基于FPGA的高精度同步時鐘系統(tǒng)設計※＊

諶普江，龔光華

（1.清華大學工程物理系，北京100084；2.清華大學粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室；3.清華大學飛思卡爾培訓中心）

引 言

在很多大型物理實驗和工業(yè)應用中，時鐘同步技術都扮演著舉足輕重的作用。比如在中國四川錦屏暗物質探測實驗中，需要為多個獨立探測裝置提供相應的時間信息，這些探測器包括中心探測器（HpGe）、液氬反符合探測器、實驗室外部宇宙線反符合探測器［1］。又比如在大亞灣中微子實驗中，需要為三個實驗廳的子探測器提供同步時鐘和時間戳，也需要為未來的長基線中微子振蕩實驗提供同步時鐘和時間戳［2］。

為此，本文基于可編程邏輯器件FPGA，設計了一套高精度、低成本、易于擴展的時間戳同步系統(tǒng)。

1 PTP協議簡介

PTP精密時鐘定時協議又稱為IEEE 1588協議。它的基本功能是利用基于時間戳的報文通信的方法，使得分布式網絡中的所有的時鐘都與特定的某個時鐘保持精確同步。IEEE 1588協議可以用軟件實現，也可以用專門的硬件實現。很顯然，用硬件實現能達到更高的精度。本文中的同步系統(tǒng)就是基于純硬件實現的。

IEEE 1588協議中定義了5種類型的傳輸報文［3］：同步報文（sync）、跟隨報文（follow＿up）、延時請求報文（delay＿req）、延時響應報文（delay＿resp）和管理報文（management）。其中前4種報文主要用于時間戳交換，具體的時間戳交換的過程示意圖如圖1所示。

如圖1所示，時間戳同步過程包括主節(jié)點和從節(jié)點，主節(jié)點和從節(jié)點都利用晶振維持本地時鐘。同步的目的是使從節(jié)點的本地時鐘的時間戳與主節(jié)點本地時鐘的時間戳達到相對同步。未同步時，從節(jié)點相對主節(jié)點有一個時間偏差offset。同步的過程能夠計算出這個偏差。

主時鐘周期性地向從時鐘發(fā)送同步報文SYNC，這個報文中沒有任何有效數據，但是當SYNC發(fā)出時，主節(jié)點能夠記錄下來時間戳t1，當從節(jié)點接收到SYNC，從節(jié)點能夠記錄下來時間戳t2。為了讓從節(jié)點也知道t1，稍后主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送跟隨報文FOLLOW＿UP，這個報文中包含了t1這個有效數據。

然后，為了計算主節(jié)點到從節(jié)點的延時，在從節(jié)點接收到FOLLOW＿UP后一段時間，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送一個DELAY＿REQ 報文。和SYNC類似，當DELAY＿REQ離開時得到時間戳t3，當DELAY＿REQ 到達主節(jié)點時，主節(jié)點得到時間戳t4。一段時間后，主節(jié)點再向從節(jié)點發(fā)送DELAY＿RESP 報文，這個報文中包含了t4，從而從節(jié)點得到了4個時間戳t1～t4。

圖1 PTP協議同步過程示意圖

有了以上4個時間戳之后，假設主節(jié)點到從節(jié)點與從節(jié)點到主節(jié)點傳輸和網絡延時不變，可以得到傳輸延時和時鐘偏差的計算方法：

如果PTP主從鏈路對稱，即Dm2s＝Ds2m＝delay，則：

由以上分析方法可知，PTP 主從節(jié)點鏈路對稱與否會影響offset的計算，從而會影響時間戳的同步精度。

另外，由于主節(jié)點和從節(jié)點需要用本地晶振維護本地時鐘。而隨著時間的積累，晶振存在頻率漂移，并且不同晶振的固有頻率也會有偏差，這兩個屬性都會影響時鐘同步的精度。

為了實現高精度時間同步，設計同步系統(tǒng)時應該同時考慮到主從節(jié)點鏈路的對稱性和晶振的特性。

2 電子學設計

時鐘同步系統(tǒng)的整體結構設計如圖2所示。

圖2 時鐘同步系統(tǒng)的硬件結構圖

本方案中主節(jié)點和從節(jié)點使用同一塊硬件電路，在設計的時候，硬件電路板上設計了一個跳線器，可以選擇一塊硬件電路是主節(jié)點或者從節(jié)點。為了保證主從節(jié)點的鏈路對稱，PCB電路板時鐘收發(fā)路徑以及PTP報文收發(fā)路徑的長度都應該用蛇形線設計來保證長度一致。另外，為了消除晶振的頻率漂移以及頻率偏差帶來的影響，本方案中從節(jié)點不使用本地晶振，而是直接使用主節(jié)點傳輸來時鐘信號作為時間戳的時鐘，也就是說主節(jié)點和從節(jié)點使用了同源時鐘。

