基于ZYNQ 的PTP 授時精度測量方法與實現*

宋 艷 ，應斌杰 ，楊成鋼 ，郝自飛 ，毛立振

（1.國網浙江省電力有限公司 麗水供電公司，浙江 麗水 316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江 杭州 310019）

0 引言

精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）是一種高精度網絡時間同步協議[1-2]，具體內容由IEEE 1588協議定義。IEEE1588 協議目前有V1 和V2 兩個版本。其支持多種形式的傳輸，比如UDP/IPv4、UDP/IPv6 以及IEEE 802.3 等。PTP 與網絡授時協議（Network Timing Protocol，NTP）的主要區別是，PTP 是在物理層實現而NTP 是在應用層實現。因此，PTP 比NTP 具有更高的同步精度。PTP 可以達到亞微秒級授時精度，在網絡的節點（交換機）支持PTP 協議的情況下，能夠實現納秒量級的授時精度[3-4]。

PTP 授時具有成本低、精度高、網絡開銷小等優點，因此在通信、電力、軌道交通等領域得到了較為廣泛的應用[5-8]。但也正因為其授時精度高，使得對PTP 授時設備授時精度的測量就顯得更為困難。PTP 授時精度從理論上來說主要受兩方面的影響，一方面是打時間戳的位置，另外是軟件同步的算法。打時間戳目前可以在物理層、數據鏈路層和應用層上進行，對應的授時精度會依次降低[9-10]。目前主流的PTP 授時設備均是基于Linux系統的，而Linux 系統為非實時操作系統，中斷響應時間在微秒級以上，其無法獲得精確的時間戳，即便是使用了其他算法，測量精度也在100 μs 以上[11]，無法對PTP 測量[12-14]。相對Linux 系統而言，μCOS 為實時操作系統，能夠獲得更準確的時間，可以用μCOS 系統加LWIP協議棧來實現PTP 精度測量。

1 PTP 授時基本原理

PTP 授時有一步和兩步兩種模式。不管是一步還是兩步模式，都包含三個關鍵的報文，分別是同步報文Sync，延遲請求報文Delay_req 和延遲請求響應報文Delay_resp。在兩步模式下，多一個跟隨報文Follow_up。圖1 給出了PTP 授時的基本原理，主時鐘周期性地播發Sync報文。在一步模式下，Sync 報文中除包含一個預估的時間戳tp，還包括一個校正時間tc，則準確的時間戳t1=tp-tc。從時鐘接收到Sync 幀，即可獲得時間戳t1；在兩步模式下，當Sync 報文通過網口發送時，主時鐘會通過位于底層的時標生成器獲得Sync 離開主時鐘的精確時刻t1，而后發送跟隨報文，該跟隨報文中包含了t1。從時鐘從跟隨報文中獲取時間戳t1。兩種模式對其他時間戳的獲得方式是相同的。從時鐘利用時標生成器可以精確測量Sync 報文到達從時鐘的時刻t2，并向主時鐘發送延遲請求報文，同時記錄該報文離開從時鐘的時刻t3。主時鐘收到延遲請求報文后，記錄其到達主時鐘的時刻t4，并通過延遲請求響應報文反饋給從時鐘。不管是主時鐘還是從時鐘，獲取的時刻都是在接近物理層打戳的。因此，認為這種時刻是精確的。圖1 中的圓圈表示同步報文的時標生成處。

圖1 PTP 授時原理示意圖

當報文交換完成時，從節點處理所有四個時間戳，用來計算從時鐘相對于主時鐘的偏移to和兩節點間報文的傳播時間td1和td2。

假定鏈路時延是對稱的，即td1=td2=td，其中td為鏈路平均時延，則有：

從時鐘得到偏移to后，將自己的本地時間減去to，就完成了一次與主時鐘的同步。

2 PTP 授時精度測量方法

2.1 PTP 精度測量的基本方法

PTP 授時精度測量就是要測出主時鐘相對于準確時間的偏差。文獻[15]給出的方法是，將PTP 主時鐘輸出的PPS 信號與絕對UTC 的PPS 信號進行比對，進而得到主時鐘授時精度。這種方法顯然存在兩個問題：一是絕對的UTC 時間無法獲得，至少是極難獲得；二是PTP主時鐘輸出的PPS 信號顯然不能替代PTP 協議提供的時間。

