确同时执行，因为它们不能过度拉伸或损坏驱动机架之间的织物。在这些应用中当这些驱动器是同步工作时过程最佳。如果每个驱动器精确地在同时采样反馈和执行控制算法，同时执行控制命令，那么作用力的施加是协调的。在这种应用中绝对时间不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。

解决这些问题的关键是时间同步，时间同步的目的就是要将时间基准准确地传递到各控制点，传递并不困难，难于达到的是传递的精度。在2002年出现的IEEE1588标准（网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通常称为Precision Time Protocol[PTP]）在这方面取得了重大进展。使用这个方法并不需要很多资源就可以达到100纳秒级的同步精度。IEEE1588标准出现后得到业界高度重视，在2002年，2004年举办专业会议，2006年将举办第三次专业会议。工业控制的领先厂商Rockwell，Siemens等立即投入产品开发，IEC已将它转化为IEC61588－2004标准，这个标准已为Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太网的总线采用，成为当前普遍采用的方法。

1 IEEE1588标准

IEEE1588标准，规定了将分散在测量和控制系统内的分离节点上独立运行的时钟，同步到一个高精度和准确度的协议。这些时钟是在一个通信网络中互相通信的。按这个基本格式，这个协议要形成树形的管理，使系统内的这些时钟产生一个主从关系。在一个给定子网中包括多个节点，每一个节点都有一个时钟。时钟之间经由网络连接。IEEE1588规定了子网的划分规则，它是按时钟的级别划分子网，一个子网只有一个1级或2级时钟。在一个子网中只有一个主时钟，从时钟从主时钟得到时间，所有时钟最终都是从一个称为祖母时钟那里得到它的时间。任何时钟和它的祖母时钟之间的通信路径都是最小跨度树的一部分。

分布时钟的PTP系统由普通时钟和边界时钟组成。普通时钟是只有一个PTP端口的时钟，边界时钟是带两个或多个不同的PTP通信路径的端口的时钟。如一个可在它的端口上实现PTP协议的交换机就是一个边界时钟。很明显普通时钟只有接收时间的能力，边界时钟具有传递时间的能力。

系统中的一个时钟可选为主时钟，由主时钟向从时钟发送同步报文，通过报文传递时钟信息。图1是一个配置的例子。

图1－带祖母时钟、边界时钟和从时钟的系统例子

2 PTP时钟的协议模型

图1是PTP子域的例子，最上面的是这个子域的祖母时钟，它是一个GPS（Global Positioning Satellite System是由美国国防部维持的系统，来自GPS的时间可以达到10～100ns的精度范围）时钟，是这个子域的时间源，下面通过父子结构的时钟端口构成传递系统。这个结构的根是祖母时钟，这个结构的每一个分支点通常需要一个边界时钟，这点上从根进一步分支方向的所有时钟端口必须是主或父代端口，而有一个端口是同步到更加靠近根的时钟的从端口。分支到最后（不是根方向）的端口必定是从端口或不活动（Passive）端口（不活动端口的通信路径上，除非另外规定不应当发生报文）。

3 PTP同步机制

IEEE1588定义了四种同步报文Sync，Follow_up ,Delay_Request , Delay_Response , 和一组管理报文。为了简化问题，我们先考虑一个主时钟与一个从时钟的同步过程：

1，主节点每2秒钟（同步报文的间隔是可设置的，这里假设为2秒）向从节点发送一个“同步”（Sync）报文。这个报文是由主节点打上预计的发送时间标记的报文，但是由于预计的发送时间和实际的发送报文发送本身可能的延迟，实际时间标记不能随“同步”报文一起发送。这个“同步”报文在接收端被从节点打上接收时间标记（为了提高精度，应在物理层或接近物理层的位置检测、记录和标识发送或接收时间）。IEEE1588规范制定了可选件“硬件辅助”设计来实现这个精度的提高。