基于FPGA的高精度同步時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)※＊

諶普江，龔光華

（1.清華大學(xué)工程物理系，北京100084；2.清華大學(xué)粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.清華大學(xué)飛思卡爾培訓(xùn)中心）

引 言

在很多大型物理實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用中，時(shí)鐘同步技術(shù)都扮演著舉足輕重的作用。比如在中國四川錦屏暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)中，需要為多個(gè)獨(dú)立探測裝置提供相應(yīng)的時(shí)間信息，這些探測器包括中心探測器（HpGe）、液氬反符合探測器、實(shí)驗(yàn)室外部宇宙線反符合探測器［1］。又比如在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中，需要為三個(gè)實(shí)驗(yàn)廳的子探測器提供同步時(shí)鐘和時(shí)間戳，也需要為未來的長基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)提供同步時(shí)鐘和時(shí)間戳［2］。

為此，本文基于可編程邏輯器件FPGA，設(shè)計(jì)了一套高精度、低成本、易于擴(kuò)展的時(shí)間戳同步系統(tǒng)。

1 PTP協(xié)議簡介

PTP精密時(shí)鐘定時(shí)協(xié)議又稱為IEEE 1588協(xié)議。它的基本功能是利用基于時(shí)間戳的報(bào)文通信的方法，使得分布式網(wǎng)絡(luò)中的所有的時(shí)鐘都與特定的某個(gè)時(shí)鐘保持精確同步。IEEE 1588協(xié)議可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用專門的硬件實(shí)現(xiàn)。很顯然，用硬件實(shí)現(xiàn)能達(dá)到更高的精度。本文中的同步系統(tǒng)就是基于純硬件實(shí)現(xiàn)的。

IEEE 1588協(xié)議中定義了5種類型的傳輸報(bào)文［3］：同步報(bào)文（sync）、跟隨報(bào)文（follow＿up）、延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文（delay＿req）、延時(shí)響應(yīng)報(bào)文（delay＿resp）和管理報(bào)文（management）。其中前4種報(bào)文主要用于時(shí)間戳交換，具體的時(shí)間戳交換的過程示意圖如圖1所示。

如圖1所示，時(shí)間戳同步過程包括主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)都利用晶振維持本地時(shí)鐘。同步的目的是使從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘的時(shí)間戳與主節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘的時(shí)間戳達(dá)到相對(duì)同步。未同步時(shí)，從節(jié)點(diǎn)相對(duì)主節(jié)點(diǎn)有一個(gè)時(shí)間偏差offset。同步的過程能夠計(jì)算出這個(gè)偏差。

主時(shí)鐘周期性地向從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文SYNC，這個(gè)報(bào)文中沒有任何有效數(shù)據(jù)，但是當(dāng)SYNC發(fā)出時(shí)，主節(jié)點(diǎn)能夠記錄下來時(shí)間戳t1，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)接收到SYNC，從節(jié)點(diǎn)能夠記錄下來時(shí)間戳t2。為了讓從節(jié)點(diǎn)也知道t1，稍后主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送跟隨報(bào)文FOLLOW＿UP，這個(gè)報(bào)文中包含了t1這個(gè)有效數(shù)據(jù)。

然后，為了計(jì)算主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的延時(shí)，在從節(jié)點(diǎn)接收到FOLLOW＿UP后一段時(shí)間，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)DELAY＿REQ 報(bào)文。和SYNC類似，當(dāng)DELAY＿REQ離開時(shí)得到時(shí)間戳t3，當(dāng)DELAY＿REQ 到達(dá)主節(jié)點(diǎn)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)得到時(shí)間戳t4。一段時(shí)間后，主節(jié)點(diǎn)再向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送DELAY＿RESP 報(bào)文，這個(gè)報(bào)文中包含了t4，從而從節(jié)點(diǎn)得到了4個(gè)時(shí)間戳t1～t4。

