基于stm 32f407的精確時(shí)鐘同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

張端陽(yáng)　肖　力　付忠敏

（華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　武漢　430074）

1　引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集變得越來(lái)越模塊化，但當(dāng)需要測(cè)量多個(gè)外部的數(shù)據(jù)時(shí)，可能需要多個(gè)模塊。將這些由傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳的時(shí)候，由于沒(méi)有時(shí)間信息，遠(yuǎn)程上位機(jī)不能很好將采集數(shù)據(jù)融合處理，一般只能獨(dú)立的對(duì)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)處理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)鐘同步，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊間進(jìn)行時(shí)鐘同步。

當(dāng)前幾種比較流行的時(shí)間同步協(xié)議有NTP（Network Time Protocol）［1］和 PTP（Precision Time Protocol）［2］，兩者的原理類(lèi)似，都是實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)和從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，其中PTP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE1588協(xié)議）的簡(jiǎn)稱(chēng)，具體的差異如圖1所示。從圖中可以看出，NTP和PTP時(shí)間戳的截取的位置不同。NTP獲取的時(shí)間戳的位置是應(yīng)用層，而PTP時(shí)間戳的截取的位置是在物理層。正是由于獲取時(shí)間戳的位置不同，這樣PTP可以有效地去除運(yùn)行操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧時(shí)間抖動(dòng)對(duì)時(shí)鐘同步的影響。但是由于PTP獲取時(shí)間戳位置的在物理層，所以需要特殊的硬件支持，即在具體的應(yīng)用中硬件需要支持PTP，這個(gè)實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的成本，但是NTP不需要硬件支持。獲取時(shí)間戳的位置的差異促使PTP的同步時(shí)鐘精度是NTP同步時(shí)鐘精度的10000倍。PTP的同步時(shí)鐘精度是亞微秒級(jí)（100ns）。在該精度下可以滿(mǎn)足大多數(shù)時(shí)間同步的精度要求，比如PTP可用于高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)采集設(shè)備［3］。

圖1　時(shí)間戳截取的位置

由于上述的對(duì)硬件特殊要求［4～9］，這使 PTP 的實(shí)用性遠(yuǎn)沒(méi)有NTP簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)高精度的同步并且去掉對(duì)硬件時(shí)間戳的依賴(lài)，由圖1可知捕獲時(shí)間戳的位置越接近物理層時(shí)間精度越高，故本文實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層上捕獲時(shí)間戳。這樣既可以去掉對(duì)硬件時(shí)間戳的依賴(lài)同時(shí)提高時(shí)鐘同步精度。

2　時(shí)間同步的原理

PTP時(shí)鐘同步的基本原理是通過(guò)消息傳遞機(jī)制使控制網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與最精確的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間保持同步。最精確的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)被稱(chēng)為主時(shí)鐘，其它的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)被稱(chēng)為從時(shí)鐘。當(dāng)有時(shí)鐘加入到控制網(wǎng)絡(luò)中，該時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過(guò)最佳主時(shí)鐘算法確定該控制網(wǎng)絡(luò)中主時(shí)鐘，進(jìn)而使用PTP協(xié)議中的相關(guān)算法與該主時(shí)鐘同步。

2.1　時(shí)鐘同步的基本原理

PTP時(shí)鐘同步的基本原理如圖2所示，其基本實(shí)現(xiàn)可以分為下面基本步驟：

第一步，主時(shí)鐘首先廣播一個(gè)Sync（同步）報(bào)文，此時(shí)從時(shí)鐘記錄接收到的Sync報(bào)文的本地時(shí)間戳t2。

第二步，緊接第一步主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)follow_up（跟進(jìn)）報(bào)文，此報(bào)文記錄的Sync報(bào)文發(fā)送時(shí)主時(shí)鐘的時(shí)間戳t1。當(dāng)從時(shí)鐘接收f(shuō)ollow_up報(bào)文時(shí)，從時(shí)鐘記錄此時(shí)的報(bào)文中的時(shí)間戳t1。

第三步，從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)Delay_req（延時(shí)請(qǐng)求）報(bào)文，并記錄下此時(shí)的本地發(fā)送時(shí)間戳t3。

第四步，主時(shí)鐘接收到Delay_req報(bào)文時(shí)，記錄此時(shí)接收到的主時(shí)鐘本身的時(shí)間戳t4，然后主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)Delay_resp（延時(shí)響應(yīng)）報(bào)文，該報(bào)文記錄時(shí)間戳t4。當(dāng)從時(shí)鐘接收到Delay_resp報(bào)文時(shí)，從中提取時(shí)間戳t4。

