专利名称：一种ieee1588时间测试分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种综合性时钟测试分析仪，尤其是指一种基于IEEE1588(网络 测控系统精确时钟同步协议)的设备和系统，专用于帮助时间同步化技术的开发和部署的 便携式测试工具。
背景技术：
以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，已逐渐垄断了商用计算 机的通信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现 场的趋势。要想在工业环境中能够有效的利用以太网，必须使其符合工业环境中的特殊需 求。以太网应用于工业现场的关键技术之一便是对实时性的保证。IEEE1588 (网络测控系统精确时钟同步协议)最初由Agilent Laboratories (安 捷伦实验室)的John Eidson以及来自其它公司和组织的12名成员开发，后来得到IEEE 的赞助，并于2002年11月得到IEEE批准。其基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与 其他时钟保持同步，它定义了一种精确时间协议PTP (Precision Time Protocol)，用于对 标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备 中的时钟进行亚微秒级同步。IEEE1588在起草过程中主要参考以太网来编制，无需额外的 时钟线，仍然使用原来以太网的数据线传送时钟信号，使组网连接简化和降低成本，使分布 式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。与未执行IEEE1588协 议的以太网延迟时间1，000 ys相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。在工业控制 领域一些对时间同步要求十分严格的分布式网络系统中，现行的Internet网络时间协议 NTP (Network Time Protocol)，简单网络时间协议 SNTP (Simple Network Time Protocol) 等不能达到所要求的同步精度或收敛速度，而PTP协议使基于工业以太网的高精度同步控 制成为可能。IEEE 1588 PTP协议也借鉴了 NTP技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须 有一个包含实时时钟的网络接口卡，可以实现基于PTP协议栈的相关服务。IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟0C(0rdinary Clock)和边界 时钟BC(Boundary Clock)，只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信 端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。从通信关系上又可把时钟分 为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP通信子 网内只能有一个主时钟。无论是局部区域的同步还是网同步，都与要以精确的时间信息为基础，只有对时 间精确测量才能保证数据的准确性。常用的基准时钟源包括GPS(全球定位系统)、伽利略、 北斗(中国版的GPS)等绝对时钟系统及IRIG-B(国际通用时间格式码)等。如同示波器是电路设计、测试和调试的基本工具一样，部署、分析和开发IEEE1588 精密时间协议技术也需要其专用的基本测试和调试工具。鉴于此，本实用新型设计一种综 合性的时钟测试仪，用于帮助时间同步化技术的开发和部署。
实用新型内容本实用新型主要解决的技术问题在于提供一种IEEE1588时间测试分析仪，用于 帮助时间同步化技术的开发和部署。