雖然主從節(jié)點使用的本地clock是同源的，但是由于clock的傳輸路徑的差異，主從節(jié)點的clock是有相位差異的。這個相位差如果不考慮在設計方案中的話，會嚴重影響整個時鐘系統(tǒng)能夠實現的同步精度。如圖3所示，如果系統(tǒng)中沒有考慮主從節(jié)點的本地clock的相位差，也就是圖中phase，那時鐘系統(tǒng)所能達到的同步精度最好也就是相位差的值。假設，主從節(jié)點的周期T 為100ns，主從節(jié)點的相位差為60ns，那說明同步系統(tǒng)所能達到的最高精度為60ns。

圖3 主從節(jié)點時鐘相位差測量的重要性示意圖

為了進一步提高時間戳同步的精度，必須設計相位測量模塊，消除主從時鐘相位差對時間戳的同步精度帶來的影響。所以，主節(jié)點中包括了相位鑒別芯片以及ADC 芯片，用來精確測量主從節(jié)點時間戳的時鐘相位差。

有了這個相位差測量模塊，就真的可以消除主從節(jié)點時間戳的時鐘相位差帶來的影響嗎？答案是肯定的。圖4為主從節(jié)點時鐘傳播示意圖，AD8302即為本文中所用的相位鑒別芯片。

圖4 主從節(jié)點時鐘傳播示意圖

我們已經知道，為了使從節(jié)點與主節(jié)點的時間戳實現精確同步，最直接的方法就是算出盡量精確的offset值，也就是要得出盡量精確的t1～t4的值。

圖4中，Clk1為主節(jié)點晶振時鐘，Clk2為從節(jié)點從主節(jié)點接收到的時鐘，由于有一段長的傳播路徑，因而Clk2相對Clk1會有一個相位差。為了在主節(jié)點測量相位差，Clk3是從節(jié)點將Clk2直接發(fā)送到主節(jié)點而得到的時鐘，因而Clk3相對于Clk2又會有一個相位差。具體Clk1～Clk3的示意圖如圖5所示。

圖5 主從節(jié)點時鐘關系圖

對于時間戳t1而言，t1指的是SYNC包從主節(jié)點發(fā)出的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk1，而時間戳時鐘是主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk1，因而t1是精確的。對于時間戳t2而言，t2指的是SYNC包到達從節(jié)點的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk2，而時間戳時鐘是從節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk2，因而t2也是精確的。對于時間戳t3而言，t3指的是DELAY＿REQ 包從從節(jié)點觸發(fā)出的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk2，而時間戳時鐘為從節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk2，因而t3也是精確的。對于時間戳t4而言，t4指的是DELAY＿REQ 包到達主節(jié)點時的時刻，觸發(fā)時鐘為Clk3，而時間戳時鐘為主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘Clk1，因而t4不是精確的，是有偏差的。由圖5的時鐘關系圖可知，精確的t4p應該在t4之前：

可見，相位差測量模塊在整個時間戳同步方案中取到了舉足輕重的作用。

3 固件程序設計

3.1 主節(jié)點固件設計

主節(jié)點的固件結構框圖如圖6所示，A／D 控制模塊和相位測量模塊是用來控制幅相鑒別芯片和ADC 芯片。發(fā)送緩沖的作用是將主節(jié)點時鐘同步協議中的通信報文以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去，接收緩沖的作用是從接收路徑中解碼出相應的通信報文。本地時鐘模塊的作用就是維護一個本地時鐘。主節(jié)點時鐘同步協議的主要作用是控制報文的發(fā)送和接收。

圖6 主節(jié)點固件結構框圖

圖7為主節(jié)點時鐘同步協議模塊的狀態(tài)機轉換圖。

圖7 主節(jié)點同步協議模塊的狀態(tài)機轉換圖

idle狀態(tài)下，當檢測到pps信號的上升沿，則開始整個同步周期。首先，開始ADC 的讀取操作，當等到AD＿ready＝’1’，則說明ADC的數據已經準備好，然后進行讀取保存即可。然后，進入到sync狀態(tài)，這個狀態(tài)下，主節(jié)點會向從節(jié)點發(fā)送SYNC 同步包，之后模塊進入sync＿wait狀態(tài)。等一段固定的時間之后，模塊進入follow 狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，主節(jié)點會向從節(jié)點發(fā)送FOLLOW＿UP同步包。之后模塊進入after＿follow＿wait，等待一段固定的時間之后，模塊進入delay＿req＿pre，這個狀態(tài)下，主節(jié)點會通知從節(jié)點可以發(fā)DELAY＿REQ 包了。之后，模塊等待DELAY＿REQ 包，如果很長時間都沒有等到DELAY＿REQ 包，即等待超時，則模塊返回idle狀態(tài)；如果接收到了DELAY＿REQ 包，主節(jié)點就向從節(jié)點發(fā)送DELAY＿RESP。最后，等一段時間后，模塊返回到idle狀態(tài)。

