基于ARM-WinCE平臺(tái)的時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)

摘要：時(shí)鐘同步是分布式系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，為實(shí)現(xiàn)基于ARM—WinCE嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試儀器組建分布式測(cè)試系統(tǒng)，在介紹IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議基本原理的基礎(chǔ)上，提出了使用具有IEEE1588協(xié)議硬件支持功能的DP83640以太網(wǎng)物理層收發(fā)器在基于ARM-WinCE的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的設(shè)計(jì)方案，給出了硬件設(shè)計(jì)的接口電路和軟件設(shè)計(jì)框架。經(jīng)測(cè)試該方案可達(dá)到不低于1μs的同步精度。
關(guān)鍵詞：時(shí)鐘同步；IEEE1588；ARM；WinCE；DP83640

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，組建分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，提高測(cè)試效率、共享信息資源，已成為現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的方向。分布式測(cè)試系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)等通信媒介把分布于各測(cè)試點(diǎn)、獨(dú)立完成特定功能的測(cè)試設(shè)備連接起來，以達(dá)到測(cè)試資源共享和協(xié)同工作等目的。時(shí)鐘同步是分布式系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，其目的是維護(hù)一個(gè)全局一致的物理或邏輯時(shí)鐘，使得系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)中與時(shí)間有關(guān)的信息、事件及行為有一個(gè)全局一致的解釋。IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議是當(dāng)前分布式測(cè)試系統(tǒng)中時(shí)鐘同步研究的熱點(diǎn)。采用硬件支持的IEEE1588協(xié)議能夠在以太網(wǎng)中不同結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)鐘同步，為工廠自動(dòng)化、測(cè)試和測(cè)量以及通信等領(lǐng)域需要高精度時(shí)鐘同步的應(yīng)用提供了一種有效的解決方案。本文采用具有IEEE1588精確時(shí)鐘協(xié)議硬件支持功能DP83640芯片在基于ARM和WinCE的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)IEEE1588協(xié)議，為基于嵌入式系統(tǒng)的智能測(cè)試儀器組成分布式測(cè)試系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1 IEEE1588協(xié)議原理
IEEE1588的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，簡(jiǎn)稱精確時(shí)鐘協(xié)議(Precision Time Protocol，PIP)。IEEE1588協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，在起草過程中主要參考以太網(wǎng)來編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)?；緲?gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(客戶機(jī))的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，提供同步建立時(shí)間小于10μs的運(yùn)用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)延遲時(shí)間1000μs相比，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)同步指標(biāo)有顯著的改善。
IEEE1588時(shí)鐘協(xié)議在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，主時(shí)鐘設(shè)備按照一定的時(shí)間間隔(一般為2 s)周期性地以廣播方式發(fā)送同步報(bào)文(Sync)和同步跟隨報(bào)文(FollowUp)，且在FollowUp報(bào)文中記錄Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳t1，而從時(shí)鐘設(shè)備接收Syne報(bào)文記錄接收時(shí)間戳為t2；然后，從時(shí)鐘設(shè)備節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req)(一般4～60 s發(fā)送一次)，并記錄其發(fā)送時(shí)間戳t3，主時(shí)鐘設(shè)備接收判延遲請(qǐng)求后，記錄接收時(shí)間戳t4，并給相應(yīng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送延遲請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文(Delay_Resp)，該報(bào)文信息中包古時(shí)間戳t4。通過得到的4個(gè)時(shí)間戳，可以計(jì)算出主從時(shí)鐘之間的偏移量Toffset和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木€路延遲ms_delay，其過程如圖1所示。