基于ZYNQ 的PTP 授时精度测量方法与实现*

2021-06-30应斌杰杨成钢郝自飞毛立振

电子技术应用 2021年6期

宋艳，应斌杰，杨成钢，郝自飞，毛立振

（1.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江丽水 316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江杭州 310019）

0 引言

精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）是一种高精度网络时间同步协议[1-2]，具体内容由IEEE 1588协议定义。IEEE1588 协议目前有V1 和V2 两个版本。其支持多种形式的传输，比如UDP/IPv4、UDP/IPv6 以及IEEE 802.3 等。PTP 与网络授时协议（Network Timing Protocol，NTP）的主要区别是，PTP 是在物理层实现而NTP 是在应用层实现。因此，PTP 比NTP 具有更高的同步精度。PTP 可以达到亚微秒级授时精度，在网络的节点（交换机）支持PTP 协议的情况下，能够实现纳秒量级的授时精度[3-4]。

PTP 授时具有成本低、精度高、网络开销小等优点，因此在通信、电力、轨道交通等领域得到了较为广泛的应用[5-8]。但也正因为其授时精度高，使得对PTP 授时设备授时精度的测量就显得更为困难。PTP 授时精度从理论上来说主要受两方面的影响，一方面是打时间戳的位置，另外是软件同步的算法。打时间戳目前可以在物理层、数据链路层和应用层上进行，对应的授时精度会依次降低[9-10]。目前主流的PTP 授时设备均是基于Linux系统的，而Linux 系统为非实时操作系统，中断响应时间在微秒级以上，其无法获得精确的时间戳，即便是使用了其他算法，测量精度也在100 μs 以上[11]，无法对PTP 测量[12-14]。相对Linux 系统而言，μCOS 为实时操作系统，能够获得更准确的时间，可以用μCOS 系统加LWIP协议栈来实现PTP 精度测量。

1 PTP 授时基本原理

PTP 授时有一步和两步两种模式。不管是一步还是两步模式，都包含三个关键的报文，分别是同步报文Sync，延迟请求报文Delay_req 和延迟请求响应报文Delay_resp。在两步模式下，多一个跟随报文Follow_up。图1 给出了PTP 授时的基本原理，主时钟周期性地播发Sync报文。在一步模式下，Sync 报文中除包含一个预估的时间戳tp，还包括一个校正时间tc，则准确的时间戳t1=tp-tc。从时钟接收到Sync 帧，即可获得时间戳t1；在两步模式下，当Sync 报文通过网口发送时，主时钟会通过位于底层的时标生成器获得Sync 离开主时钟的精确时刻t1，而后发送跟随报文，该跟随报文中包含了t1。从时钟从跟随报文中获取时间戳t1。两种模式对其他时间戳的获得方式是相同的。从时钟利用时标生成器可以精确测量Sync 报文到达从时钟的时刻t2，并向主时钟发送延迟请求报文，同时记录该报文离开从时钟的时刻t3。主时钟收到延迟请求报文后，记录其到达主时钟的时刻t4，并通过延迟请求响应报文反馈给从时钟。不管是主时钟还是从时钟，获取的时刻都是在接近物理层打戳的。因此，认为这种时刻是精确的。图1 中的圆圈表示同步报文的时标生成处。

图1 PTP 授时原理示意图

当报文交换完成时，从节点处理所有四个时间戳，用来计算从时钟相对于主时钟的偏移to和两节点间报文的传播时间td1和td2。

假定链路时延是对称的，即td1=td2=td，其中td为链路平均时延，则有：

从时钟得到偏移to后，将自己的本地时间减去to，就完成了一次与主时钟的同步。

2 PTP 授时精度测量方法

2.1 PTP 精度测量的基本方法

PTP 授时精度测量就是要测出主时钟相对于准确时间的偏差。文献[15]给出的方法是，将PTP 主时钟输出的PPS 信号与绝对UTC 的PPS 信号进行比对，进而得到主时钟授时精度。这种方法显然存在两个问题：一是绝对的UTC 时间无法获得，至少是极难获得；二是PTP主时钟输出的PPS 信号显然不能替代PTP 协议提供的时间。

