一種機載網(wǎng)絡ieee1588協(xié)議從時鐘端口同步方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機載網(wǎng)絡IE邸1588協(xié)議從時鐘端口同步方法，屬于網(wǎng)絡化機載 測試領域。
【背景技術】
[0002] 在新一代網(wǎng)絡化通用機載測試系統(tǒng)中，為了提高數(shù)據(jù)采集設備之間的時間同步 精度，采用IEEE1588精密時間同步協(xié)議，為實現(xiàn)高精度、高同步性測試提供技術保障。 IEEE1588定義了一個能夠在測量和控制系統(tǒng)中實現(xiàn)高精度時鐘同步的協(xié)議一精確時間 協(xié)議（簡稱PT巧。PTP集成了網(wǎng)絡通信、本地計算和分布式對象等技術，適用于所有支持多 播的局域網(wǎng)進行通訊的分布式系統(tǒng)，特別適合于W太網(wǎng)。它能夠使系統(tǒng)中各類不同精度的 時間同步起來，利用最小的網(wǎng)絡和本地計算資源，使系統(tǒng)達到亞微級的同步精度。IE邸1588 協(xié)議中的從時鐘節(jié)點是PTP域的需要同步的時鐘節(jié)點，與從時鐘端口進行PTP報文交互，實 現(xiàn)與本PTP域的從時鐘節(jié)點進行時間同步。從時鐘節(jié)點由事件接口、普通接口、時間戳標注 單元、本地時鐘、PTP協(xié)議引擎、時鐘數(shù)據(jù)集和端口數(shù)據(jù)集組成。
[0003] 目前IE邸1588協(xié)議的可W采用支持IE邸1588協(xié)議的專用硬件電路實現(xiàn)，也可W 采用軟件實現(xiàn)。但是在機載網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)中，現(xiàn)有支持IEEE1588協(xié)議的專用硬件和軟件 均不能滿足系統(tǒng)的速度和同步精度要求。
[0004] 由于支持IE邸1588協(xié)議的網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)在國內(nèi)屬于首次，而國外關 于IEEE1588協(xié)議的實現(xiàn)方法和資料對我國封鎖嚴密，因此，在機載網(wǎng)絡環(huán)境下采用支持 IEEE1588協(xié)議的從時鐘端口同步方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設備之間的高精度時間同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是采用FPGA芯片設計一種支持IE邸1588協(xié)議的從時鐘模塊，來解決 現(xiàn)有網(wǎng)絡化機載測試系統(tǒng)精密時間同步問題。
[0006] 本發(fā)明中從時鐘端口時間同步的技術方案如下：
[0007] IE邸1588協(xié)議的從時鐘模塊由上行解析單元、PTP消息處理單元、下行封裝單元、 PTP時標單元、處理器和MAC硬核組成，其中，部分概念解釋如下：
[0008] 上行解析單元的任務：對MC接收的報文進行檢測，判斷是否為PTP報文，即讀取 數(shù)據(jù)包頭中目的MC地址，判斷是否為PTP協(xié)議規(guī)定固定的MC地址，若為PTP協(xié)議規(guī)定固 定的MC地址，說明接收到是一個PTP報文，若是，則進行IP效驗和UDP效驗，進行報文解 析和提取報文中的時間戳，將時間戳送往PTP消息產(chǎn)生模塊或控制模塊的處理器；否則，將 報文直接送往數(shù)據(jù)交換模塊。
[000引 PTP消息處理單元的主要功能包括；根據(jù)PTP組包命令產(chǎn)生同步（Sync)報文、延 遲響應值elay_Resp)報文、延遲請求值elay_Req)報文等消息的IE邸1588凈核部分，并攜 帶MC層和IP層的相關信息，一起送到下行封裝單元中。
[0010] 下行封裝單元的主要任務；把PTP消息產(chǎn)生模塊發(fā)送來的IE邸1588凈核，按照時 鐘包的模版進行封裝，并完成UDP效驗和IP效驗。
[0011] PTP時標單元的主要任務包括；一是完成PTP事件報文（Sync和Delay_Req)的檢 巧Ij，二是在PTP事件報文離開、到達使終端口的時刻時間戳標注。
[0012] 處理器單元主要是完成時間戳計算，時鐘單元與本地控制模塊的CPU、DAC、VCXO 構成鎖相環(huán)調(diào)整本地時鐘的頻率，同時時鐘單元根據(jù)CPU下發(fā)的調(diào)整值調(diào)整調(diào)整本地時 鐘的相位，最終使本地時鐘的時間脈沖計數(shù)器跟蹤主時鐘的時間脈沖計數(shù)器即達到時間同 步。