圖2　PTP時(shí)鐘同步的基本原理

經(jīng)過(guò)上面的四步后，從時(shí)鐘擁有了時(shí)間戳t1，t2，t3和t4。通過(guò)上面的四個(gè)時(shí)間戳我們可以計(jì)算出此時(shí)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)時(shí)間和從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)偏移量。這樣完成了主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的同步。

主從時(shí)鐘間網(wǎng)路延時(shí)計(jì)算：

式（1）成立的條件是報(bào)文在主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間傳輸延時(shí)的時(shí)間是相等的，同一局域網(wǎng)或者子網(wǎng)中上面的假設(shè)是成立的。當(dāng)計(jì)算出上面的時(shí)鐘偏移量和主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)，也就完成了主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的同步。

為了保持主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的精確同步，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Sync和follow_up報(bào)文，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)接收的報(bào)文后，對(duì)報(bào)文處理并更新時(shí)間。同時(shí)從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送Delay_req報(bào)文，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)記錄接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間戳，并將時(shí)間戳記錄在Delay_resp中并發(fā)給從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)接收到延時(shí)請(qǐng)求的響應(yīng)報(bào)文，處理后重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。

注意上面的時(shí)間同步的原理成為兩步通信原理。如果直接將發(fā)送Sync報(bào)文的時(shí)間戳直接記錄在Sync報(bào)文中，此時(shí)不發(fā)送Follow_up報(bào)文，則實(shí)現(xiàn)的是一步通信原理。

2.2　最佳主時(shí)鐘算法

IEEE1588協(xié)議規(guī)定在一個(gè)PTP同步系統(tǒng)中只能存在一個(gè)主時(shí)鐘，最佳主時(shí)鐘算法在多個(gè)潛在的主時(shí)鐘中決定哪一個(gè)會(huì)成為PTP同步系統(tǒng)的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。

最佳主算法［2］的步驟：

首先比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，如果優(yōu)先級(jí)相同則比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘類(lèi)型，如果時(shí)鐘類(lèi)型相同則繼續(xù)比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘精度，如果兩個(gè)時(shí)鐘的精度還相同，繼續(xù)比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘穩(wěn)定性，如果時(shí)鐘穩(wěn)定性也相同，就比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘ID，選擇兩個(gè)時(shí)鐘的ID數(shù)字較小者為最優(yōu)主時(shí)鐘。這樣可以從兩個(gè)潛在主時(shí)鐘中選出一個(gè)最優(yōu)的主時(shí)鐘，而且系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘的最佳主時(shí)鐘算法相同，同一個(gè)時(shí)鐘同步系統(tǒng)中每個(gè)時(shí)鐘計(jì)算得到的最佳主時(shí)鐘相同。最佳主時(shí)鐘算法的流程圖如圖3所示。

圖3　最佳主時(shí)鐘算法

通過(guò)上面的最佳主時(shí)鐘算法，可以從同步的控制系統(tǒng)中挑選出最佳的主時(shí)鐘。這樣系統(tǒng)中所有其他的從時(shí)鐘同步于系統(tǒng)中的當(dāng)前的主時(shí)鐘。

2.3　PTP中報(bào)文格式

1）PTP封裝的格式

PTP的報(bào)文可以在封裝在多種以太網(wǎng)［4］的報(bào)文中例如UDP/IP，UDP/IP6，IEEE802.3/Ethernet，DeviceNET等等。在本文中，將PTP封裝在以太網(wǎng)的幀中，使用了UDP/IP，其具體的封裝的格式如圖4所示。

圖4　PTP數(shù)據(jù)包的封裝

2）PTP數(shù)據(jù)包的頭部

所有的PTP數(shù)據(jù)包都包含一個(gè)頭部信息，其具體的封裝的格式如圖5所示。

圖5　PTP報(bào)文頭部

（1）傳輸協(xié)議（半字節(jié)）：如果PTP協(xié)議建立在UDP/IPv4協(xié)議的基礎(chǔ)上，則此處值為0x01。

（2）報(bào)文類(lèi)型（半字節(jié)）：用整數(shù)表示報(bào)文的類(lèi)型，0表示Sync報(bào)文，1表示Delay_req報(bào)文，4～7是保留，8表示Follow_up報(bào)文，9表示Delay_resp報(bào)文，B表示Announce報(bào)文。

