主端设备、从端设备以及主端延时调整同步定时系统的制作方法

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种主端设备、从端设备以及主端延时调整同步定时系统。

背景技术：

当前，大型科学加速器中使用的分布式测量和控制系统，为了让来自不同测量设备的数据带有相同时间域的时间信息，并且让不同的控制设备能够同步工作，这就需要使用同步定时技术，让各个分系统具有相同的时钟。

目前，以太网广泛应用于各种大型分布式通讯和控制系统中。将同步定时技术与以太网技术相结合受到欢迎，称为同步以太网，包括IEEE1588标准和SyncE技术，能够实现亚微秒的定时精度。在上述两个技术基础上发展出来的White Rabbit技术，能够获得亚纳秒的定时精度。

IEEE1588标准是一种同步定时通讯协议，目的是使从端(Slave)的时钟调整到与主端(Master)时钟一致。先由主端向从端发送以太网数据包，其中包含主端发送时刻的时间戳信息(Time Stamp)T1。从端接收到数据包后记录自己的时间戳T2。然后从端发送给主端以太网数据包，其中包含从端发送时刻的时间戳T3。同样，主端接收到数据包之后记录自己的时间戳T4。IEEE1588协议的算法部分，根据上述被记录下来的T1～T4计算出主端和从端传输延时，以及时钟的差别。

常规以太网设备自带晶振产生时钟频率，但不同晶振的频率不可能完全一样。为了让主端和从端的时钟频率完全一样，提高同步定时精度，则可以采用SyncE技术。即从端接收到主端数据包的同时，将主端的时钟频率解析出来。从端还有锁相环(PLL)电路，产生与主端频率一致，抖动小的连续时钟频率。

SyncE虽然可以保证主端和从端的时钟频率相同，但由于两者之间连接线长度不确定，即传输延时不确定，会造成从端时钟相位与主端不一致。例如，如果用千兆以太网，时钟频率是125MHz，则相位不一致会造成8nS以内的同步定时误差。

White Rabbit技术在IEEE1588和SyncE基础上，又增加了一种数字鉴相器DDMTD(Digital Dual Mixer Time Difference Phase Detector)，可以准确测量数据包到达时刻的相位，时间分辨率可以达到pS量级。White Rabbit的延时计算方法与IEEE1588一样，只是把接收时间戳T2和T4替换成精确时间签T2p和T4p。

White Rabbit技术在精确测量主端和从端之间的延时之后，为了在从端产生一个与主端一致的时钟信号，就需要在从端再增加一个延时(相位)调整器。

IEEE1588和SyncE技术利用以太网交换机传输数据包，受到交换机传输延时和数据包到达相位的不确定性，同步定时精度最好能达到亚微秒量级，不能满足加速器亚纳秒精度的需求。

White Rabbit技术实现了亚纳秒同步定时精度，满足了加速器应用的需求。但是，主端和从端都需要测量精确时间签(T2p和T4p)，所以都需要使用DDMTD。同时，从端还需要使用一个延时调整器。这样，从端设计比较复杂，大大限制了这项技术的推广。因为任何一个应用，例如一个数据采集系统，如果想使用White Rabbit技术，那么硬件设计就需要加入DDMTD和延时调整器，同时要理解White Rabbit的通讯协议，并实现在软件算法中，这明显增加了从端设计的复杂度，不方便用户使用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种主端设备、从端设备以及主端延时调整同步定时系统，本发明提供的主端延时调整同步定时系统能够简化从端设计，方便不同用户的使用。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种主端设备，包括：主端时钟、加法器、第一延时调整器、第一发送器、第一接收器、第二延时调整器和鉴相/锁相控制器；

其中，加法器的输入端与主端时钟连接，输出端与第一发送器连接，用于对主端时钟产生的时钟计数进行加N处理，并将处理后的时钟计数通过第一发送器经第一传输线发送至与主端设备对应的从端设备，以使从端设备收到与主端设备一致的时钟计数；其中，N的取值与第一传输线的长度以及信号在第一传输线中的传输速度有关；