因此，對測量設備而言，首先必須要擁有具有足夠準確的時間，且根據測量需要，該時間可以在UTC 時、北京時、北斗時等時間系統之間選擇。作為PTP 測量設備，其扮演了從設備的角色，只不過其不向主時鐘同步時間。測量過程中，以測量設備時間為時間基準，獲得主設備與測量設備之間的偏差，即為PTP 授時設備的授時誤差。若認為測量設備的時間是準確的，則式（2）得到的時間偏差to，顯然就是主時鐘的授時精度。

由于t1和t4兩個時間戳都來自于主時鐘的報文，測量的問題就轉化為如何獲得t2和t3兩個時間戳。典型的方法是利用支持IEEE1588 協議的以太網物理層收發器專用芯片，比如DP 83640 來獲得時間戳。該芯片使用25 MHz 的外部時鐘，在芯片內經頻率綜合后產生最高位125 MHz 的PTP 時鐘。在使用125 MHz 的PTP 時鐘時，計數器的增量值為8 ns，也就是使用該芯片最高可以獲得8 ns 的分辨率。使用該芯片實現的最大特點是簡單。但是也存在幾個問題。一是測量的準確度與PTP 時鐘的準確度和穩定度密切相關，而該時鐘是由外部時鐘經頻率綜合后產生的，該時鐘的漂移和抖動都是不可控的；二是該芯片的時間戳需要通過1PPS 信號進行同步。顯然，1PPS 的誤差會傳到給時間戳。在工程實踐上，也有人使用FPGA 來對同步報文進行硬件標記，這種做法需要額外的硬件邏輯設計，增加了系統的硬件開銷和開發難度[16]。

Xilinx 公司的ZYNQ 系列SOC 芯片的以太網驅動器提供了硬件PTP 時間戳記錄功能（ZYNQ 7010 不具備）。使用該芯片可以以更靈活更簡單的形式，實現PTP 主時鐘精度測量。ZYNQ 集成了FPGA 和ARM 處理器，使用射頻芯片和必要的外圍芯片（DDR、Flash 等）加上ZYNQ就可以實現衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號的接收和解算，從而獲得參考時間，而無需外部輸入1PPS 信號。只要相關算法設計得當，在接收GPS/BDS 信號時，獲得的時間與絕對UTC 的偏差可以小于10 ns。在很多情況下，這個時間就可以作為測量PTP 授時精度的時間基準了。

賢莊村片區水力主要是確定水泵型號后，管道輸水能力的復核。選定水泵設計流量為192 m3/h。流量調整后管線的水頭損失為14.2 m，管道地形沿程為55 m，考慮出水口剩余水頭為2.0 m，確定調整流量后輸水系統輸水損失為71.2 m，小于水泵額定揚程73 m。

2.2 ZYNQ EMAC 時間戳獲取

PTP 授時利用在物理層打時間戳實現時間傳遞。其時間戳包括6 字節的秒計數和4 字節的納秒計數。其中秒計數的起點是1970-1-1 00:00:00。ZYNQ 的納秒計數滿1 s，秒計數器進位，納秒計數器清零。為了方便起見，下文中用納秒計數器代替這兩個計數器。納秒計數器是在PTP 時鐘驅動下計數的，比如，PTP 時鐘是125 MHz，則一個時鐘周期為8 ns，故增量計數器為8 ns。若PTP 時鐘周期不是整數納秒，比如時鐘為120 MHz，則時鐘周期為8.33 ns。由于增量計數器無法設置小數，因此只能采用折中的辦法，將兩個8 ns 和一個9 ns，也就是三個時鐘周期平均為8.33 ns。設置好增量計數器后，納秒計數器就能與時鐘周期對應起來了。

ZYNQ 接收到來自主時鐘的Sync 數據包后，ZYNQ在物理層打上時間戳，并產生接收中斷，應用層任務可以讀取該時間戳T2。需要注意的是，考慮到響應和處理時間，無需對所有的Sync 幀都響應。接收到Sync 幀后，ZYNQ 向主時鐘發送Dly_req 請求幀，該幀離開ZYNQ 網絡控制時，ZYNQ 再次產生中斷，并打上時間戳T3。收發中斷產生后，應用層軟件可以從容讀取這兩個時間戳。

2.3 時間初始值同步

雖然ZYNQ 可以記錄并讀取T2和T3兩個值，但是需要注意的是，納秒計數器反映的僅僅是時鐘數與增量計數器的乘積。其含義是假定PTP 系統時鐘絕對準確的情況下，從初始值時刻至測量時刻為止流逝的時間。顯然，要想使時間戳盡可能與真實時間一致，必須要解決兩個問題，一是計數器初始值如何與真實時間保持同步，二是如何消除頻差帶來的影響。