（3）PTP協(xié)議版本：IEEE1588v2版本報(bào)文，此值設(shè)置為2。

（4）報(bào)文長(zhǎng)度：PTP報(bào)文中的所有字節(jié)數(shù)包括PTP報(bào)文中的頭部。字節(jié)數(shù)從報(bào)文的頭部到PTP報(bào)文結(jié)尾。

（5）域號(hào)：指定報(bào)文所處的域號(hào)。

（6）報(bào)文標(biāo)志域：標(biāo)志域中每一個(gè)二進(jìn)制位表示報(bào)文的一種屬性。主要指示出報(bào)文是單播通訊還是兩步通訊。本文實(shí)現(xiàn)的是兩步通訊。

（7）修正域：修正域中的值由透明時(shí)鐘指定。指示了報(bào)文在透明時(shí)鐘中的駐留時(shí)間。在本次實(shí)現(xiàn)中沒(méi)有用到。

（8）發(fā)送報(bào)文時(shí)鐘ID：包含時(shí)鐘ID和端口號(hào)。

（9）報(bào)文序列號(hào)：指定報(bào)文發(fā)送的序號(hào)，由上面同步的基本原理的講解可知，F(xiàn)ollow_up報(bào)文序號(hào)與Sync報(bào)文序號(hào)相同，Delay_resp報(bào)文序號(hào)與Delay_req報(bào)文序號(hào)相同。

（10）控制域：控制域指明PTP報(bào)文是哪種報(bào)文，0x00表示Sync報(bào)文，0x01表示Delay_req報(bào)文，0x02表示Follow_up報(bào)文，0x03表示的是Delay_resp報(bào)文。

（11）報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔：表示相應(yīng)報(bào)文發(fā)出的時(shí)間間隔，可以表示Announce，Sync等報(bào)文的發(fā)送時(shí)間間隔。

3）Announce報(bào)文

Announce報(bào)文主要用于確定時(shí)鐘同步系統(tǒng)中的最佳主時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)上電后潛在的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送Announce報(bào)文，其他的節(jié)點(diǎn)（包括此時(shí)潛在的主時(shí)鐘本身）接收到Announce報(bào)文后，運(yùn)行最佳主時(shí)鐘算法從時(shí)鐘同步系統(tǒng)挑選出最佳主時(shí)鐘。Announce報(bào)文的格式如圖6所示，各字節(jié)解釋如下：

（1）時(shí)間戳：該值設(shè)置為0或者本地時(shí)鐘的估計(jì)值，誤差在±1s，本文的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有使用該時(shí)間戳，直接置為0。

（2）UTC時(shí)鐘偏移量：該值表示PTP標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘相對(duì)于UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）的偏移量，該值是一個(gè)量，設(shè)置為33。

圖6　Announce報(bào)文格式

（3）超主時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)1和超主時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)2：主時(shí)鐘的優(yōu)先級(jí)1和主時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)2的級(jí)別。

（4）超主時(shí)鐘時(shí)鐘性能：主時(shí)鐘的時(shí)鐘性能包括時(shí)鐘類(lèi)型，時(shí)鐘精度等。

（5）超主時(shí)鐘ID：主時(shí)鐘的時(shí)鐘標(biāo)識(shí)號(hào)。

（6）超主時(shí)鐘通信級(jí)數(shù)：本地時(shí)鐘距離主時(shí)鐘的傳輸路徑的距離，該值越小表示本地時(shí)鐘距離超主時(shí)鐘越近。默認(rèn)的情況下設(shè)置為零。

（7）時(shí)鐘源：表示超主時(shí)鐘的時(shí)鐘源。時(shí)鐘源包括原子時(shí)，GPS時(shí)鐘，陸地?zé)o線(xiàn)電，PTP時(shí)鐘源，NTP時(shí)鐘源，其他時(shí)鐘源或者內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘源。默認(rèn)的情況下是內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘源。

4）Sync和Delay_req報(bào)文

Sync和Delay_req報(bào)文的封裝格式相同，只是標(biāo)識(shí)位的設(shè)置不同，其報(bào)文封裝如圖7所示。

圖7　Sync和Delay_req報(bào)文格式

起始時(shí)間戳：記錄報(bào)文攜帶的時(shí)間戳。

5）Follow_up報(bào)文

Follow_up報(bào)文的封裝格式如圖8所示。

圖8　Follow_up報(bào)文格式

精確起始時(shí)間戳：記錄的是發(fā)送Sync的精確的起始時(shí)間戳。

6）Delay_resp報(bào)文

Delay_resp報(bào)文是對(duì)Delay_req報(bào)文的回復(fù)，該報(bào)文是由主時(shí)鐘發(fā)送。報(bào)文的封裝的格式如圖9所示。