3.2 從節(jié)點固件設計

從節(jié)點固件的結構框圖如圖8所示，相位部分計算模塊用來計算出前文說到的phase值，offset計算模塊的作用是用t1～t4和phase值計算出精確的offset值。從節(jié)點時鐘同步協議的主要作用是控制報文的發(fā)送和接收和更新本地時鐘。

圖8 從節(jié)點固件結構框圖

圖9為從節(jié)點時鐘同步協議模塊的狀態(tài)機轉換圖。

圖9 從節(jié)點時鐘同步協議模塊的狀態(tài)機轉換圖

當處在idle狀態(tài)時，從節(jié)點監(jiān)測接收到的數據流，直到監(jiān)測到sync包后立即進入wait＿follow 狀態(tài)。在wait＿follow 狀態(tài)，從節(jié)點同樣監(jiān)測接收的數據流，直到監(jiān)測到follow＿up包后，立即進入wait＿pre狀態(tài)，如果在這個狀態(tài)很久都沒有接收到follow＿up包，將等待超時返回到idle狀態(tài)。同樣，wait＿pre狀態(tài)下，直到監(jiān)測到delay＿req＿pre包后，跳入delay＿req狀態(tài)；如果等待超時，則返回idle狀態(tài)。delay＿req狀態(tài)下，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送delay＿req包后立即進入wait＿delay＿resp狀態(tài)。在wait＿delay＿resp狀態(tài)下，監(jiān)測到delay＿resp包后，從節(jié)點立即進入phase＿cacul狀態(tài)；如果長時間沒有監(jiān)測到delay＿resp包，則返回idle狀態(tài)。在phase＿cacul狀態(tài)下，開始相位差計算模塊后，立即進入wait＿phase＿result狀態(tài)。在wait＿phase＿result狀態(tài)下，等到相位測量結果準備好后，進入delay＿cacul狀態(tài)；如果長時間，相位結果都沒有準備好，或者相位結果錯誤，則返回idle狀態(tài)。在delay＿cacul狀態(tài)下，開啟offset計算模塊后，進入wait＿result狀態(tài)。在wait＿result狀態(tài)下，當檢測到偏移測量結果準備好信號后，進入offset＿update狀態(tài)；否則返回到idle狀態(tài)。在offset＿update狀態(tài)下，從節(jié)點時鐘同步協議向本地時鐘模塊發(fā)送偏移校正信號，從而更新從節(jié)點的本地時鐘，然后進入idle狀態(tài)。

4 測試結果

實際測試環(huán)境包括一個主節(jié)點和一個從節(jié)點，之間用光纖連接。示波器用來觀察主節(jié)點和從節(jié)點輸出的pps信號。由于主從節(jié)點的時鐘相位不一致，示波器觀察到的就是這個相位差。pps上升沿到來時，主從節(jié)點時間戳通過串口模塊輸出給PC 機。通過對比示波器測得的主從相位差以及pps上升沿主從時間戳的差值，就可以得出真實的時間戳同步精度。

本次測試使用了三種不同長度（3m、6m、5.15m）的光纖，然后通過觀察在不同長度光纖下的實驗結果，從而可以判斷時鐘同步系統(tǒng)所能達到的精度。主從節(jié)點相位差直方圖以及相應的時間戳的差值直方圖略——編者注。

由這三種不同長度光纖所得出的結果來看，本文實現的同步時鐘系統(tǒng)的時間戳同步精度可達1ns。

結 語

本方案實現的時鐘同步系統(tǒng)，以IEEE 1588協議中基于時間戳的報文通信為基本原理，在純硬件電路（FPGA）中實現。通過在主節(jié)點添加了相位差測試模塊，消除了主從節(jié)點相位不同的影響，最后實現的時間戳同步精度高達1ns。

本文設計出來的時鐘同步系統(tǒng)所需成本低，同步精度非常高，非常適合應用在需要高精度時間戳的場合。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1］K J Kang，J P Cheng，Y H Chen，et al.Status and Prospects of a Deep Underground Laboratory in China［J］.Journal of Physics：Conference Series，2010，203（1）.

［2］王貽芳.大亞灣反應堆中微子實驗［J］.物理，2006（3）.

［3］IEEE Instrumentation and Measurement Society.IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，2002.