其中，第一延时调整器的第一输入端与主端时钟连接，输出端与第一发送器连接，用于对主端时钟输出的原始时钟信号进行第一延时调整以使在发送路径上的总传输延时为主端时钟的时钟周期的整数倍，并将调整后的时钟信号通过第一发送器经第一传输线发送至与主端设备对应的从端设备，以使从端设备中的第二接收器接收到与主端设备一致的时钟频率和时钟计数；其中，在发送路径上的总传输延时包括第一延时调整器的调整延时1、第一发送器的发送延时1、第一传输线的传输延时1以及从端设备中的第二接收器的接收延时2；

其中，第一接收器用于接收从端设备的第二发送器发送的时钟信号，其中，从端设备的第二发送器发送的时钟信号为从端设备的第二接收器在接收到第一发送器发送的时钟信号后立即回传的时钟信号；

其中，第二延时调整器的第一输入端与第一接收器的输出端连接，用于对第一接收器接收的时钟信号进行第二延时调整，以使在接收路径上的总传输延时为主端时钟的时钟周期的整数倍，且与所述发送路径上的总传输延时相等；其中，在接收路径上的总传输延时包括第二延时调整器的调整延时2、第一发送器的接收延时1、第二传输线的传输延时2以及从端设备中的第二发送器的发送延时2；

其中，鉴相/锁相控制器的第一输入端与主端时钟连接，第二输入端与第二延时调整器的输出端连接，第一输出端与第一延时调整器的第二输入端连接，第二输出端与第二延时调整器的第二输入端连接，鉴相/锁相控制器用于根据主端时钟输出的原始时钟信号以及第二延时调整器输出的延时调整时钟信号对第一延时调整器和第二延时调整器输出的延时调整时钟信号进行相位调整，以使从端设备接收的时钟信号的相位与主端设备发送的时钟信号的相位锁定。

第二方面，本发明还提供了一种从端设备，包括：第二接收器、从端时钟和第二发送器；

所述第二接收器，用于接收与所述从端设备对应的主端设备发送的时钟频率和时钟计数作为从端时钟，该从端时钟的时钟频率和时钟计数与主端时钟的时钟频率和时钟计数相同；所述第二接收器还用于将接收的时钟频率和时钟计数发送给第二发送器；

所述第二发送器，用于将接收到的时钟频率和时钟计数发送至与所述从端设备对应的主端设备。

第三方面，本发明还提供了一种主端延时调整同步定时系统，包括：如上面所述的主端设备、第一传输线、第二传输线以及如上面所述的从端设备；

其中，第一发送器通过第一传输线与第二接收器连接；

第二发送器通过第二传输线与第一接收器连接。

可选地，所述第一传输线和第二传输线为光纤、同轴线和双绞线中的一种或多种。

可选地，所述第一传输线和第二传输线为空间传输线。

可选地，所述主端时钟输出的原始时钟信号为正弦波信号或方波信号。

可选地，所述第一延时调整器和第二延时调整器的延时调整范围小于主端时钟的一个时钟周期。

可选地，所述第一传输线和所述第二传输线的长度相同。由上述技术方案可知，本发明提供的主端设备，在发送路径和接收路径上分别设置了第一延时调整器和第二延时调整器，从而使得单向固有传输延时+调整延时＝整数倍时钟周期，而从端设备只需要进行数据反射，即从端设备接收到数据之后立刻回传给主端设备即可，此外主端设备设置有加法器，以消除传输延时的影响，使得从端接收到的时钟计数直接与主端时钟计数相同。主端设备设置鉴相/锁相控制器，结合数字和模拟延时技术，可以提高控制带宽。

本发明提供的主端设备，将传输延时测量和调整功能全部放在主端设备完成，从端设备在接收到主端设备发送的数据包之后，解析出来的时钟直接就与主端设备的时钟相同，从端设备不再需要参与相位测量、延时计算和延时调整，从而达到简化从端设备设计的目的，方便从端设备的推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一个实施例提供的主端设备的结构示意图；

