IEEE1588和高精度时间同步的方法

    控制系统中的时间同步问题早就出现，而随着系统范围的扩大和分散控制的发展，通过网络联系的分散控制节点之间的时间同步变得越来越重要。系统中时间的使用通常有两种不同的应用类型：时间标记性应用和基于频率的应用。如配电应用可代表时间标记应用，在这种系统中绝对时间很重要，因为特定事件的定时不仅需要与本系统内的其他事件的时间作比较，而且由于电力系统的连贯性，经常可能需要与外部相关系统的事件的时间作比较。哪一个事件先发生？是电网A先跳闸，还是电网B先跳闸？这些事件相隔多少时间？在实际应用中这些事件可能发生在不同的地理区域。由于这个原因需要绝对时间值的概念，并且这个时间基准需要校正为世界各地使用的常用时间。由于特定的事件和报警是被打上时间标记的，只要这些时间标记具有相同的基准，就可以在事后进行这些事件的时间顺序的分析。
    另一方面，在控制系统中存在大量基于频率的应用，如通过网络连接的多个分布驱动的协调控制，它们需要精确同时执行，因为它们不能过度拉伸或损坏驱动机架之间的织物。在这些应用中当这些驱动器是同步工作时过程最佳。如果每个驱动器精确地在同时采样反馈和执行控制算法，同时执行控制命令，那么作用力的施加是协调的。在这种应用中绝对时间不是很重要，但是控制周期的同步非常重要。
    解决这些问题的关键是时间同步，时间同步的目的就是要将时间基准准确地传递到各控制点，传递并不困难，难于达到的是传递的精度。在2002年出现的IEEE1588标准（网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通常称为Precision Time Protocol[PTP]）在这方面取得了重大进展。使用这个方法并不需要很多资源就可以达到100纳秒级的同步精度。IEEE1588标准出现后得到业界高度重视，在2002年，2004年举办专业会议，2006年将举办第三次专业会议。工业控制的领先厂商Rockwell，Siemens等立即投入产品开发，IEC已将它转化为IEC61588－2004标准，这个标准已为Ethernet/IP，Profinet，PowerLink，EtherCat等基于以太网的总线采用，成为当前普遍采用的方法。
 1 IEEE1588标准
    IEEE1588标准，规定了将分散在测量和控制系统内的分离节点上独立运行的时钟，同步到一个高精度和准确度的协议。这些时钟是在一个通信网络中互相通信的。按这个基本格式，这个协议要形成树形的管理，使系统内的这些时钟产生一个主从关系。在一个给定子网中包括多个节点，每一个节点都有一个时钟。时钟之间经由网络连接。IEEE1588规定了子网的划分规则，它是按时钟的级别划分子网，一个子网只有一个1级或2级时钟。在一个子网中只有一个主时钟，从时钟从主时钟得到时间，所有时钟最终都是从一个称为祖母时钟那里得到它的时间。任何时钟和它的祖母时钟之间的通信路径都是最小跨度树的一部分。 
    分布时钟的PTP系统由普通时钟和边界时钟组成。普通时钟是只有一个PTP端口的时钟，边界时钟是带两个或多个不同的PTP通信路径的端口的时钟。如一个可在它的端口上实现PTP协议的交换机就是一个边界时钟。很明显普通时钟只有接收时间的能力，边界时钟具有传递时间的能力。
    系统中的一个时钟可选为主时钟，由主时钟向从时钟发送同步报文，通过报文传递时钟信息。图1是一个配置的例子。

图1－带祖母时钟、边界时钟和从时钟的系统例子

2 PTP时钟的协议模型
    图1是PTP子域的例子，最上面的是这个子域的祖母时钟，它是一个GPS（Global Positioning Satellite System是由美国国防部维持的系统，来自GPS的时间可以达到10～100ns的精度范围）时钟，是这个子域的时间源，下面通过父子结构的时钟端口构成传递系统。这个结构的根是祖母时钟，这个结构的每一个分支点通常需要一个边界时钟，这点上从根进一步分支方向的所有时钟端口必须是主或父代端口，而有一个端口是同步到更加靠近根的时钟的从端口。分支到最后（不是根方向）的端口必定是从端口或不活动（Passive）端口（不活动端口的通信路径上，除非另外规定不应当发生报文）。
 3 PTP同步机制
    IEEE1588定义了四种同步报文Sync，Follow_up ,Delay_Request , Delay_Response , 和一组管理报文。为了简化问题，我们先考虑一个主时钟与一个从时钟的同步过程： 
1，主节点每2秒钟（同步报文的间隔是可设置的，这里假设为2秒）向从节点发送一个“同步”（Sync）报文。这个报文是由主节点打上预计的发送时间标记的报文，但是由于预计的发送时间和实际的发送报文发送本身可能的延迟，实际时间标记不能随“同步”报文一起发送。这个“同步”报文在接收端被从节点打上接收时间标记（为了提高精度，应在物理层或接近物理层的位置检测、记录和标识发送或接收时间）。IEEE1588规范制定了可选件“硬件辅助”设计来实现这个精度的提高。
2，第二步主节点向从节点发送一个“跟随”（Follow_up）报文，这个报文包含先前的同步报文准确的发送时间的标记。从节点利用这两个时间标记可以得到它与主节点的延迟，据此可调整它的时钟的频率。
3，从节点向主节点发送“延时请求”（Delay_Request报文（延时请求报文的间隔是独立设置的，一般应较同步报文间隔长），这个报文是由从节点记录它的准确发送时间，由主节点打上准确的接收时间标记。
4，主节点向从节点返回一个“延时响应”（Delay_ Response）报文，这个报文带着先前的“延时请求”报文的准确的接收时间标记，从节点利用这个时间和由它所记录的准确的发送时间，可计算出主节点和从节点之间的传输延迟并调整它的时钟漂移误差。