为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种IEEE1588时间测试分析仪，包括绝对时钟系统接收模块、外部时钟信号 接收模块、时钟信号处理模块、时钟信号输入输出模块、测量分析模块、主处理模块及显示 屏；所述绝对时钟系统接收模块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收绝对时钟系 统发出的信号，并将该信号发送至所述时钟信号处理模块；所述外部时钟信号接收模块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收外部时钟信 号，并将该信号发送至所述时钟信号处理模块；所述时钟信号处理模块分别与测量分析模块及主处理模块相连，用于分析处理接 收到的信号，并将处理结果分别发送至测量分析模块及主处理模块；所述时钟信号输入输出模块与所述测量分析模块相连，用于向所述测量分析模块 输入各种时钟信息，并输出由所述测量分析模块发送来的各种时钟信息；所述PTP测量分析模块分别与所述时钟信号输入输出模块、所述主处理模块和所 述时钟信号处理模块相连，用于接收、处理、测量各种PTP信号以及其他时间信号，并将处 理后的信号及测量结果发送至所述主处理模块、所述时钟信号输入输出模块或发送至时钟 信号处理模块作进一步分析处理；所述主处理模块与显示屏相连，用于将各种信号、分析内容及测量结果显示出来。其中，所述绝对时钟系统包括GPS全球定位系统、伽利略系统、北斗系统。所述外 部时钟信号包括外部GPS或IRIG-B时间信号；IRIG-B-DC、IRIG-B-AC或变种IRIG-B曼彻 斯特码时钟编码、串行EIA-232或EIA-422时钟信息、PPS (秒脉冲数)信号、PPM(分脉冲 数)信号。IRIG是Inter-Range InstrumentationGroup的缩写，IRIG串行时间码，共有六 种格式，即IRIG-A、B、D、E、G、H，在IRIG六种串行时间码格式中，应用最为广泛的是IRIG-B 码。所述主处理模块上配置有若干USB接口。所述显示屏为液晶触摸屏。作为本实用新型的优选方案，所述时钟信号处理模块包括微处理器、可编程逻辑 芯片、实时时钟、时间保持单元振荡器；所述绝对时钟系统接收模块通过所述微处理器与所 述可编程逻辑芯片连接，所述实时时钟及时间保持单元振荡器分别与所述可编程逻辑芯片 连接。本实用新型的有益效果在于1、IEEE1588时间测试分析仪可支持高精度的测量基准时钟，可以通过如GPS(全 球定位系统)、伽利略、北斗(中国版的GPS)等绝对时钟系统同步。基准时钟也能通过光纤 接口与外部GPS或IRIG-B时间同步。这一设计能使该测试分析仪用来测试绝对时间(绝 对时间的基准)或相对时间(相对时间的基准)。2、IEEE1588时间测试分析仪能够用来监测、捕获、存储、分析时钟信息或时钟脉 冲。这些时钟信息包括IEEE1588PTP报文信息、PPS、PPM、IRIG-B-DC、IRIG-B-AC、变种 IRIG-B曼彻斯特码时钟编码以及串行(EIA-232或EIA-422)时钟信息。可以根据基准时钟测试多路PPS (秒脉冲数)、PPM(分钟脉冲数)信号，并能根据高精密度的基准时钟测量误 差。能够测量频率、脉冲宽度和事件顺序(S0E)。同时测量结果可以以数字示波器的方式显
7J\ o3、IEEE1588时间测试分析仪可提供触摸显示及数据存储功能，所有的输入和输出 信号均可以通过触摸式彩色显示屏观察；测试期间收集的所有数据可以存入U盘并重新播 放。4、对于高速的以太网传输，IEEE1588时间测试分析仪具有PTP协议分析功能，可 以用来捕获并分析所有的PTP消息，帮助解决任何PTP消息问题。本实用新型IEEE1588时间测试分析仪作为部署、分析和开发IEEE1588精密时间 协议技术的基本测试和调试工具，具有重要的应用价值。
图1是本实用新型IEEE1588时间测试分析仪的结构示意图。图2是本实用新型实施例中时钟信号处理模块的示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本实用新型的具体实施例请参看图1，一种IEEE1588时间测试分析仪，包括绝对时钟系统接收模块、外部 时钟信号接收模块、时钟信号处理模块、时钟信号输入输出模块、测量分析模块、主处理模 块及显示屏；所述绝对时钟系统接收模块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收绝对时 钟系统发出的信号，并将该信号发送至所述时钟信号处理模块；所述外部时钟信号接收模 块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收外部时钟信号，并将该信号发送至所述时钟信 号处理模块；所述时钟信号处理模块分别与测量分析模块及主处理模块相连，用于分析处 理接收到的信号，并将处理结果分别发送至测量分析模块及主处理模块；所述时钟信号输 入输出模块与所述测量分析模块相连，用于向所述测量分析模块输入各种时钟信息，并输 出由所述测量分析模块发送来的各种时钟信息；所述测量分析模块分别与所述时钟信号输 入输出模块、所述主处理模块和所述时钟信号处理模块相连，用于接收、处理、测量各种PTP 信号以及其他时间信号，并将处理后的信号及测量结果发送至主处理模块、所述时钟信号 输入输出模块或发送至时钟信号处理模块作进一步分析处理；所述主处理模块与显示屏相 连，用于将各种信号、测量结果及分析内容等信息显示出来。