图2是本发明第二个实施例提供的从端设备的结构示意图；

图3是本发明第三个实施例提供的主端延时调整同步定时系统的结构示意图；

图4是本发明第三个实施例提供的主端延时调整同步定时系统的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明第一个实施例提供的主端设备的结构示意图，参见图1，本发明第一个实施例提供的主端设备，包括：主端时钟、加法器、第一延时调整器、第一发送器、第一接收器、第二延时调整器和鉴相/锁相控制器；

其中，加法器的输入端与主端时钟连接，输出端与第一发送器连接，用于对主端时钟产生的时钟计数进行加N处理，并将处理后的时钟计数通过第一发送器经第一传输线发送至与主端设备对应的从端设备，以使从端设备收到与主端设备一致的时钟计数；其中，N的取值与第一传输线的长度以及信号在第一传输线中的传输速度有关；例如，第一传输线的长度越长，N越大；假设时钟周期是8ns，信号在第一传输线中的传输速度约为0.2m/ns，则第一传输线的长度每增加1.6m，N增加1。

其中，第一延时调整器的第一输入端与主端时钟连接，输出端与第一发送器连接，用于对主端时钟输出的原始时钟信号进行第一延时调整以使在发送路径上的总传输延时为主端时钟的时钟周期的整数倍，并将调整后的时钟信号通过第一发送器经第一传输线发送至与主端设备对应的从端设备，以使从端设备中的第二接收器接收到与主端设备一致的时钟频率和时钟计数；其中，参见图1，在发送路径上的总传输延时包括第一延时调整器的调整延时1、第一发送器的发送延时1、第一传输线的传输延时1以及从端设备中的第二接收器的接收延时2；

其中，第一接收器用于接收从端设备的第二发送器发送的时钟信号，其中，从端设备的第二发送器发送的时钟信号为从端设备的第二接收器在接收到第一发送器发送的时钟信号后立即回传的时钟信号；

其中，第二延时调整器的第一输入端与第一接收器的输出端连接，用于对第一接收器接收的时钟信号进行第二延时调整，以使在接收路径上的总传输延时为主端时钟的时钟周期的整数倍，且与所述发送路径上的总传输延时相等；其中，参见图1，在接收路径上的总传输延时包括第二延时调整器的调整延时2、第一发送器的接收延时1、第二传输线的传输延时2以及从端设备中的第二发送器的发送延时2；

其中，鉴相/锁相控制器的第一输入端与主端时钟连接，第二输入端与第二延时调整器的输出端连接，第一输出端与第一延时调整器的第二输入端连接，第二输出端与第二延时调整器的第二输入端连接，鉴相/锁相控制器用于根据主端时钟输出的原始时钟信号以及第二延时调整器输出的延时调整时钟信号对第一延时调整器和第二延时调整器输出的延时调整时钟信号进行相位调整，以使从端设备接收的时钟信号的相位与主端设备发送的时钟信号的相位锁定。

如果主端和从端设备的发送器和接收器使用相同型号产品，第一传输线和第二传输线的长度也相等，理想情况下，(发送延时1+传输延时1+接收延时2)＝(接收延时1+传输延时2+发送延时2)，那么鉴相/锁相控制器保证上述相位锁定的同时，使得调整延时1＝调整延时2，就可以保证从端时钟与主端时钟一致。如果实际情况下，由于器件差异性造成从端时钟和主端时钟有系统偏差，鉴相/锁相控制器通过调整调整延时1≠调整延时2，可以消除系统偏差。

本发明实施例中，主端设备中的主端时钟发送的时钟信号包括时钟频率和时钟计数两个参数，背景技术部分提到的IEEE1588只能解决时钟计数问题，SyncE只能解决时钟频率问题。而本发明实施例可以将时钟频率和时钟计数问题同时解决。

本发明实施例提供的主端设备，在发送路径和接收路径上分别设置了第一延时调整器和第二延时调整器，从而使得单向传输延时+调整延时＝整数倍时钟周期，而从端设备只需要进行数据反射，即从端设备接收到数据之后立刻回传给主端设备即可，此外主端设备设置有加法器，以消除传输延时的影响，使得从端接收到的时钟计数直接与主端时钟计数相同。主端设备设置鉴相/锁相控制器，结合数字和模拟延时技术，可以提高控制带宽。