图2 偏移的校正

 

图3 传输延时的测量

图2，图3例示主节点与从节点之间报文的交换，图中的时间也仅是为了理解假设的，不代表实际情况（IEEE1588中表示时间使用64位数，可以精确地表示绝对时间）。图2表示经过两次同步可以校正主节点与从节点之间的偏差。但无法计算传输延时。
    经过延时报文的请求和应答以及同步报文的时间标记，可以计算出两个方向的平均传输延时，在以后的计算中就可使用。实际上偏移与延时值的测量是互相影响的，要经过多次测量和计算，才会逐步收敛到接近实际值。测量时间间隔的选取很重要，选择间隔短时通信负荷较重，间隔过长则不能保证同步的精度，所以同步和延时的测量间隔应根据同步要求和系统配置选择。
    IEEE1588并没有规定使用的网络，但从通信的负荷和时间要求来说，以太网是比较适合的网络，当前实际的实现也差不多都是基于以太网的网络。以上四种PTP报文都是基于IP多点通信（Multicast），它不限于Ethernet，并且可用于任何支持多点通信的总线系统。多点通信提供简单化的优点，IP地址管理不需要在PTP节点上实现，这样可以进一步扩展到很大数目的PTP节点。
 4 本地时钟的考虑
    PTP协议可能达到很高的同步精度，组成庞大的同步系统，但实际系统可以根据需要达到的精度和功能组建。可以选用1级或2级时钟作为主时钟，也可选用3级，4级时钟，可按价格和性能需要综合考虑。但作为普通节点本地时钟的振荡器，出于成本考虑基本上只能选择石英晶体振荡器。但石英晶振的频率会随温度，机械因素和老化漂移，其中最主要的影响是温度，典型的不补偿的石英晶振的温度飘移是1PPM/C0,如果同步间隔是2秒，则温度上升1度在每个同步间隔会产生2微秒的误差。但通过对晶振的热环境的控制，可以明显降低漂移。
    从上面论述也可知道如果本地时钟的振荡频率稍有偏离，就会造成时间的偏离，而且时间的偏离是累计的会越来越大，虽然通过同步报文的计算可以校正时间，但本地时间的频繁校正会打乱本地时钟的连续性，使需要定时处理的任务像PID调节，通过时间段计量脉冲的速度测量等应用陷入混乱。所以在PTP系统内使用频率可调的晶振，通过频率的校正使本地时钟的频率与主时钟同步。对这种晶振的要求是0.01%精度和0.02%的频率可调范围。同时PTP并不在接收同步报文后立即校正本地时钟的时间，而是将这个偏移作为一个数据保存在端口中，通过本地时间加偏移值得到正确时间。
    同时PTP定义的外部定时信号是可选特性，支持这个特性的主时钟另外提供10MHZ频率的曼彻斯特编码的时钟信号，在每秒的边界信号跳变给出秒信号。这个定时信号可用于校正时钟频率。
 5 关于边界时钟
    从上面的同步原理很容易看到，在计算偏移时需要用到传输延时，这个延时是以前得到的测量值计算的结果，如果延时是稳定的，就能代表当次测量的延时，偏移的测量就准确。反之延时的起伏将直接影响同步的精度。点对点连接可提供最高的精度，带路由器会增加网络抖动，在PTP系统内通过交换机连接时，由于交换机在传送报文时需要存储和排队，不可避免出现传递的延迟，而且这个延迟随排队报文的多少，报文的大小而变。为了解决这个问题通常使用支持IEEE1588的交换机作为边界时钟，支持IEEE的交换机内部包含了一个PTP时钟，由于它是直接接收主时钟报文的，它与主时钟的传输延时不存在排队与存储的问题，所以在需要分支时通常使用带边界时钟的交换机。 
6 时钟的评价和最佳时钟算法概要
    最佳时钟算法是1588协议的很重要的部分，1588虽然是适用于局域网的协议，但它没有限制网络的结构，范围，设备数目和选用。对于任意结构的网络怎样确定祖母时钟，主时钟，时间基准怎样逐级传递到各节点，以取得尽可能好的时钟精度，就是最佳时钟算法要达到的目标。1588的算法是动态运行的，即在时钟同步系统运行中根据实时数据不断计算，动态调整各节点和端口的状态，也就会调整时间的传递路线。所以在当前主时钟故障或性能下降时，系统可能会选择其它更合适的节点替代它作为主时钟。由于这部分内容相对复杂，这里只介绍相关的基础概念。
*时钟的分级（clock_stratum）
    时钟的级数代表时钟的质量，这个分级是有定义的，每个时钟都应标上它的级别，在最佳主时钟算法中它作为时钟质量的标志进行计算。时钟分级的定义如表1所示：