一种基于sopc组网的亚微秒级时钟同步方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要设及网络通信技术领域，特别地，设及一种基于S0PC(Systemona Programm油Ie化ip,可编程片上系统）组网的亚微秒级时钟同步方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着网络技术的飞速发展，分布式网络在各行业得到广泛的应用，且在分布式网 络中各个分布式控制器对时间同步的精度要求也越来越高。目前，在通信领域各个基站或 移动设备之间、各个地域的电力电网系统的时间要求统一、军事航天装置等领域对时间同 步提出了微秒级要求，在网络金融领域的网上银行交易、股市证券交易也都要求高精度的 时间同步，尤其是正在研究的大规模化C(Programm油IeLogicController,可编程逻辑控 制器）控制系统对各控制节点也提出了微秒级的时钟同步要求。
[0003] IE邸1588协议自2002年诞生W来，已经成为各相关领域的研究人员的研究热点。 IE邸1588协议全称为"网络测量和控制系统时间同步协议标准"，又简称为PTP(Precision TimeProtocol,精准时间同步协议），其提供了亚微秒级的同步精度，克服了传统 GPS(Global化sitioningSystem,全球定位系统）授时技术的局限性。IE邸委员会在2008 年颁布IE邸1588标准第二版（IE邸1588V2)，其最大技术突破就是引入了透明时钟，针对 PTP报文在传输过程中经过各网络交换设备的不确定性时延做了补偿，使其同步精度更高。
[0004] 对于精准时间同步PTP实现的研究及设计，已有许多研究者对其进行了研究，目 前的时间同步的研究总体上设及W下几个方面，纯粹计算机网络拓扑结构及方法、无线网 络时钟同步、智能电网系统、硬件时间戳实现方式、网络传输延迟、时钟频率补偿。然而，现 有技术对于大规模网络分布式嵌入式控制器，尤其是针对于大规模PLC控制系统的时钟同 步系统的整体架构及方法设计鲜少。
[0005] 有鉴于此，有必要提供一种可W基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法及系统。
【发明内容】
[0006] 本发明的其中一个目的在于为解决上述问题而提供一种基于SOPC组网的亚微秒 级时钟同步方法，本发明的另一个目的在于提供一种基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步 系统。
[0007] 本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法，包括：远程基准主父时钟 与来自外部GI^时钟或北斗系统时钟的世界协调时UTC进行同步；本地一级PTP域各节点 通过支持透明时钟功能的网络交换设备与远程基准主父时钟进行同步；每个基于巧nq平 台的从时钟设备支持IE邸1588V2协议W及千兆W太网，接收来本级网络的最优主时钟进 行时间同步和频率同步；下级PTP域通过边界时钟与主父时钟同步时，经由上级主时钟进 行时钟同步，本级PTP域掌握自主时钟同步控制权期间，通过最佳主时钟算法选出最佳主 时钟作为本级网络的主时钟。
[0008] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法的一种改进，所述边 界时钟与所述主父时钟同步时，经由上级主时钟进行同步，再进入下一级PTP域的各节点 进行时钟同步；并且，在本级PTP域自主控制时钟同步期间，通过最佳主时钟算法BMC选出 最佳主时钟。
[0009] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法的一种改进，对于时 间同步精度相对要求较低的下一级PTP域，其初始主时钟来自与上一级主时钟同步的边界 时钟通过BMC产生；本级PTP域在一定时间内，自主控制时间同步请求频率，其主时钟在本 级PTP域各节点设备进行BMC挟择，但其边界时钟需定时进行与上级主时钟进行同步，W保 证本PTP域的绝对时间同步在预设误差范围内。
[0010] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法的一种改进，每个从 节点设备接收主设备发来的PTP消息报文分为事件消息报文和普通消息报文，其中，所述 从节点设备在接收或者发送所述事件消息报文时应标记时间戳，而在接收到所述普通消息 报文时则不需标记时间戳，并且在MC与PHY层之间的XGMII层进行时间标记。
[0011] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法的一种改进，主时钟 设备向PTP域W多播形式发送时钟同步报文，并标记第一发送时间戳ti，并发送携带由所述 第一发送时间戳ti的跟随报文给从时钟设备；从时钟设备接收到所述时间同步报文时标记 第一接收时间戳t2,并延迟一段时间再向主时钟设备发送延迟请求报文并记录第二发送时 间戳t3;主时钟设备收到所述延迟请求报文时记录第二接收时间戳14,并向从时钟设备返 回携带所述第二接收时间戳t4的延时响应报文；其中，上述报文由透明时钟计算经过每个 网络交换设备的驻留时间，并将其填充到校正域字段CF,从时钟设备已获得有效时间按照 同步计算公式进行同步，同时也根据频率偏差计算公式进行频率补偿修正。