圖1 PTP協(xié)議同步過程示意圖

有了以上4個(gè)時(shí)間戳之后，假設(shè)主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)傳輸和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不變，可以得到傳輸延時(shí)和時(shí)鐘偏差的計(jì)算方法：

如果PTP主從鏈路對(duì)稱，即Dm2s＝Ds2m＝delay，則：

由以上分析方法可知，PTP 主從節(jié)點(diǎn)鏈路對(duì)稱與否會(huì)影響offset的計(jì)算，從而會(huì)影響時(shí)間戳的同步精度。

另外，由于主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)需要用本地晶振維護(hù)本地時(shí)鐘。而隨著時(shí)間的積累，晶振存在頻率漂移，并且不同晶振的固有頻率也會(huì)有偏差，這兩個(gè)屬性都會(huì)影響時(shí)鐘同步的精度。

為了實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步，設(shè)計(jì)同步系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮到主從節(jié)點(diǎn)鏈路的對(duì)稱性和晶振的特性。

2 電子學(xué)設(shè)計(jì)

時(shí)鐘同步系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

本方案中主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)使用同一塊硬件電路，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，硬件電路板上設(shè)計(jì)了一個(gè)跳線器，可以選擇一塊硬件電路是主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)。為了保證主從節(jié)點(diǎn)的鏈路對(duì)稱，PCB電路板時(shí)鐘收發(fā)路徑以及PTP報(bào)文收發(fā)路徑的長度都應(yīng)該用蛇形線設(shè)計(jì)來保證長度一致。另外，為了消除晶振的頻率漂移以及頻率偏差帶來的影響，本方案中從節(jié)點(diǎn)不使用本地晶振，而是直接使用主節(jié)點(diǎn)傳輸來時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)間戳的時(shí)鐘，也就是說主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)使用了同源時(shí)鐘。

雖然主從節(jié)點(diǎn)使用的本地clock是同源的，但是由于clock的傳輸路徑的差異，主從節(jié)點(diǎn)的clock是有相位差異的。這個(gè)相位差如果不考慮在設(shè)計(jì)方案中的話，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的同步精度。如圖3所示，如果系統(tǒng)中沒有考慮主從節(jié)點(diǎn)的本地clock的相位差，也就是圖中phase，那時(shí)鐘系統(tǒng)所能達(dá)到的同步精度最好也就是相位差的值。假設(shè)，主從節(jié)點(diǎn)的周期T 為100ns，主從節(jié)點(diǎn)的相位差為60ns，那說明同步系統(tǒng)所能達(dá)到的最高精度為60ns。

圖3 主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘相位差測量的重要性示意圖

為了進(jìn)一步提高時(shí)間戳同步的精度，必須設(shè)計(jì)相位測量模塊，消除主從時(shí)鐘相位差對(duì)時(shí)間戳的同步精度帶來的影響。所以，主節(jié)點(diǎn)中包括了相位鑒別芯片以及ADC 芯片，用來精確測量主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳的時(shí)鐘相位差。

有了這個(gè)相位差測量模塊，就真的可以消除主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳的時(shí)鐘相位差帶來的影響嗎？答案是肯定的。圖4為主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘傳播示意圖，AD8302即為本文中所用的相位鑒別芯片。

圖4 主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘傳播示意圖

我們已經(jīng)知道，為了使從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)精確同步，最直接的方法就是算出盡量精確的offset值，也就是要得出盡量精確的t1～t4的值。

圖4中，Clk1為主節(jié)點(diǎn)晶振時(shí)鐘，Clk2為從節(jié)點(diǎn)從主節(jié)點(diǎn)接收到的時(shí)鐘，由于有一段長的傳播路徑，因而Clk2相對(duì)Clk1會(huì)有一個(gè)相位差。為了在主節(jié)點(diǎn)測量相位差，Clk3是從節(jié)點(diǎn)將Clk2直接發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)而得到的時(shí)鐘，因而Clk3相對(duì)于Clk2又會(huì)有一個(gè)相位差。具體Clk1～Clk3的示意圖如圖5所示。