圖9　Delay_resp報(bào)文格式

（1）接收時(shí)間戳：主時(shí)鐘接收到Delay_req報(bào)文的時(shí)間時(shí)間戳。

（2）請(qǐng)求端口號(hào)：Delay_req報(bào)文發(fā)送的從時(shí)鐘的端口號(hào)。

2.4　從時(shí)鐘頻率的調(diào)整

由于主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)和從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率的不一致性，以及從時(shí)鐘的外部晶振源的頻率隨著周?chē)鷾囟群蜐穸鹊淖兓l(fā)生漂移?；谝陨系脑?，本文中加入了從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率的調(diào)整算法，來(lái)補(bǔ)償頻率的變化。由于本文的實(shí)現(xiàn)是基于stm32系列的arm芯片，其提供的寄存器完成精密校準(zhǔn)方法更新系統(tǒng)時(shí)間方框圖如圖10所示。

圖中加數(shù)寄存器的值與常數(shù)值是直接相關(guān)的。在每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期中加數(shù)寄存器中的值累加到累加器寄存器中。當(dāng)累加器寄存器中值溢出時(shí)，將常數(shù)值加到亞秒寄存器中。當(dāng)亞秒寄存器中的值超過(guò)109時(shí)，秒寄存器中的值加1。這樣就可以很精確地控制系統(tǒng)的時(shí)間。累加器寄存器和亞秒寄存器是兩個(gè)32位的寄存器，由上面的寄存器聯(lián)動(dòng)，我們可以將上述兩寄存器看做一個(gè)64位的寄存器，則stm32的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，寄存器位數(shù)，加數(shù)寄存器和常數(shù)值間的關(guān)系如下

圖10　精密校準(zhǔn)更新系統(tǒng)的時(shí)間

其中add表示加數(shù)寄存器的值，Increment是亞秒寄存器遞增常數(shù)值，SysClk是系統(tǒng)時(shí)鐘。ptp時(shí)鐘周期和亞秒寄存器遞增的常數(shù)值間的關(guān)系如下

其中 ptptick是ptp時(shí)鐘周期，Increment是亞秒寄存器遞增常數(shù)值。

由式（3）和式（4）可知，當(dāng)ptp時(shí)鐘周期是20ns，并且系統(tǒng)時(shí)鐘頻率SysClk=168MHz，此時(shí)Increment為43，加數(shù)寄存器add值為0x4C19EF00。

為了對(duì)從時(shí)鐘的頻率進(jìn)行精密的校準(zhǔn)，軟件必須使用主時(shí)鐘發(fā)送的Sync報(bào)文對(duì)從時(shí)鐘頻率偏移進(jìn)行計(jì)算，并更新加數(shù)寄存器以來(lái)調(diào)整從時(shí)鐘時(shí)鐘頻率。實(shí)現(xiàn)該算法的步驟如下

1）使用0x4C19EF00初始化加數(shù)寄存器，并使用43初始化亞秒遞增寄存器的常數(shù)值。分別記為FCV0和Inc0。

2）主時(shí)鐘第n次發(fā)送Sync報(bào)文到從時(shí)鐘的時(shí)間戳記為Mst（n）（master sync time）。從時(shí)鐘在其本地時(shí)鐘在Sct（n）（slave clock time）時(shí)刻接收到該同步報(bào)文，使用如下公式計(jì)算Mct（n）（master clock time）：

其中Mtsd(n)表示是主時(shí)鐘到從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)（master to slave delay）。

3）當(dāng)前同步周期的主時(shí)鐘計(jì)數(shù)Mcc（n）（master clock count）的計(jì)算公式如下其中主時(shí)鐘到從時(shí)鐘網(wǎng)路延時(shí)在n時(shí)刻與n-1時(shí)刻認(rèn)為相等的。

4）當(dāng)前同步周期的從時(shí)鐘計(jì)數(shù)Scc（n）（slave clock count）的計(jì)算公式如下

5）當(dāng)前同步周期的主從時(shí)鐘差值Cdc（n）（clock Differentcount）的計(jì)算公式：

6）從時(shí)鐘的分頻系數(shù)Fc（fn）（Freq Scale Factor）的計(jì)算公式如下：

7）加數(shù)寄存器的頻率補(bǔ)償值 Fcv（n）（Freq Compensation Value）的計(jì)算公式如下：

上述的算法可以在一個(gè)同步周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘頻率補(bǔ)償值進(jìn)行修正，但是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懣赡苄枰鄠€(gè)周期來(lái)對(duì)頻率補(bǔ)償值進(jìn)行修正。