[0012] 本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统，采用如上所述的时钟同 步方法进行时钟同步，其中，所述时钟同步系统的主父时钟包括GI^接收器、GI^解析预处 理单元、时间输入单元、本地时间控制单元、时间戳标记单元、光纤模块、本地恒溫晶振、PS 部分和化部分交互的AXI互联和AXI-DMA互联、IOGW太网MC控制器、IOGW太网物理编 码和物理媒体附加子层、应用处理器和孤R3存储器。
[0013] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统的一种改进，所述GPS 接收器接收来自GI^的世界协调时UTC时间报文，所述GI^解析预处理单元判断所述UTC时 间报文是否接收正常，并在接收正常时从所述UTC时间报文解析出UTC时间，并且通过所述 时间输入单元将所述UTC时间信息输送给所述本地时间控制单元；所述本地时间控制单元 在接收到所述UTC时间报文时立即产生中断并开始计时，将所述UTC时间报文接收处理完 成所用时间累加作为所述主父时钟的本地系统时间；在UTC时间报文接收出现异常时使用 所述主父时钟的本地时间控制计数器对所述本地恒溫晶振进行计数维持本地时间，并且， 经过所述本地时间控制单元仲裁出有效时间输出给所述时间戳标记单元；所述时间戳标记 单元基于IEEE1588协议标记时间戳，并通过所述光纤模块进行差分信号传输；所述IOGW 太网物理编码和物理媒体附加子层解析处理同步报文，其所需的时间信息由所述时间戳标 记单元将处理好的时间提供；另外，所述应用处理器通过AXI互联对其进行寄存器控制，并 通过AXIDMA及互联与孤R3进行数据流交互。
[0014] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统的一种改进，所述透 明时钟除了具有普通的桥、路由器或中继器转发报文功能外，对于PTP事件消息，驻留时间 桥还用于测量PTP事件消息穿过所述透明时钟的驻留时间，并把所述驻留时间填充到PTP报文的特定字段并跟随报文一起转发到下一跳。
[0015] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统的一种改进，还包括 备用主父时钟，所述备用时钟和所述主父时钟共用同一GI^接收器并使用同一时间源；其 中，所述备用时钟和所述主父时钟是相对的，在初始使用所述主父时钟，两者也隔相对较长 一段时间进行时钟状态BMC比较切换，所述时钟同步系统选择较优时钟作为主父时钟作为 基准时钟；所述备用时钟还用于在所述主父时钟出现故障时作为基准主父时钟，且在所述 备用时钟和所述主父时钟出现故障时一级PTP域通过BMC选取最佳主时钟充当基准主父时 钟，使整个网络达到相对时间同步。
[0016] 作为本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统的一种改进，所述基 于巧nq平台的节点设备的PTP软硬件系统设计包括应用处理单元、参考时钟源模块、DDR3 存储器、时间戳标记单元、时钟频率补偿模块，光纤模块、PS部分与化部分交互的AXI互联 及AXI-DMA互联、IOGW太网MC控制器、IOGW太网物理编码和物理媒体附加子层；其中， 所述时间戳标记单元使用可编程逻辑实现，嵌在收发器PHY层与MC之间的XGMII层，具体 为IOGW太网物理编码和物理媒体附加子层PCS/PMA，采用64位计数器，高32位为秒域，低 30位为纳秒域，30~3化it保留；所述时间戳标记单元的时钟输入由外部时钟产生，在需使 用化逻辑实现同步计算时，在IOGW太网物理编码和物理媒体附加子层所标记的单独分离 的时间输出端口进行逻辑设计，同时支持带内时间传输给所述应用处理器进行计算，所述 应用处理器经过频率补偿计算后再反馈到所述时间戳标记单元纠正计时频率。
[0017] 相较于现有技术，本发明提供的基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法和系统 具有W下有益效果：
[0018] 一、所述基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法和系统采用分层式组网进时间 同步，其主父时钟源采用GI^授时，能达到与世界协调时UTC的纳秒（ns)级高精度同步；
[0019] 二、所述基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步系统采用分层式同步的方法，根据不 同同步精度的要求进行分层，能够保证精度要求的同时还能提升效率；
[0020] =、所述基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法和系统采用透明时钟与边界时 钟作为远距离同步报文传输的交换设备，能够对非确定性网络传输延迟进行时间补偿；
[0021] 四、所述基于SOPC组网的亚微秒级时钟同步方法和系统对从时钟的频率进行补 偿修正，进一步提高同步精