一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统，若干个PTP设备节点经由PTP以太网交换机互联组成时间同步系统，PowerPC微处理器的以太网控制器MAC层集成PTP协议单元，对数据包MAC层进行时戳标记，发送和接收报文，并提供IEEE1588网络授时服务；GPS时钟源接收硬件单元，接收外部GPS时间信息，作为IEEE1588的时间同步的基准，本发明专利技术同步精度优于100ns，不需要专业测试设备，降低系统成本，避免从时钟在Sync报文的间隙内发生突变，并通过动态补偿的方式使同步精度得到了保障，达到了高精度的时间同步。

A high precision time synchronization system based on IEEE1588 protocol

【技术实现步骤摘要】
一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统
本专利技术涉及嵌入式通信及时间同步等领域，尤其是一种时间同步系统。
技术介绍
时钟同步技术是许多重要应用领域的支撑技术，为保证航空活动的正常进行，现代航空应用的时钟同步精度要求己从微秒量级到达纳秒量级，目前业界的网络时频同步产品大多采用NTP(NetworkTimeProtocol)时间同步技术，NTP时间同步方式只能达到亳秒级的时间同步精度，无法满足高精度的需求。IEEE1588是网络测控系统的精密时钟同步协议标准，通常称为PTP(PrecisionTimeProtocol)。PTP是针对网络环境设计的，协议标准简单，占用的网络和计算资源少，采用此协议可以实现亚微秒级的时间同步精度，最高可以达到10纳秒以下的同步精度，可以满足苛刻的时间和频率同步精度要求。IEEE1588时间戳在硬件上实现，并且不局限于应用层，此外，PTP模块化的设计也使它很容易适应低端设备。PTP协议定义了4种多点传送的报文类型和管理报文，包括同步报文(Sync)，跟随报文(Follow_up)，延迟请求报文(Delay_Req)，延迟应答报文(Delay_Resp)和管理报文。报文有一般报文和事件报文两种类型。跟随报文和延迟应答报文属于一般报文，一般报文本身不进行时戳处理，它可以携带事件报文的准确发送或接收时刻值信息。同步报文和延迟请求报文属于事件报文，事件报文是时间敏感消息，需要加盖精确的时间戳。相比NTP，PTP能够满足更高精度的时间同步要求，相比GPS，PTP具备更低的建设和维护成本，但目前在航电系统设备中还没有成熟的IEEE1588时间同步解决方案，因此突破基于IEEE1588的时间同步技术成为亟待解决的技术瓶颈。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统，以实现网络时钟同步。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统包括若干个PTP设备节点，若干个PTP设备节点经由PTP以太网交换机互联组成时间同步系统，其中PTP设备节点分为主时钟节点和从时钟节点，每个PTP设备节点包括嵌入式PowerPC微处理器，PowerPC微处理器的以太网控制器MAC层集成PTP协议单元，对数据包MAC层进行时戳标记，发送和接收报文，并提供IEEE1588网络授时服务；GPS时钟源接收硬件单元，接收外部GPS时间信息，并作为IEEE1588的时间同步的基准，其中GPS时钟源接收硬件单元存在于IEEE1588的主时钟节点；每个PTP设备节点都集成PPS(PulsePerSecond,秒脉冲)输出单元，输出秒脉冲，用于对同步精度的测量；每个PTP设备节点中包含IEEE1588软件系统，IEEE1588软件系统包括IEEE1588协议栈软件、GPS接口驱动、PPS输出控制软件和MAC层时戳处理软件。所述IEEE1588协议栈软件由IEEE1588协议引擎组成，协议引擎是整个IEEE1588协议的核心，协议引擎处于一个无限循环运行的过程，当初始化完成后进入某个状态下的工作模式，并根据当前运行环境在各个状态之间跳转，仅当发生错误时退出，由定时器设定报文发送时限，保证节点的报文发送和接收处理能够正常运行和转换；协议引擎定义了多种IEEE1588时钟节点端口状态，在协议运转时各个端口会根据自身状态以及外部情况做出相应动作，端口状态包括：PTP_INITIALIZING(初始化状态)：PTP节点上电后或者节点掉线重连后时钟端口进入的状态，该状态完成协议数据集初始化、网络初始化、定时器初始化和硬件初始化操作。PTP_FAULTY(错误状态)：当端口发生故障或检测到错误时端口的状态变为PTP_FAULTY，当故障清除时端口状态变为PTP_INITIALIZING，若故障未消除，则进入PTP_DISABLED状态；PTP_DISABLED(端口禁止状态)：在PTP_DISABLED状态时只能接收管理报文，其他报文直接丢弃，且不对外发送报文，处于PTP_DISABLED状态的端口使能时进入PTP_INITIALIZING状态；PTP_MASTER(主时钟状态)：时钟端口进入主时钟工作模式，开启定时器周期发送Sync报文，同时处理Delay_Req报文和同步处于PTP_SLAVE状态的时钟端口；PTP_SLAVE(从时钟状态)：时钟端口进入从时钟工作模式，接收主时钟发送的Sync报文，如果需要计算时钟偏移，则发送Delay_Req报文，并接收Follow_Up报文和Delay_Resp报文携带的时戳信息，计算与主时钟的偏移量及报文传输延时，修正本地时钟；系统默认的主时钟节点端口状态为PTP_MASTER，PTP从时钟节点端口状态为PTP_SLAVE。所述GPS接口驱动软件运行在主时钟节点上，用于通过GPS获取系统的参考时钟源。