[0013] MC硬核分為發(fā)送和接收兩部分，其基本功能是：將MC子層形成的數(shù)據(jù)頓轉換成 4bit或Sbit的并行比特流發(fā)送到物理層，將從物理層接收4bit或Sbit的并行比特流將其 轉換成MC子層的數(shù)據(jù)頓，并對數(shù)據(jù)頓進行CRC校驗。
[0014] 本發(fā)明IE邸1588協(xié)議從時鐘同步方法，IE邸1588協(xié)議的從時鐘模塊包括上行解 析單元、PTP消息處理單元、下行封裝單元、PTP時標單元、處理器和MAC硬核，步驟如下： [001引 （I)MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的同步（Sync)報文，同時PTP時標單 元記錄同步（Sync)報文到達GMII/MII接口時間戳t2,把t2上報本地控制模塊中的處理器 單元；
[0016] 似MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的跟隨（Follow-Up)報文，把接收進 來的跟隨（FollowJJp)報文上傳到上行解析模塊，提取跟隨（FollowJJp)報文包含的時間 戳tl，把tl上報本地控制模塊中的處理器單元；
[0017] 做由下行封裝模塊組延遲請求值elay_Req)報文，并由MC硬核發(fā)送給本PTP域 的主時鐘端口，同時PTP時標單元記錄延遲請求值elay_Req)報文離開GMII/MII接口的時 間戳t3 ;
[001引 （4)MC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的延遲響應值elay_Resp)報文，把接 收進來的報文上傳到上行解析模塊，提取延遲響應值elay_Resp)報文包含的時間戳t4,把 t4上報本地控制模塊中的處理器單元；
[0019] (5)處理器單元根據(jù)4個時間戳計算出主、從時鐘的頻率差值Af和時間偏差 offset,時鐘單元與本地控制模塊的CPU、DAC、VCXO構成鎖相環(huán)調(diào)整本地時鐘的頻率，同時 時鐘單元根據(jù)CPU下發(fā)的調(diào)整值調(diào)整本地時鐘的相位，最終使本地時鐘的時間脈沖計數(shù)器 跟蹤主時鐘的時間脈沖計數(shù)器即達到時間同步。
【附圖說明】
[0020] 附圖1為IE邸1588協(xié)議從時鐘端口框圖；
[0021] 附圖2為主、從時鐘頻率同步過程的示意圖；
[0022] 附圖3為主、從時鐘的時間差估計過程示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 一種機載網(wǎng)絡IE邸1588協(xié)議從時鐘端口同步方法，IE邸1588協(xié)議的從時鐘模塊 包括上行解析單元、PTP消息處理單元、下行封裝單元、PTP時標單元、處理器和MC硬核 (參見圖1)，步驟如下：
[0024] (I)MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的同步（Sync)報文，同時PTP時標單 元記錄同步（Sync)報文到達GMII/MII接口時間戳t2,把t2上報本地控制模塊中的處理器 單元；
[0025] 似MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的跟隨（Follow-Up)報文，把接收進 來的報文上傳到上行解析模塊，提取跟隨（FollowJJp)報文包含的時間戳tl，把tl上報本 地控制模塊中的處理器單元；
[002引 做由下行封裝模塊組延遲請求值elay_Req)報文，并由MC硬核發(fā)送給本PTP域 的主時鐘端口，同時PTP時標單元記錄延遲請求值elay_Req)報文離開GMII/MII接口的時 間戳t3 ;
[0027] (4)MC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的延遲響應值elay_Resp)報文，把接 收進來的報文上傳到上行解析模塊，提取延遲響應值elay_Resp)報文包含的時間戳t4,把 t4上報本地控制模塊中的處理器單元；
[0028] (5)處理器根據(jù)4個時間戳計算出主、從時鐘的頻率差值A f和時間偏差offset， 時鐘單元與本地控制模塊的CPU、DAC、VCXO構成鎖相環(huán)調(diào)整本地時鐘的頻率，同時時鐘單 元根據(jù)CPU下發(fā)的調(diào)整值調(diào)整調(diào)整本地時鐘的相位，最終使本地時鐘的時間脈沖計數(shù)器跟 蹤主時鐘的時間脈沖計數(shù)器即達到時間同步。