其中，所述绝对时钟系统包括GPS全球定位系统、伽利略系统、北斗系统。所述外 部时钟信号包括外部GPS或IRIG-B时间信号；IRIG-B-DC、IRIG-B-AC或变种IRIG-B曼彻 斯特码时钟编码、串行EIA-232或EIA-422时钟信息、PPS信号、PPM信号。所述主处理模块 上配置有若干USB接口，可作为调试接口及连接外部存储介子。所述显示屏为液晶触摸屏。作为一种优选方案，如图2所示，所述时钟信号处理模块包括微处理器、可编程 逻辑芯片、实时时钟、时间保持单元振荡器；所述绝对时钟系统接收模块通过所述微处理器 与所述可编程逻辑芯片连接，所述实时时钟及时间保持单元振荡器分别与所述可编程逻辑 芯片连接。工作时，绝对时钟系统接收模块通过绝对时间系统获取时间信息，例如GPS接收板卡(或北斗接收板卡、伽利略接收板卡)利用天线接收GPS卫星信号并进行解析，将时间 信号经由时钟信号处理模块的微处理器处理后送入可编程逻辑芯片，另外实时时钟及时间 保持单元振荡器也不断与可编程逻辑芯片进行数据交换。可编程逻辑芯片将以上多个时间 信号进行分析合成，通过一定算法得到绝对基准时钟(以绝对时间为基准)。同样的时钟信 号处理模块也可以由外部时钟信号接收模块通过外部GPS接口或IRIG-B接口与外部时间 同步，获取相对基准时钟(以外部相对时间为基准)。然后将绝对或相对基准时钟作为标准 时间参考信号发送给测量分析模块及主处理模块，或直接作为标准时间向外输出。另外，时钟信号处理模块还可以由外部时钟信号接收模块的其他通道接收各种时 钟信息、时钟脉冲或通过测量分析模块接收各种PTP信号、NTP信号等，利用其可编程逻辑 芯片对这些多路输入时间信号处理分析，或将待测信号与基准时钟进行比对、计算、处理， 再将测量结果通过微处理器输出至主处理模块。时钟信号输入输出模块与测量分析模块相连，用于传输各种待测的时钟信号，这 些时钟信号格式可以是PPS、PPM、PPH、IRIG-B、lOKHz、NTP。测量分析模块可分为PTP测量分析及其他时钟信号测量分析，主要接收上游PTP 网络时间信号及其他时钟信号，经模块中的关键部件FPGA专用集成电路芯片处理后送入 主处理模块进行处理，并由液晶显示触摸屏显示出来，实现对PTP信号及其他时钟信号的测量。主处理模块主要采用集成芯片进行数据的存储和处理，可实现可视化操作界面。 通过液晶触摸屏可将指令送入主处理模块，经处理后将控制信号送入微处理器，可进行简 单方便的操作。主处理模块配设的USB接口可以方便的通过移动存储器记录各种信息数 据。在实验室研发和现场测试期间，当出现同步化问题时，直接观察波形信号通常是 发现问题和解决问题的最佳与最快捷的方法。本实用新型测试仪提供示波器的功能即是专 为这一目的而设计。所有的输入和输出信号均可以通过触摸式彩色显示屏观察。同步化的进展通常需要花费一段时间以锁定状态。在这个时间段内，发生相当数 量的消息交换和调整。为了帮助观察整个过程，在IEEE1588时间测试分析仪的测试期间收 集的所有数据可以存入U盘并重新播放。这一特点也应用到数字示波器功能中。当处于示 波器模式时，测试仪将采样数据逐帧存入U盘。重新播放时，可以调出存储的每帧数据并加 以审核，以确定任何潜在的问题。对于高速的以太网传输，IEEE1588时间测试分析仪的PTP协议分析功能可以用来 捕获并分析所有的PTP消息，帮助解决任何PTP消息问题。所有捕捉到的消息均按纳秒级 别加以时间标签，并能存入U盘以便重新播放和进行进一步的分析。在执行测试和测量功 能，处于幕后的同时，IEEE1588时间测试分析仪可以被设定为充当或模拟PTP同步系统组 分中的任何部分，以产生或通过所必需的PTP网络流量，可以当做PTP主时钟、PTP子钟、PTP 边界时钟和模拟以太网交换机。比如，要测试PTP主时钟，IEEE1588时间测试分析仪可以 被设定为充当PTP子钟，以便与测试中的主时钟互换PTP消息，并检查其功能性。当不需要 IEEE1588时间测试分析仪充当PTP系统组分时，它可以在幕后以被动方式进行工作，仅仅 收集和分析PTP消息交换为了支持IEEE1588时间测试分析仪的各种功能，设定和选项被用来控制功能部件，比如使用哪种形式的PTP，或激活哪个通道以测量时间误差，或采用哪个通道连接 IRIG-B测试信号，IEEE1588时间测试分析仪支持改变这些设定和选项的简单方法，并且一 旦改变，IEEE1588时间测试分析仪将自动记忆这些变化，并在下一次访问该功能时将其调