本发明实施例提供的主端设备，将传输延时测量和调整功能全部放在主端设备完成，从端设备在接收到主端设备发送的数据包之后，解析出来的时钟直接就与主端设备相同，从端设备不再需要参与相位测量、延时计算和延时调整，从而达到简化从端设备设计的目的。

另外，本发明实施例提供的主端设备，由于设置了鉴相/锁相控制器，因此在延时测量和调整时可以结合数字和模拟延时技术，从而达到提高控制带宽的目的。

本发明实施例提供的主端设备最大的好处是简化了从端设备的设计，方便不同用户的使用。因为主端设备设计可以标准化，形成标准产品，用户直接采购即可。而从端设备是用户自己设计的产品，采用本发明提供的主端设备，用户完全不需要了解主端的设计原理，从端设备也不需要实现任何算法，只需要按照标准的简单的硬件设计方法，把接收数据反射给主端设备，同时将时钟频率和计数读取出来即可。

本发明第二个实施例提供了一种从端设备，参见图2，包括：第二接收器和第二发送器；

所述第二接收器，用于接收与所述从端设备对应的主端设备发送的时钟频率和时钟计数作为从端时钟，该从端时钟的时钟频率和时钟计数与主端时钟的时钟频率和时钟计数相同；所述第二接收器还用于将接收的时钟频率和时钟计数发送给第二发送器；

所述第二发送器，用于将接收到的时钟频率和时钟计数发送至与所述从端设备对应的主端设备。

从上面描述可知，从端设备的第二接收器接收到的信号即为从端时钟，不需要经过任何处理，这也就是为什么本发明实施例能够简化从端设计的原因。

本发明实施例提供的从端设备，只需要一个第二接收器和一个第二发送器即可，第二接收器用于接收主端设备发送的时钟频率和时钟计数并将接收到的时钟频率和时钟计数作为从端时钟，该从端时钟的时钟频率和时钟计数与主端时钟的时钟频率和时钟计数相同；第二发送器用于将接收到的数据回传至主端设备(即从端的数据反射)。即本实施例提供的从端设备，只需完成数据的接收和转发工作，无需参与特殊处理(如相位测量、延时计算和延时调整等)，从而简化了同步定时系统中从端设备的复杂度，方便推广使用。

本发明第三个实施例提供了一种主端延时调整同步定时系统，参见图3，包括：如第一个实施例所述的主端设备、第一传输线、第二传输线以及如第二个实施例所述的从端设备；其中，第一发送器通过第一传输线与第二接收器连接；第二发送器通过第二传输线与第一接收器连接。

参见图3，本实施例提供的主端延时调整同步定时系统包括：主端设备，传输线和从端设备。本实施例提供的同步定时系统的目的是让从端设备获得与主端设备一致的时钟。

具体地，主端设备包括：主端时钟，加法器，第一延时调整器和第二延时调整器，第一发送器，第一接收器和鉴相/锁相控制器；

传输线包括：第一传输线和第二传输线；

从端设备包括：第二接收器和第二发送器；

本实施例提供的同步定时系统，将传输延时测量和调整功能全部放在主端设备完成，即从端设备接收主端设备发送的数据包之后，解析出来的时钟直接就与主端设备相同，从端设备不再需要参与相位测量，延时计算和延时调整。从而达到简化从端设计的目的。

下面结合具体的实例和图4，对本实施例提供的同步定时系统进行解释说明。

假设使用千兆以太网作为传输媒质，则主端时钟包括125MHz时钟频率信号和时钟计数器，主端的第一延时调整器和第二延时调整器可以对125MHz时钟频率信号产生可控延时调整(优选延时调整量小于一个时钟周期)。每个时钟周期内，第一发送器都会发出8B/10B串行编码，即每8ns发出8bit数据。

为描述简单，假设主端时钟计数器，从0开始，每个时钟周期计数加1。

工作过程如下，主端125MHz时钟频率信号先经过第一延时调整器，到达第一发送器，第一发送器把时钟计数进行串行编码发送出去。而所发送的时钟计数是主端时钟计数加N得到的。