圖5 主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘關(guān)系圖

對(duì)于時(shí)間戳t1而言，t1指的是SYNC包從主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的時(shí)刻，觸發(fā)時(shí)鐘為Clk1，而時(shí)間戳?xí)r鐘是主節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘Clk1，因而t1是精確的。對(duì)于時(shí)間戳t2而言，t2指的是SYNC包到達(dá)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻，觸發(fā)時(shí)鐘為Clk2，而時(shí)間戳?xí)r鐘是從節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘Clk2，因而t2也是精確的。對(duì)于時(shí)間戳t3而言，t3指的是DELAY＿REQ 包從從節(jié)點(diǎn)觸發(fā)出的時(shí)刻，觸發(fā)時(shí)鐘為Clk2，而時(shí)間戳?xí)r鐘為從節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘Clk2，因而t3也是精確的。對(duì)于時(shí)間戳t4而言，t4指的是DELAY＿REQ 包到達(dá)主節(jié)點(diǎn)時(shí)的時(shí)刻，觸發(fā)時(shí)鐘為Clk3，而時(shí)間戳?xí)r鐘為主節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘Clk1，因而t4不是精確的，是有偏差的。由圖5的時(shí)鐘關(guān)系圖可知，精確的t4p應(yīng)該在t4之前：

可見，相位差測量模塊在整個(gè)時(shí)間戳同步方案中取到了舉足輕重的作用。

3 固件程序設(shè)計(jì)

3.1 主節(jié)點(diǎn)固件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)的固件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，A／D 控制模塊和相位測量模塊是用來控制幅相鑒別芯片和ADC 芯片。發(fā)送緩沖的作用是將主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議中的通信報(bào)文以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去，接收緩沖的作用是從接收路徑中解碼出相應(yīng)的通信報(bào)文。本地時(shí)鐘模塊的作用就是維護(hù)一個(gè)本地時(shí)鐘。主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議的主要作用是控制報(bào)文的發(fā)送和接收。

圖6 主節(jié)點(diǎn)固件結(jié)構(gòu)框圖

圖7為主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖。

圖7 主節(jié)點(diǎn)同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖

idle狀態(tài)下，當(dāng)檢測到pps信號(hào)的上升沿，則開始整個(gè)同步周期。首先，開始ADC 的讀取操作，當(dāng)?shù)鹊紸D＿ready＝’1’，則說明ADC的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后進(jìn)行讀取保存即可。然后，進(jìn)入到sync狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)會(huì)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送SYNC 同步包，之后模塊進(jìn)入sync＿wait狀態(tài)。等一段固定的時(shí)間之后，模塊進(jìn)入follow 狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)會(huì)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送FOLLOW＿UP同步包。之后模塊進(jìn)入after＿follow＿wait，等待一段固定的時(shí)間之后，模塊進(jìn)入delay＿req＿pre，這個(gè)狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)會(huì)通知從節(jié)點(diǎn)可以發(fā)DELAY＿REQ 包了。之后，模塊等待DELAY＿REQ 包，如果很長時(shí)間都沒有等到DELAY＿REQ 包，即等待超時(shí)，則模塊返回idle狀態(tài)；如果接收到了DELAY＿REQ 包，主節(jié)點(diǎn)就向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送DELAY＿RESP。最后，等一段時(shí)間后，模塊返回到idle狀態(tài)。

3.2 從節(jié)點(diǎn)固件設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)固件的結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，相位部分計(jì)算模塊用來計(jì)算出前文說到的phase值，offset計(jì)算模塊的作用是用t1～t4和phase值計(jì)算出精確的offset值。從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議的主要作用是控制報(bào)文的發(fā)送和接收和更新本地時(shí)鐘。