3　時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

3.1　主時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)

主時(shí)鐘選擇的是本地的主機(jī)，在該主機(jī)上實(shí)現(xiàn)的ptp的主時(shí)鐘。所用的軟件是linuxptp。這樣上位機(jī)和自己開(kāi)發(fā)的嵌入式的開(kāi)發(fā)板之間就可以構(gòu)成ptp的主從時(shí)鐘。測(cè)試所用到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　測(cè)試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2　從時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)

在本文中，實(shí)現(xiàn)了以stm32f407為微控制器核心的嵌入式操作系統(tǒng)。為了使后期編程的方便，在stm32f407中移植了嵌入式操作系統(tǒng)。由于通訊需求，需要在stm32f407上移植TCP/IP協(xié)議棧。為了移植簡(jiǎn)便，本文選擇的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是Lw IP（輕型IP協(xié)議棧）。主要實(shí)驗(yàn)選定的PHY是dp83848。雖然該P(yáng)HY不支持IEEE1588的硬件時(shí)間戳，但是由于為了使實(shí)現(xiàn)的ptp更加的通用，捕獲時(shí)間戳的位置有原來(lái)的物理層提升到數(shù)據(jù)鏈層，如圖12所示。

圖12　本實(shí)驗(yàn)中時(shí)間戳捕獲的位置

在數(shù)據(jù)鏈路層捕獲PTP時(shí)間戳使PTP精度有一定的下降，但是由于去掉了物理層的硬件特殊要求并且該時(shí)鐘精度也可以滿(mǎn)足大部分的應(yīng)用的場(chǎng)合，所以實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的在數(shù)據(jù)鏈路層捕獲時(shí)間戳。在Lw IP移植的過(guò)程中，主要完成對(duì)PHY驅(qū)動(dòng)配置函數(shù)編寫(xiě)，Lw IP的底層接收和發(fā)送的函數(shù)，Lw IP初始函數(shù)等。除了上述函數(shù)外，為了使Lw IP協(xié)議棧與嵌入式操作系統(tǒng)匹配，需要編寫(xiě)操作系統(tǒng)與Lw IP協(xié)議棧之間的接口函數(shù)即操作系統(tǒng)的模擬層。這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是線(xiàn)程的創(chuàng)建函數(shù)，信號(hào)量創(chuàng)建、釋放、等待和釋放信號(hào)量?jī)?nèi)存函數(shù)，互斥信號(hào)量的創(chuàng)建、鎖定、解鎖和釋放互斥信號(hào)量?jī)?nèi)存函數(shù)，消息郵箱的創(chuàng)建、釋放、等待和消息郵箱內(nèi)存釋放函數(shù)。

完成上面的函數(shù)后，可以在上位機(jī)即PC機(jī)ping嵌入式的開(kāi)發(fā)板，可以檢測(cè)上位機(jī)與開(kāi)發(fā)板間的連接是否正常。測(cè)試的命令：

ping 192.168.1.16-i0.001

其中ping是網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的命令，192.168.1.16是嵌入式開(kāi)發(fā)板的ip地址，-i0.001表示發(fā)送ICMP報(bào)文的時(shí)間間隔。測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

其中min是rtt最小值，avg是rtt的均值，max是rtt的最大值，mdev是rtt的標(biāo)準(zhǔn)差該值越小表示網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。測(cè)試中一共發(fā)送了1645個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)試的過(guò)程中沒(méi)有丟失數(shù)據(jù)包。

在上面移植的基礎(chǔ)上，本文對(duì)Lw IP中的pbuf數(shù)據(jù)接收進(jìn)行了修改加入表示時(shí)間的兩個(gè)32位int類(lèi)型的數(shù)據(jù)，用于存儲(chǔ)接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的本地時(shí)間戳，具體結(jié)構(gòu)如下

structpbuf｛

……

#ifdef LWIP_PTP

int time_sec；

int time_nsec；

#endif

｝；

其中time_sec用于存儲(chǔ)秒數(shù)，time_nsec用于存儲(chǔ)納秒數(shù)。定義上面的與ptp有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的函數(shù)。

綜上所述從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的軟件框架如圖13所示。

圖13　從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)

