概述

  1. 在分布式网络化的控制系统中，考虑到调度和控制的实时性，对时间同步的精度要求非常严格。
  2. 影响分布式测控系统实时性差的主要根源：
    1. 各个测控设备之间的时钟差异
    2. 测控数据在网络中的传输延迟
  3. 网络时间协议NTP虽然通过一定的硬件配合和算法优化，可以提供系统的时钟同步性，但是只能达到毫秒级的同步精度要求
  4. 实现1588协议只需要在原有的网络上添加事件同步报文，这些报文占用少量的网络资源，他们只是和控制数据包或其他信息包共享网络。该协议成本低，而且独立于操作系统之外，适应性强，安装简单，无需复杂的配置工作，理论上其同步精度可以达到纳秒级。
  5. IEEE 1588标准定义了一种精确时间协议PTP，该协议为分布式测控应用而设计，基于报文流加时间戳的思想，采用软、硬结合的实现方式，旨在实现亚微秒级的同步精度。协议完全兼容以太网技术，协议报文均是基于UDP/IP多播报文发送，特别适合基于局域网的分布式应用。

时间同步的概念

  1. 时间同步包括频率同步和时间同步
    1. 频率同步
      1. 是指信号之间的频率保持某种严格的特定关系，比如有效瞬间表现为同一平均速率，以此维持通信网络中所有节点以相同的速率运行
      2. 数字通信中传递的信号是对原始信息进行编码后得到的PCM（脉冲编码调制）离散脉冲。假如通信网中某两个节点之间的时钟频率不同，或者由于数字比特流在传输中因噪声干扰而叠加了相位漂移和抖动，便会在接收节点的缓冲存储器中产生码元的丢失或重复，最终导致比特流出现滑码。
    2. 时间同步
      1. 时间同步的定义便是根据接收到的时间来调节通信网络中节点的时钟和时钟所显示的时刻。
      2. 时间同步和频率同步既有联系又有区别，它既调节时钟的频率同时也调节时钟的相位。由于相位和时间都是对频率的积分，所以又称时间同步为相位同步。
      3. 与频率同步不同的是，时间同步接受离散的时间信息，离散的调节节点时钟。
      4. 时间同步完成两个重要功能，即对时和守时。对时就是对表，通过不定期的对表操作，将本地节点的时刻与远端节点的标准时刻进行相位同步；守时就是频率同步，即在对表的间隙里，保证本地节点时刻与远端节点的标准时刻之间的偏差在一个允许的范围之内

现有的几种同步技术

  1. GPS对时系统
    1. GPS可以同时跟踪太空中的24颗GPS卫星，自动选择最佳星座进行定位、定时。
  2. 电路仿真技术
  3. 同步以太网技术
    1. 以太网在物理层与SDH一样采用串行码流方式进行传送，因此响应的接收端必须提供时钟恢复业务，否则仍然会出现滑码现象。所以，以太网本身具备了传递时钟信息的功能。
  4. 包时钟技术
    1. 包时钟ToP（Time over Packet），就是利用分组网络来传递时间信息。时间报文的格式可以多种多样，比如RTP、NTP、IEEE 1588，只要报文中懈怠了时间信息就可以了。
    2. IEEE 1588标准又称作PTP协议，主要用于工业以太网，具有亚微秒级的时间精度，可以同时传递频率信息和相位信息
  5. 秒脉冲对时
    1. 实现方式简单，理想状态下同步精度±1us
    2. 精度受主时钟性能与线路长度的影响较大
    3. 电信号在双绞线中的传播速度约为5ns/m，可见秒脉冲对时只适用于近距离对时，秒脉冲不能传递当前的UTC时间值

IEEE 1588标准介绍

  1. IEEE 1588标准的全称是《网络测量和控制系统的精确时钟同步协议》（Precision Clock Synchronization for Networked Measurement and Control Systems）,也被称作PTP协议，它在各种同步协议中的同步精度是最高的
  2. IEEE 1588:2008也称为IEEE 1588第二版，其主要基于以下几个要求
    1. 实现亚微秒级的时间同步，用于均是和实际的测试与测量中
    2. 缩短时间报文使其等长，来满足通信网中的应用，登场保温传递时的延时变化较小
    3. 提供容错特性，来从网络重建和祖母时钟崩溃中快速恢复
    4. 能把协议映射到一些非以太网的网络中
  3. 与第一版相比，第二版的改进：
    1. 报文格式。为了缩短报文长度，同步报文被分隔成Announce（声明报文）和Sync（同步报文），分别实现最佳主时钟算法和时间同步。
    2. 端到端透明时钟。
    3. 第一版中所有报文都是通过多播传递的，第二版提供了一种机制使得从时钟可与主时钟协商后在一定时间间隔内使用单播传输，这种特性广泛应用于通信中。
  4. IEEE 1588系统构成
    典型的PTP系统模型
    典型的PTP系统模型
  5. IEEE 1588协议是一种说明系统中的实时PTP时钟如何相互同步的分布式协议，普通时钟和边界时钟被组织在一个主从同步层次中。PTP协议中的报文分为两类，即事件（Event）报文和一般（General）报文。
    1. Event Messages：同步报文，延时请求，P2P延时请求，P2P延时响应。属于定时消息，发送或者接收的时刻需要打时间戳
    2. General Messages：管理报文，声明报文，信令报文，跟随报文，延时响应，点延时相应跟随。不属于定时消息，不需要打时间戳
  6. PTP协议中，节点是一个包含实时时钟的设备，这个时钟可能会有多种用途，例如产生PTP报文的时间戳，或者触发由该节点管理的事件。
  7. PTP协议包括两个方面：时钟同步功能和管理功能。所有的普通时钟在这两个方面的表现都相同，边界时钟的每一个端口相当于一个普通时钟。管理节点不需要实现时钟同步功能而只需要实现管理功能，除非它本身也是一个时钟节点。
  8. IEEE 1588的所有时钟都是向224.0.1.129这个组播地址不停的发送网络报文的。