由于ZYNQ 的納秒計數器沒有提供硬件同步機制，只能通過寄存器寫入的方式賦初值。一般情況下，在系統時間的整數秒將系統時間寫入秒寄存器并將納秒寄存器清零。如果寫入過程中沒有時延或者開銷，顯然很容易就能實現納秒計數器與系統時間的同步。然而，向寄存器寫入初值需要的時間波動高達微秒級，而且分布隨機。因此，在整秒時刻向寄存器寫初值，僅能實現納秒寄存器的粗同步。如圖2 所示，假定在整數秒時刻寫入，那么秒計數器寫入的是當前秒的值，納秒計數器寫入值應該為0。由于延時的存在，數值寫入寄存器的真正時刻是tw，而不是0，顯然納秒計數器的值比真實時刻滯后了tw。由于tw在陰影區域內隨機變化，因此無法通過提前補償的方式消除寫入時延帶來的誤差。tw雖然無法通過提前補償，但可以通過事后補償的機制來處理。如圖2 所示，當ZYNQ 完成向寄存器寫入初值后，可以通過硬件方式立刻拍得寫入完成后的時刻tr。一般情況下，這個tr與tw之間只存在一個較為固定且很小的差值Δt，即tw=tr-Δt。將tw寫入ZYNQ 的補償寄存器，使用這種方式補償，就實現了納秒計數器初值與系統時間的同步。

圖2 納秒寄存器初始值同步示意圖

2.4 頻差補償

雖然通過后補償的方式能夠解決初始值同步的問題，但是由于系統時鐘的不準確性，隨著時間的推移，誤差會積累，這個誤差會對測量結果帶來很大影響。如圖3 所示，由于參考頻率不準確，使得PTP 納秒計數器和秒計數記錄的時間都并非真正的時間。假如使用標稱值為10 MHz，準確度為1×10-13的高擋時鐘源，則1 s 由頻率偏差引入的誤差To可達100 ns。因此，這個誤差必須要進行消除才行。

圖3 時鐘源對測量結果的影響

通過接收衛星導航系統信號，可以測量出時鐘源差σs：

這樣就得到了真實的時間。因此，T2和T3對應的真實時刻t2、t3分別如式（7）、（8）所示。

t1、t4從來自PTP 主時鐘的數據包中獲取。利用式（2）就可以測量出待測PTP 主時鐘的授時精度了。需要注意的是，由于頻率源的不穩定性，每秒鐘的偏差值To實際上是不一致的，在實際測試中，需要每秒都進行相應處理。

3 PTP 授時精度測量的實現

3.1 硬件架構

圖4 給出了利用ZYNQ 進行PTP 測量的硬件組成方案。由圖可見，該測量方案的硬件組成非常簡單。以ZYNQ SoC 為核心，外圍除了Flash、DDR 等保證系統正常運行的硬件外，主要就是頻率綜合器和射頻通道ADC。除此之外，信號及信息的處理都在ZYNQ 中以軟件的形式完成。

圖4 PTP 測量框圖

3.2 軟件流程

PTP 測量的軟件流程如圖5 所示。由圖可見，首先需要完成導航信號的捕獲、跟蹤、解算，這一個過程實質上就是傳統的導航接收機信號處理及解算過程。與之不同的是，當解算完成，得出本地位置后，要進一步進行鐘差和頻差的計算，為準確的源差測量提供保證。當獲得了準確的系統時間和頻差后，就能以此進行PTP 授時精度測量了。測量的基本流程如圖6 所示（以兩步模式為例）。

圖5 軟件處理基本流程

圖6 PTP 精度測量流程圖

3.3 實測結果

利用本方案實現的PTP 精度測量設備，對西安同步SYN2407 主時鐘授時精度進行了超過30 min 的測量，測量數據如圖7 所示。測試結果表明，即使不考慮PTP 主時鐘精度對測量結果的影響，該方案也能獲得優于10 ns的測量精度（圖7 中的標準差即為測量精度）。經第三方權威機構檢測，本方案對PTP 授時設備的測量精度可達10 ns 以下（1σ）。

圖7 PTP 精度測量實測數據

4 結論

隨著信息設備對時間精度需求越來越高，可以預見PTP 網絡授時將會應用到更多場合，對PTP 授時設備的授時精度也將提出更高的要求。一文中提出的方法能夠以一種比較簡單的方案實現PTP 授時精度測量，能夠滿足對高精度PTP 主時鐘授時精度測量的需求。