所述PPS输出控制软件运行在PTP设备节点，根据节点的时钟信息，驱动PPS单元输出秒脉冲。所述MAC层时戳处理软件是对VxWorks操作系统网络协议栈进行定制开发的，分为发送协议包时戳标记功能，接收协议包时戳解析功能。其中：发送协议包时间标记，软件中增加对PTP支持与发送包过滤，对IEEE1588协议包进行包序号(SequenceID)标记及硬件时戳信息获取，根据标号及时戳信息对协议包进行时戳标记；接收协议包时戳解析，软件中对接收包时戳进行配置，对收到的网络包进行过滤解析，将IEEE1588协议包时戳信息放入环形缓存区中，供协议引擎使用。集成PTP协议处理的通用以太网交换机，支持IEEE1588V2、边界时钟(BC)、E2E透明时钟和P2P透明时钟。本专利技术的有益效果在于提供一种成熟的采用GPS时钟源的IEEE1588高精度时间同步系统，同步精度优于100ns，且具有如下优点：1、PPS输出本专利技术实现了从PowerPC硬件单元和协议栈软件中输出PPS，通过示波器捕获秒脉冲信号进行同步精度测量，时间节点间秒脉冲输出差值即为同步精度，不需要专业测试设备，降低系统成本。2、高同步精度的频率补偿技术通过IEEE1588协议包计算出从时钟相对主时钟的频率偏移，以微调的方式对从时钟的频率进行调节，使从时钟逐步逼近主时钟，该方式需在多个同步周期内完成，可以维持时间的线性变化，避免从时钟在Sync报文的间隙内发生突变，并通过动态补偿的方式使同步精度得到了保障。3、基于VxWorks的MAC层时戳标记及获取MAC层时戳处理软件是对VxWorks操作系统网络协议栈进行定制开发的，使得嵌入式实时操作系统VxWorks也支持IEEE1588硬时戳处理，结合实时操作系统的实时特性，使得本专利技术实现的系统达到了高精度的时间同步。附图说明图1是本专利技术IEEE1588高精度时间同步系统的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统，其特征在于：/n所述基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统包括若干个PTP设备节点，若干个PTP设备节点经由PTP以太网交换机互联组成时间同步系统，其中PTP设备节点分为主时钟节点和从时钟节点，每个PTP设备节点包括嵌入式PowerPC微处理器，PowerPC微处理器的以太网控制器MAC层集成PTP协议单元，对数据包MAC层进行时戳标记，发送和接收报文，并提供IEEE1588网络授时服务；GPS时钟源接收硬件单元，接收外部GPS时间信息，并作为IEEE1588的时间同步的基准，其中GPS时钟源接收硬件单元存在于IEEE1588的主时钟节点；每个PTP设备节点都集成PPS(Pulse Per Second,秒脉冲)输出单元，输出秒脉冲，用于对同步精度的测量；每个PTP设备节点中包含IEEE1588软件系统，IEEE1588软件系统包括IEEE1588协议栈软件、GPS接口驱动、PPS输出控制软件和MAC层时戳处理软件。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统，其特征在于：
所述基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统包括若干个PTP设备节点，若干个PTP设备节点经由PTP以太网交换机互联组成时间同步系统，其中PTP设备节点分为主时钟节点和从时钟节点，每个PTP设备节点包括嵌入式PowerPC微处理器，PowerPC微处理器的以太网控制器MAC层集成PTP协议单元，对数据包MAC层进行时戳标记，发送和接收报文，并提供IEEE1588网络授时服务；GPS时钟源接收硬件单元，接收外部GPS时间信息，并作为IEEE1588的时间同步的基准，其中GPS时钟源接收硬件单元存在于IEEE1588的主时钟节点；每个PTP设备节点都集成PPS(PulsePerSecond,秒脉冲)输出单元，输出秒脉冲，用于对同步精度的测量；每个PTP设备节点中包含IEEE1588软件系统，IEEE1588软件系统包括IEEE1588协议栈软件、GPS接口驱动、PPS输出控制软件和MAC层时戳处理软件。


2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE1588协议的高精度时间同步系统，其特征在于：
所述IEEE1588协议栈软件由IEEE1588协议引擎组成，协议引擎是整个IEEE1588协议的核心，协议引擎处于一个无限循环运行的过程，当初始化完成后进入某个状态下的工作模式，并根据当前运行环境在各个状态之间跳转，仅当发生错误时退出，由定时器设定报文发送时限，保证节点的报文发送和接收处理能够正常运行和转换；
协议引擎定义了多种IEEE1588时钟节点端口状态，在协议运转时各个端口会根据自身状态以及外部情况做出相应动作，端口状态包括：
PTP_INITIALIZING(初始化状态)：PTP节点上电后或者节点掉线重连后时钟端口进入的状态，该状态完成协议数据集初始化、网络初始化、定时器初始化和硬件初始化操作；
PTP_FAULTY(错误状态)：当端口发生故障或检测到错误时端口的状态变为PTP_FAULTY，当故障清除时端口状态变为PTP_INITIALIZING，若故障未消除，则进入PTP_DISABLED状态；
PTP_DISABLED(端口禁止状态)：在PTP_DISAB...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅，杨竞，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：河南;41