圖8 從節(jié)點(diǎn)固件結(jié)構(gòu)框圖

圖9為從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖。

圖9 從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議模塊的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)處在idle狀態(tài)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測接收到的數(shù)據(jù)流，直到監(jiān)測到sync包后立即進(jìn)入wait＿follow 狀態(tài)。在wait＿follow 狀態(tài)，從節(jié)點(diǎn)同樣監(jiān)測接收的數(shù)據(jù)流，直到監(jiān)測到follow＿up包后，立即進(jìn)入wait＿pre狀態(tài)，如果在這個(gè)狀態(tài)很久都沒有接收到follow＿up包，將等待超時(shí)返回到idle狀態(tài)。同樣，wait＿pre狀態(tài)下，直到監(jiān)測到delay＿req＿pre包后，跳入delay＿req狀態(tài)；如果等待超時(shí)，則返回idle狀態(tài)。delay＿req狀態(tài)下，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送delay＿req包后立即進(jìn)入wait＿delay＿resp狀態(tài)。在wait＿delay＿resp狀態(tài)下，監(jiān)測到delay＿resp包后，從節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入phase＿cacul狀態(tài)；如果長時(shí)間沒有監(jiān)測到delay＿resp包，則返回idle狀態(tài)。在phase＿cacul狀態(tài)下，開始相位差計(jì)算模塊后，立即進(jìn)入wait＿phase＿result狀態(tài)。在wait＿phase＿result狀態(tài)下，等到相位測量結(jié)果準(zhǔn)備好后，進(jìn)入delay＿cacul狀態(tài)；如果長時(shí)間，相位結(jié)果都沒有準(zhǔn)備好，或者相位結(jié)果錯(cuò)誤，則返回idle狀態(tài)。在delay＿cacul狀態(tài)下，開啟offset計(jì)算模塊后，進(jìn)入wait＿result狀態(tài)。在wait＿result狀態(tài)下，當(dāng)檢測到偏移測量結(jié)果準(zhǔn)備好信號(hào)后，進(jìn)入offset＿update狀態(tài)；否則返回到idle狀態(tài)。在offset＿update狀態(tài)下，從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步協(xié)議向本地時(shí)鐘模塊發(fā)送偏移校正信號(hào)，從而更新從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘，然后進(jìn)入idle狀態(tài)。

4 測試結(jié)果

實(shí)際測試環(huán)境包括一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，之間用光纖連接。示波器用來觀察主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)輸出的pps信號(hào)。由于主從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相位不一致，示波器觀察到的就是這個(gè)相位差。pps上升沿到來時(shí)，主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳通過串口模塊輸出給PC 機(jī)。通過對(duì)比示波器測得的主從相位差以及pps上升沿主從時(shí)間戳的差值，就可以得出真實(shí)的時(shí)間戳同步精度。

本次測試使用了三種不同長度（3m、6m、5.15m）的光纖，然后通過觀察在不同長度光纖下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而可以判斷時(shí)鐘同步系統(tǒng)所能達(dá)到的精度。主從節(jié)點(diǎn)相位差直方圖以及相應(yīng)的時(shí)間戳的差值直方圖略——編者注。

由這三種不同長度光纖所得出的結(jié)果來看，本文實(shí)現(xiàn)的同步時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)間戳同步精度可達(dá)1ns。

結(jié) 語

本方案實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，以IEEE 1588協(xié)議中基于時(shí)間戳的報(bào)文通信為基本原理，在純硬件電路（FPGA）中實(shí)現(xiàn)。通過在主節(jié)點(diǎn)添加了相位差測試模塊，消除了主從節(jié)點(diǎn)相位不同的影響，最后實(shí)現(xiàn)的時(shí)間戳同步精度高達(dá)1ns。

本文設(shè)計(jì)出來的時(shí)鐘同步系統(tǒng)所需成本低，同步精度非常高，非常適合應(yīng)用在需要高精度時(shí)間戳的場合。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］K J Kang，J P Cheng，Y H Chen，et al.Status and Prospects of a Deep Underground Laboratory in China［J］.Journal of Physics：Conference Series，2010，203（1）.

［2］王貽芳.大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)［J］.物理，2006（3）.

［3］IEEE Instrumentation and Measurement Society.IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，2002.