3.3　測(cè)試結(jié)果

在上位機(jī)的命令窗口中敲入相應(yīng)的命令行：

ptp4l-ienp8s0-m-S

其中enp8s0是主機(jī)的網(wǎng)口的名字，-m表示打印相關(guān)的信息-S表示使用的軟件時(shí)間戳。

測(cè)試的到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖14所示：

圖14　同步時(shí)間測(cè)試的圖形

由上圖的可知，主從時(shí)鐘間的偏差在2us內(nèi)，這是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。將上述收集到的數(shù)據(jù)制成表格的形式如表2所示。

表2　時(shí)鐘同步時(shí)間偏移（單位：ns）

本實(shí)驗(yàn)中一共采集了515組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間的時(shí)間間隔為1s，即一共采集數(shù)據(jù)的時(shí)間為515s。計(jì)算采集到數(shù)據(jù)的均值是-53和標(biāo)準(zhǔn)差為489.617，可知實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間同步可以滿(mǎn)足實(shí)際的需求，同步的時(shí)間偏差絕大部分處于±500ns內(nèi)。

由于實(shí)驗(yàn)中采用了精密的從時(shí)鐘的頻率的校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步地提高時(shí)鐘同步的精度，可以有效地抑制由溫度，濕度等造成的頻率的漂移。

使用wireshark對(duì)網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓取，可以得到網(wǎng)絡(luò)中的主要是Sync報(bào)文和Follow_up報(bào)文，主時(shí)鐘發(fā)送這兩種報(bào)文的周期是1s，并且每隔一段固定的時(shí)間從時(shí)鐘將發(fā)送Delay_req報(bào)文，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)對(duì)該報(bào)文進(jìn)行回復(fù)。由此算出主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)。

在多模塊的測(cè)試中，從時(shí)鐘采用了相同的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，只是多個(gè)模塊的IP地址不同，得到了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在同一局域網(wǎng)中多模塊的精密的時(shí)鐘同步。

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于軟件時(shí)間戳的ptp（精密時(shí)間協(xié)議）的實(shí)現(xiàn)。在沒(méi)有硬件的支持的硬件時(shí)間戳的支持下，也可以實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的高精度的時(shí)間同步。實(shí)驗(yàn)中主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間的同步偏移量在2μs內(nèi)即精度在2μs內(nèi)，并且主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步所需要的時(shí)間是半分鐘左右，而NTP時(shí)鐘精度雖然可以在幾次報(bào)文交互中達(dá)到秒級(jí)，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能將同步的精度達(dá)到1ms。NTP時(shí)鐘同步時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用，并且時(shí)鐘精度只能達(dá)到1ms，這也不滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。

［1］Aavikko P.Network Time Protocol［J］.2010.

［2］Eidson J，Kang L.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measu-rement and ControlSystems［J］.2008，11（2）：1-269.

［3］譚超，蘇超，胡詩(shī)俊，等.基于IEEE-1588的高精度時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2016，39（5）：1103-1107.TANChao，SUChao，HU Shijun，etal.Design ofHigh Precision Clock Synchronization System Based on IEEE-1588［J］.Electronic Devices，2016，39（5）：1103-1107.

［4］W.R.Stevens，范建華.TCP/IP詳解卷1：協(xié)議［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.107-141.W.R.Stevens，F(xiàn)an Jianhua.TCP/IP Detailed Explanations Volume 1：Protocol［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2000.107-141

［5］鄒崎.IEEE1588協(xié)議分析與實(shí)現(xiàn)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.ZOU Qi.Study on IEEE1588 protocol analysis and implementation［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2009.

［6］譚敏禛.基于IEEE1588協(xié)議的時(shí)間服務(wù)器授時(shí)精度研究［D］.南京：南京大學(xué)，2012.Tan Minzhen.Research on Timing Accuracy of Time Server Based on IEEE1588 Protocol［D］.Nanjing：Nanjing University，2012

［7］唐雪松.基于STM32F407的IEEE1588從時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.TANG Xuesong.Design and Realization of IEEE1588 Slave Clock Based on STM32F407［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2014.

［8］王飛雪，王平，謝昊飛.IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議在Linux下的分析與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006（34）：283-285.WANGFeixue，WANGPing，XIEHaofei.Analysisand implementation of IEEE1588 time synchronization protocol in Linux［J］.Microcomputer Information，2006（34）：283-285.

［9］張文麗.基于IEEE1588的通信設(shè)備時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.成都：成都理工大學(xué)，2010.ZHANG Wenli.Design of Time Synchronization System for Communication Equipment Based on IEEE 1588［D］.Chengdu：Chengdu University of Technology，2010.