IEEE1588協議在網絡測控系統中的應用?

楊傳順，彥廷江

（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006）

IEEE1588協議在網絡測控系統中的應用?

楊傳順，彥廷江

（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222006）

在基于網絡的測量與控制系統中，對分散節點間的時鐘同步有很高的要求。IEEE 1588標準的精確時鐘協議為測控系統的時鐘同步提供了一種簡單可行的途徑。分析了精確時鐘協議實現的原理和算法，針對測控系統中對時鐘同步精度的需求，研究了系統內選擇最優主時鐘的算法和實現，以及硬件輔助檢測時間戳的方法和應用。最后以以太網為例，對設計的方法進行了精度測試，驗證了在測控系統中應用精確時鐘同步協議能夠滿足系統的應用需求。

測控系統；IEEE 1588協議；精確時鐘協議；最優主時鐘算法；時間戳；硬件輔助

在基于網絡的測量控制系統中，對時鐘的應用主要有基于絕對時間的應用和基于頻率的應用兩種，絕對時間用于記錄系統內事項的發生次序，頻率用于控制器、執行器以及傳感器的同步采樣、回饋和執行。因此，分散節點間的時鐘同步對于基于網絡的測控系統來說非常重要，而IEEE 1588協議的推出正是為了解決測量儀器和工業控制系統中網絡定時同步能力不足的問題。

1 精確時鐘同步協議

IEEE 1588協議［1］的全稱是“網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議”，簡稱PTP（Precision TimeProtocol）。國際電工協會也把此標準納入到了IEC標準中，對應的標準是IEC 61588［2］。它具有配置容易、收斂快速以及對網絡帶寬和資源消耗少等優點。它的主要原理是采用分層的主從模式通過一個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正；通過記錄報文發送和接收的時間戳信息，計算出報文傳輸的時間延遲和主從時鐘的時鐘偏移，并相應地調整本地時間，使從時鐘保持與主時鐘一致的頻率與相位，使系統中分散節點間的時鐘達到高精度同步［3］。

PTP定義了4種多點傳送的報文［4］：同步報文（Sync）、跟隨報文（Follow-up）、延遲請求報文（Delay-Req）和延遲應答報文（Delay-Resp）。這些報文的交互順序將在第2節中說明，收到的信息響應與時鐘當前的狀態有關。

為了描述測控系統的時鐘同步問題，我們以一個主時鐘和一個從時鐘的同步過程為例，如圖1所示。

時鐘同步過程如下所述。

（1）主時鐘按照定義的間隔時間周期性地向從時鐘發送“同步報文（Sync）”，這個報文的時間戳是主時鐘打上的預計發送時間，同時主時鐘記下實際發送時間tm1；此報文在接收端被從時鐘記下接收時間ts1。

（2）主時鐘向從時鐘發送“跟隨報文（Follow-up）”，此報文包含先前的同步報文準確的發送時間tm1。

記網絡延遲時間為Delay，主從時鐘偏移為Offset，則：

（3）從時鐘向主時鐘發送“延時請求報文（Delay-Request）”（延時請求報文的間隔是獨立設置的），報文發送后是從時鐘記下準確的發送時間ts2，在主時鐘端記錄準確的接收時間tm2。

（4）主時鐘向從時鐘返回一個“延時響應報文（Delay-Response）”，此報文包含先前的“延時請求報文”的準確接收時間tm2，從時鐘利用ts2和發送時間tm2。可以得到：

根據鏈路的對稱性，由式（1）和（2）可計算出：

如果目前的從時鐘時間為tsOld，則可以計算出目前應該同步到的新的從時鐘時間tsNew：

據此，在接下來的一個同步周期內，就可以實現從時鐘和主時鐘的同步。

以上是時鐘同步過程的算法思想，在實際的應用中，同步報文和跟隨報文的發送是按照定義的時間間隔周期性發送的；延遲請求報文和延遲應答報文發送間隔可以是不規則的，其測量間隔時間比偏移值測量間隔時間要大，這樣做可以減輕網絡尤其是終端設備的負荷［5］。

2 IEEE 1588在網絡測控中的應用

在測控系統中，測控裝置的時鐘一般來源于主站或后臺；為了提高同步精度，一般采取系統內配置GPS裝置，接收GPS的標準授時信號，其它節點和GPS的時鐘同步，保證系統的時鐘同步精確度要求；當GPS故障時，可選擇利用與監控中心的時鐘同步來校正，這正好符合IEEE 1588標準的要求。