IEEE 1588工作机制

  1. 建立主从秩序。网络中的各个节点通过最佳主时钟算法，选举出祖母时钟、主时钟和从时钟。祖母时钟精度最高，主时钟次之，从时钟最低。
  2. 低等级的时钟向高等级的时钟进行同步。网络中的主从时钟通过握手机制进行同步报文的交换。

GPS

  1. 通过串口解析出来的GPS时间信息是UTC时间，UTC时间是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。UTC时间起点是1970年1月1日0时整。在IEEE1588 v2协议中，时间值的存储是以48位秒值和32位纳秒值两种形式构成的。

DP83640

DP83640功能框图
DP83640功能框图
  1. 全面支持IEEE 1588协议的物理层芯片，不但提供了完整的MII，还设计了12个GPIO引脚实现实时动作处理功能，其特点如下
    1. 支持IEEE 1588 v1和v2
    2. 支持以太网UDP/IP第四版，UDP/IP第六版和Layer2协议
    3. 支持高精度IEEE 1588时钟同步，时间戳最大分辨率可达8ns
    4. 提供12个可配置GPIO
    5. 频率可配置的同步时钟输出
  2. DP83640对IEEE 1588协议中对实时性要求极高的部分提供了完整的硬件支持，分别是
    1. IEEE 1588同步时钟的产生
    2. 时钟同步报文的硬件标记
    3. 事件触发和事件捕获的时间戳标记
  3. DP83640的功能
    1. IEEE 1588时钟输出。DP 83640可以向外部设备提供频率可调的同步时钟信号，其标称频率为250/nMHz，其中n为2~255之间的任意整数，即980.4kHz~125MHz之间的离散值
    2. IEEE 1588事件触发。DP 83640可以在GPIO引脚上产生一个基于IEEE 1588时钟的触发信号，这个信号可以是一次性上升或下降沿，脉宽可调的单脉冲或者周期信号。DP 83640可以为每一个触发器指定相应的GPIO输出引脚以及触发时刻。当内部IEEE 1588时钟走时到达此值时，事件被触发。芯片最多可支持在任意GPIO引脚上发送八个触发信号。可支持在单引脚上发送多重触发信号，支持产生复杂的信号波形。此时，个触发信号通过逻辑或组合在一起产生一个联合信号。使用DP83640提供的触发功能，还可以让芯片输出一个秒脉冲信号
    3. IEEE 1588时间戳标记。DP 83640可以为发生的外部事件标记时间戳。事件的监测可通过外部脉冲的上升沿或下降沿。事件时间戳标记单元可最多监测任意GPIO引脚上发生的八个外部事件。事件时间戳以单一序列的方式保存，此序列可最多保存八个时间戳信息。需要对事件时间戳做出35ns（频率125MHz的IEEE1588参考时钟的周期X3+11ns）的调整，来消除由于输入延迟和同步延迟带来的影响。
    4. IEEE 1588同步报文检测。DP 83640的发送报文解析器和接收报文解析器可以自动检测节点发送和接收的符合IEEE 1588第一版和第二版所定义的同步报文，并将其时间戳信息提供给软件。
  4. 所有的配置引脚（strap pin）内部都有微弱的上拉电阻或者下拉电阻，如果要改变默认配置，那么需要在该引脚外面上拉或者下拉2.2K的电阻。
  5. 7号引脚默认情况下是作为power-down的输入引脚，低电平有效。这等效于将BMCR寄存器中的bit11置1.将MICR寄存器的INT_OE位置1将会使器件跳出Power Down状态。
  6. DP83640集成了系统诊断功能，能够评估连接的质量，检测潜在的错误
  7. DP83640接收外部25MHz频率信号，依靠内部相位产生模块（PGM）产生125MHz的时钟信号，因此其可控周期的时间间隔是8ns

报文

  1. 采用UDP协议时，事件报文和通用报文的UDP目的端口号分别为319和320；直接采用以太网方式封装时，PTP敖文的以太网类型为0x88F7
  2. PTP报文由报文头、报文主体以及报文扩展字段（可选）等部分组成，其中报文头为34字节，对所有报文都是通用的。
  3. Master每发送一个Sunc报文都会有1个单独的sequenceID，并按递增顺序排列；当Slave向Master发送Delay_Req请求后，Master会回复相应的Delay_Resp报文，这两个交互报文的sequenceID是相同的。
    PTP over Ethernet
    PTP over Ethernet
PTP over IPv4
PTP over IPv4
PPT报文格式
PPT报文格式