N＝(调整延时1和2+发送延时1和2+接收延时1和2+传输线延时1和2)/8ns/2；

从端设备的第二接收器收到数据之后直接转给第二发送器回传给主端设备，称为数据反射。如果主端设备和从端设备所使用的发送器和接收器的硬件型号一样，第一传输线和第二传输线的长度也一样，则可近似认为：

单向传输延时＝发送延时1+传输延时1+接收延时2＝发送延时2+传输延时2+接收延时1；

为描述简单，假设：

单向传输延时＝3.2×时钟周期(8ns)；

则设定：

调整延时1和2＝0.8×时钟周期(8ns)；

这样：

单向传输延时+调整延时1或2＝4(整数倍)×时钟周期(8ns)；

参见图4，所以在时刻①，主端时钟频率信号应该与经过延时调整器2的接收时钟频率信号相位重合。并且此刻主端时钟计数＝4，主端设备发送计数＝4+4＝8，主端设备接收的反馈时钟计数＝0。而此刻从端设备通过接收到的数据包恢复出来的时钟频率信号与主端相位相同，从端计数＝4也与主端相同。也就是说，从端设备不需要任何计算或延时调整，它接收到的时钟频率和计数直接就与主端时钟相同。

实际上，主端设备和从端设备刚刚连接的时候，N是不确定的，需要一个初始化过程。先设定N＝0，调整延时1和2＝0。这时在时刻①对应的位置，主端时钟频率信号与接收时钟频率信号相位不同，利用鉴相/锁相控制器，设定调整延时1和2的参数，使得主端时钟频率信号与接收时钟频率信号相位相同，即锁相。再经过计算可得：N＝(主端时钟计数-接收时钟计数)/2＝(8-0)/2＝4；

而之前假设的双向传输延时相等，即发送延时1+传输延时1+接收延时2＝发送延时2+传输延时2+接收延时1。如果这个假设不成立，会造成从端时钟与主端时钟有相位差，这个可以通过校准过程来测定，然后通过鉴相/锁相控制器控制调整调整延时1和2的参数来消除这个误差。

现有技术中DDMTD的测量精度越高则所需的测量时间就越长，同时，延时计算过程需要主端和从端反复通讯，所以获得高同步定时精度越高，则控制带宽(响应速度)就越低。而本申请采用鉴相/锁相控制器使用数字延时技术作为粗延时控制，这样可以扩大延时范围。使用模拟延时技术作为精细延时控制，提高控制精度和响应速度。

主端设备在发送路径和接收路径上设置双延时调整器，使得单向传输延时+调整延时＝整数倍时钟周期。

从端设备进行数据反射，即从端接收到数据之后立刻传递给发送器回传给主端。

主端设备设置有加法器，消除传输延时影响，使得从端接收到的时钟计数直接与主端时钟计数相同。

主端设备设置鉴相/锁相控制器，结合数字和模拟延时技术，提高控制带宽。

从上面描述可知，传输延时的测量和调整，发送时钟计数修正，全部由主端完成。从端接收到的时钟频率，相位和计数都直接与主端相同。

可选地，所述第一传输线和第二传输线为光纤、同轴线和双绞线中的一种或多种。或者，所述第一传输线和第二传输线为空间传输线。即不仅可以使用以太网(传输线可以是双绞线或光纤)作为传输媒质和通讯协议来实现(即上面描述的方案)。还可以使用同轴线，光纤和空间(空气或真空)等不同媒质，传输其他类型信号来实现，例如传输正弦波或方波信号。同轴线可以通过短路面反射信号，光纤可以使用反射镜反射信号，这两种方式都能实现在同一条传输线上完成双向信号传输，甚至可以获得更高的双向传输延时对称性。而空间(空气或真空)双向传输延时直接就是对称的，在延时计算上可以更准确。

可选地，所述第一传输线和所述第二传输线的长度相同。当然当第一传输线和第二传输线的长度不同的情况下，可以通过鉴相/锁相控制器调整调整延时1≠调整延时2，以消除传输延迟偏差。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。