在IEEE 1588標準中，系統內的時鐘分為普通時鐘和邊界時鐘兩種。只有一個PTP通信埠的時鐘是普通時鐘，有兩個及以上PTP埠的時鐘是邊界時鐘。每個PTP埠的狀態主要有主狀態、從狀態和被動狀態3種。埠處于主狀態的時鐘稱為主時鐘，處于從狀態的時鐘稱為從時鐘，主時鐘負責同步系統內所有的從時鐘。如果埠處于被動狀態，則意味著對應的時鐘不參與時鐘同步。理論上任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個系統內只能有一個主時鐘，整個系統中的最優時鐘為主時鐘（Grandmaster Clock），具有最好的穩定性、精確性等。根據各節點的時鐘精度、級別以及通用協調時間（UTC）的可追溯性等，由最優主時鐘算法來自動選擇系統內的主時鐘［6］。圖2是一個網絡測控系統中典型的主、從時鐘關系示意圖，最上面的時鐘作為主時鐘，其它設備的時鐘通過分層結構都與主時鐘同步。

2.1 最優主時鐘算法

最佳時鐘（Best Master Clock，BMC）算法獨立運行于系統內的每個時鐘的端口上，在系統的所有時鐘中（包括本地時鐘）選出一個性能最好的，指定它作為系統中的最優主時鐘，該算法避免系統內出現2個主時鐘或沒有一個主時鐘的情況［7］。

BMC算法由兩部分組成：一是數據集比較算法，比較兩組數據的優劣，一組可能是本地時鐘的缺省數據集，一組可能是本地時鐘的某個端口接收到的時鐘數據集，應用此算法，從中選出質量較優的數據集；二是狀態決策算法，根據數據集比較算法的結果計算本地時鐘的每個埠當前應該所處的狀態，并作相應的埠狀態轉換，為接下來系統的時鐘同步作準備。

BMC算法規定了數據比較的順序和判據。時鐘埠在設備上電時進行缺省初始化配置，為各數據集分配緩沖區等操作。然后，系統開始偵聽網絡上的時鐘同步報文，如果埠收到相應的PTP報文，就調用BMC算法。

BMC算法的典型軟件實現步驟如下：

Step 1：對于具有N個埠的時鐘C0的其中一個端口r，通過數據集比較算法比較從這個端口接收到的其它時鐘埠的有效同步報文的數據集，計算出最優的Erbest；

Step 2：對C0的所有埠比較Erbest，計算出N個埠最優的Ebest；

Step 3：對C0每個埠，根據Erbest和Ebest以及缺省資料集D0，通過狀態決策算法決策出端口應該所處的狀態，并更新所有端口的數據集；

Step 4：把決策出的端口狀態返饋到PTP引擎狀態機，由狀態機控制和實現埠狀態的轉化。

實現時鐘端口的BMC算法的軟件流程圖如圖3所示。對于系統的每個時鐘，每個端口都運行BMC算法，這個運算是連續不斷的，因此能適應時鐘和埠的變化。

2.2 時間戳記錄

PTP支持在物理介質層、驅動程序層或應用軟件層檢測和記錄報文發送和接收的時間戳；越靠近物理介質層，同步精度越高；越靠近應用軟件層，同步精度越低［8］。早期的網絡時間協議（NTP）是只有軟件控制的同步協議，在應用軟件層打上時間戳，因此同步的精度不高；PTP為了提高系統的時鐘同步精度，既使用軟件，亦同時使用硬件和軟件配合，獲得更精確的定時同步；PTP支持硬件輔助在物理介質層檢測和記錄報文的時間，從而把報文從驅動程序到應用軟件處理的不確定時間延遲排除在系統精度的分析之外。圖4是在物理介質層硬件輔助記錄時間戳的示意圖，圖中tm1、tm2、ts1和ts2分別是在物理介質層由硬件記錄的同步報文的發送和接收時間，然后傳送給應用軟件，由應用軟件打包記錄到報文中，通過網絡發送出去。

目前已有多種芯片和微控制器支持PTP時間戳硬件實現，常見的有美國國家半導體的DP83640芯片、Silicon Labs公司生產的Si5315芯片、飛思卡爾的ColdFire MPU等，也可以采用FPGA設計實現。當采用硬件輔助檢測和記錄PTP報文的時間戳時，即在網絡的物理層（PHY）中放置這些器件，一旦線路上有PTP包，即被這些器件讀取。采用DP83640芯片實現系統時鐘同步的系統結構圖如圖5所示。