[0029] 考慮到從時鐘設備中時鐘振蕩器會受到設備的振動、環(huán)境溫度變化、振蕩器電路 老化等因素的影響，時鐘振蕩器的頻率可能會隨時間緩慢變化。為提高從時鐘的精度和穩(wěn) 定性，本地時鐘同步過程包括兩個階段：頻率同步階段和相位同步階段。
[0030] 本地時鐘與主時鐘的振蕩頻率同步
[0031] 圖2為主、從時鐘頻率同步過程的示意圖，主時鐘端周期性發(fā)送帶有發(fā)送時間戳 tm。的Sync報文，從時鐘端在收到Sync報文時記下報文到達時間戳t,。。
[003引假定Sync報文的發(fā)送時間間隔為T，主時鐘的振蕩頻率為fm，從時鐘的振蕩頻率 為片，則有W下兩等式成立：
[003引 = T ? fm (D
[0034] ts2-tsi = T ? fs 似
[0035] 由式（1)和式（2)，可推導出從時鐘與主時鐘的頻率之差為
巧
[0037] 根據(jù)式（3)計算出的頻率差值調(diào)整本地時鐘的振蕩頻率，使本地時鐘與主時鐘頻 率達到頻率同步。
[0038] 本地時鐘與主時鐘相位同步
[003引圖3是主、從時鐘的時間差估計過程示意圖，其中t。為Sync報文離開主時鐘的時 間戳，ti為Sync報文到達從時鐘的時間戳，t2為Delay_Req報文離開從時鐘的時間戳，t3為 Delay_Req報文到達主時鐘的時間戳；offset表示從時鐘與主時鐘之間的時間偏差，Delay 為事件報文在主從時鐘之間的傳輸延時。
[0040] 根據(jù)主從時鐘之間的時間關系，有下面兩式成立：
[0041] ti = t〇+offset+delay (4)
[0042] ts = tz-offset+delay (5)
[0043] 由式（4)和式巧），可推導出從時鐘與主時鐘的時間偏差offset為：
銜
[0045] 本地時鐘則可根據(jù)由式（6)得到的時間偏差值對本地時鐘計數(shù)器和控制環(huán)路進 行調(diào)整，最終使得本地時鐘與主時鐘同步。
【主權項】
1. 一種機載網(wǎng)絡IEEE1588協(xié)議從時鐘端口同步方法，IEEE1588協(xié)議的從時鐘模塊包 括上行解析單元、PTP消息處理單元、下行封裝單元、PTP時標單元、處理器和MAC硬核，其特 征在于，包括以下步驟： (1) MAC硬核接收本PTP ±或的主時鐘端口發(fā)來的同步報文，同時PTP時標單元記錄同步 報文到達GMII/MII接口時間戳t2,把t2上報本地控制模塊中的處理器單元； (2) MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的跟隨報文，把接收進來的跟隨報文上 傳到上行解析模塊，提取跟隨報文包含的時間戳tl，把tl上報本地控制模塊中的處理器單 元； (3) 由下行封裝模塊組延遲請求報文，并由MAC硬核發(fā)送給本PTP域的主時鐘端口，同 時PTP時標單元記錄延遲請求報文離開GMII/MII接口的時間戳t3 ; (4) MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的延遲響應報文，把接收進來的報文上傳 到上行解析模塊，提取延遲響應報文包含的時間戳t4,把t4上報本地控制模塊中的處理器 單元； (5) 處理器單元根據(jù)4個時間戳計算出主、從時鐘的頻率差值Λ f和時間偏差offset， 時鐘單元與本地控制模塊的CPU、DAC、VCX0構成鎖相環(huán)調(diào)整本地時鐘的頻率，同時時鐘單 元根據(jù)CPU下發(fā)的調(diào)整值調(diào)整本地時鐘的相位，最終使本地時鐘的時間脈沖計數(shù)器跟蹤主 時鐘的時間脈沖計數(shù)器即達到時間同步。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種機載網(wǎng)絡IEEE1588協(xié)議從時鐘端口同步方法，IEEE1588協(xié)議的從時鐘模塊包括上行解析單元、PTP消息處理單元、下行封裝單元、PTP時標單元、處理器和MAC硬核，包括以下步驟：(1)MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的同步報文，同時PTP時標單元記錄同步報文到達GMII/MII接口時間戳t2，把t2上報本地控制模塊中的處理器單元；(2)MAC硬核接收本PTP域的主時鐘端口發(fā)來的跟隨報文，把接收進來的跟隨報文上傳到上行解析模塊，提取跟隨報文包含的時間戳t1，把t1上報本地控制模塊中的處理器單元。
【IPC分類】H04L7/00
【公開號】CN105634716
【申請?zhí)枴緾N201410605996
【發(fā)明人】單文軍, 馮曉林, 楊廷, 羅霄, 劉斌
【申請人】中國飛行試驗研究院
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年10月31日