出oIEEE1588时间测试分析仪可以支持IEEE1588PTP协议规范版本1 (IEEE标准 1588-2002，IEC61588 2004-09)和规范版本 2 (IEEE1588-2008)。对于版本 2、P2P 或 E2E， 支持延迟测量策略模式。当以主钟模式工作时，IEEE1588时间测试分析仪支持P2P和E2E 两者，并将自动适应子钟的延迟测量模式。本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实 施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来 说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本 实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其他形式来实现。在不脱离本实 用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
权利要求一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于，包括绝对时钟系统接收模块、外部时钟信号接收模块、时钟信号处理模块、时钟信号输入输出模块、测量分析模块、主处理模块及显示屏；所述绝对时钟系统接收模块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收绝对时钟系统发出的信号，并将该信号发送至所述时钟信号处理模块；所述外部时钟信号接收模块与所述时钟信号处理模块相连，用于接收外部时钟信号，并将该信号发送至所述时钟信号处理模块；所述时钟信号处理模块分别与测量分析模块及主处理模块相连，用于分析处理接收到的信号，并将处理结果分别发送至测量分析模块及主处理模块；所述时钟信号输入输出模块与所述测量分析模块相连，用于向所述测量分析模块输入各种时钟信息，并输出由所述测量分析模块发送来的各种时钟信息；所述测量分析模块分别与所述时钟信号输入输出模块、所述主处理模块和所述时钟信号处理模块相连，用于接收、处理、测量各种PTP信号以及其他时间信号，并将处理后的信号及测量结果发送至所述主处理模块、所述时钟信号输入输出模块或发送至时钟信号处理模块作进一步分析处理；所述主处理模块与显示屏相连，用于将各种信号、分析内容及测量结果显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于所述绝对时钟 系统包括GPS全球定位系统、伽利略系统、北斗系统。
3.根据权利要求1所述的一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于所述外部时钟 信号包括外部GPS或IRIG-B时间信号；IRIG-B-DC、IRIG-B-AC或变种IRIG-B曼彻斯特码 时钟编码、串行EIA-232或EIA-422时钟信息、PPS信号、PPM信号。
4.根据权利要求1所述的一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于所述主处理模 块上配置有若干USB接口。
5.根据权利要求1所述的一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于所述显示屏为 液晶触摸屏。
6.根据权利要求1所述的一种IEEE1588时间测试分析仪，其特征在于所述时钟信号 处理模块包括微处理器、可编程逻辑芯片、实时时钟、时间保持单元振荡器；所述绝对时 钟系统接收模块通过所述微处理器与所述可编程逻辑芯片连接，所述实时时钟及时间保持 单元振荡器分别与所述可编程逻辑芯片连接。
专利摘要本实用新型公开了一种IEEE1588时间测试分析仪，其由绝对时钟系统接收模块、外部时钟信号接收模块、时钟信号输入输出模块、时钟信号处理模块、测量分析模块、主处理模块及显示屏组成，所述时钟信号处理模块分别与绝对时钟系统接收模块、外部时钟信号接收模块、测量分析模块及主处理模块相连，所述测量分析模块用于PTP测量分析及其他时钟信号测量分析，分别与所述时钟信号输入输出模块、所述主处理模块和所述时钟信号处理模块相连。该IEEE1588时间测试分析仪可作为部署、分析和开发IEEE1588精密时间协议技术的基本测试和调试工具。
文档编号H04L29/06GK201708809SQ201020215420
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者于东, 冯峥, 刘晶, 陶晓农, 黄兵 申请人:上海远景数字信息技术有限公司