3 精度測試

當在測控系統中采用PTP時，本地時鐘相對于主時鐘的同步時鐘精度可由標準差（或稱均方差）表示，PTP的標準差基于Allan標準差，Allan標準差σy（τ）的估計如下［9］：式中，xk、xk+1、xk+2是對應時間tk、tk+τ、tk+2τ的樣本測量值，τ是樣本測量的時間間隔，N是樣本總數。Allan標準差是對時基振蕩器頻率變化的二階統計，PTP標準差則是對測量時鐘和本地參考時鐘的偏差統計。

PTP方差定義為

由式（6）和（7）得PTP的標準差無偏估計的計算如下：

測試系統時鐘同步精度的方法有多種，最常用的是通過示波器觀察秒脈沖信號（PPS）的波形。為了使測試的精度能夠滿足實際的工程應用，以采用以太網組網為例，對不同情況下的網絡負載分別進行了相應的測試。

設置主時鐘和從時鐘在某一頻率點產生一個時鐘輸出，然后比較這兩路時鐘信號。采用秒脈沖測量是由于秒脈沖信號一般從數字輸出中產生，雖然會對同步結果增添額外的誤差，但是附加的誤差僅會影響數字輸入和輸出，而不是同步時鐘本身，因此不會包括在同步測量中。測試結果如表1所示。

由表1可知，當網絡負載在80%時，從時鐘和主時鐘的同步精度在28.0 ns的標準差內，完全能夠滿足網絡測控系統的時鐘需求。

4 結論

隨著測量和控制系統規模的不斷增大，分散節點間的時鐘同步變得愈加重要。IEEE 1588精確時鐘同步協議的出現，為測控系統的時鐘同步提供了一種切實可行的途徑。由于PTP不需要為時鐘傳遞布置特別的網絡，只需在原有網絡上添加時鐘同步報文，這些報文只占用少許網絡資源，它們和控制數據包或其它信息包共享網絡，具有較低的網絡開銷，在不需要太多資源的情況下，就能實現微秒級的高精度時鐘同步，完全能夠滿足系統對時鐘的同步精度需求。

［1］IEEE 1588-2008，IEEE Standard for a precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems［S］.

［2］IEC 61588-2009，Precision Clock Synchronization Protocol for NetworkedMeasurement and Control Systems［S］.

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YANG Chuan-shun was born in Heze，Shandong Province，in 1978.He received the B.S.degree from Shandong University and the M.S.degree from the North China Computer System Engineering Research Institute in 2001 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research interests include computer control and system engineering.

Email：yang97718＠yahoo.com.cn

彥廷江（1963—），男，吉林人，1990年于東南大學自動化系獲碩士學位，現為高級工程師，主要研究方向為電子設備及顯控臺總體技術。

YAN Ting-jiang was born in Jilin Province，in 1963.He received the M.S.degree from Southeast University in 1990.He is now a senior engineer.His research concerns system technique of electronic equipment and console.

Application of IEEE 1588 Protocol in Networked Measurement and Control System s

YANGChuan-shun，YAN Ting-jiang
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222006，China）

In a networked measurement and control system，high accuracy of the clock synchronization between the distributed nodes is required.IEEE 1588 standard of precision time protocol formeasurement and control system provides a simple and feasibleway to the clock synchronization.This paper analyses the principle and algorithm of precision time protocol，according to the requirement ofmeasurement and control system for clock synchronization accuracy，studies the algorithm and implementation to choose the bestmaster clock in the system，and the hardware-assisted method and application of detecting time stamp.Finally，taking the ethernet for example，it tests the accuracy of the clock synchronization designed and the resut verifies that the application of precision clock synchronization protocol inmeasurementand control systems can satisfy the system application requirements.

measurement and control system；IEEE 1588 protocol；precision time protocol；bestmaster clock algorithm；time stamp；hardware-assisted

TP273

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.017

楊傳順（1978—），男，山東菏澤人，2001年于山東大學數學系獲學士學位，2007年于華北計算機系統工程研究所獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為計算機控制和系統工程；

1001-893X（2011）11-0084-05

2011-07-11；

2011-08-19