因此，对测量设备而言，首先必须要拥有具有足够准确的时间，且根据测量需要，该时间可以在UTC 时、北京时、北斗时等时间系统之间选择。作为PTP 测量设备，其扮演了从设备的角色，只不过其不向主时钟同步时间。测量过程中，以测量设备时间为时间基准，获得主设备与测量设备之间的偏差，即为PTP 授时设备的授时误差。若认为测量设备的时间是准确的，则式（2）得到的时间偏差to，显然就是主时钟的授时精度。

由于t1和t4两个时间戳都来自于主时钟的报文，测量的问题就转化为如何获得t2和t3两个时间戳。典型的方法是利用支持IEEE1588 协议的以太网物理层收发器专用芯片，比如DP 83640 来获得时间戳。该芯片使用25 MHz 的外部时钟，在芯片内经频率综合后产生最高位125 MHz 的PTP 时钟。在使用125 MHz 的PTP 时钟时，计数器的增量值为8 ns，也就是使用该芯片最高可以获得8 ns 的分辨率。使用该芯片实现的最大特点是简单。但是也存在几个问题。一是测量的准确度与PTP 时钟的准确度和稳定度密切相关，而该时钟是由外部时钟经频率综合后产生的，该时钟的漂移和抖动都是不可控的；二是该芯片的时间戳需要通过1PPS 信号进行同步。显然，1PPS 的误差会传到给时间戳。在工程实践上，也有人使用FPGA 来对同步报文进行硬件标记，这种做法需要额外的硬件逻辑设计，增加了系统的硬件开销和开发难度[16]。

Xilinx 公司的ZYNQ 系列SOC 芯片的以太网驱动器提供了硬件PTP 时间戳记录功能（ZYNQ 7010 不具备）。使用该芯片可以以更灵活更简单的形式，实现PTP 主时钟精度测量。ZYNQ 集成了FPGA 和ARM 处理器，使用射频芯片和必要的外围芯片（DDR、Flash 等）加上ZYNQ就可以实现卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）信号的接收和解算，从而获得参考时间，而无需外部输入1PPS 信号。只要相关算法设计得当，在接收GPS/BDS 信号时，获得的时间与绝对UTC 的偏差可以小于10 ns。在很多情况下，这个时间就可以作为测量PTP 授时精度的时间基准了。

贤庄村片区水力主要是确定水泵型号后，管道输水能力的复核。选定水泵设计流量为192 m3/h。流量调整后管线的水头损失为14.2 m，管道地形沿程为55 m，考虑出水口剩余水头为2.0 m，确定调整流量后输水系统输水损失为71.2 m，小于水泵额定扬程73 m。

2.2 ZYNQ EMAC 时间戳获取

PTP 授时利用在物理层打时间戳实现时间传递。其时间戳包括6 字节的秒计数和4 字节的纳秒计数。其中秒计数的起点是1970-1-1 00:00:00。ZYNQ 的纳秒计数满1 s，秒计数器进位，纳秒计数器清零。为了方便起见，下文中用纳秒计数器代替这两个计数器。纳秒计数器是在PTP 时钟驱动下计数的，比如，PTP 时钟是125 MHz，则一个时钟周期为8 ns，故增量计数器为8 ns。若PTP 时钟周期不是整数纳秒，比如时钟为120 MHz，则时钟周期为8.33 ns。由于增量计数器无法设置小数，因此只能采用折中的办法，将两个8 ns 和一个9 ns，也就是三个时钟周期平均为8.33 ns。设置好增量计数器后，纳秒计数器就能与时钟周期对应起来了。

ZYNQ 接收到来自主时钟的Sync 数据包后，ZYNQ在物理层打上时间戳，并产生接收中断，应用层任务可以读取该时间戳T2。需要注意的是，考虑到响应和处理时间，无需对所有的Sync 帧都响应。接收到Sync 帧后，ZYNQ 向主时钟发送Dly_req 请求帧，该帧离开ZYNQ 网络控制时，ZYNQ 再次产生中断，并打上时间戳T3。收发中断产生后，应用层软件可以从容读取这两个时间戳。

2.3 时间初始值同步

虽然ZYNQ 可以记录并读取T2和T3两个值，但是需要注意的是，纳秒计数器反映的仅仅是时钟数与增量计数器的乘积。其含义是假定PTP 系统时钟绝对准确的情况下，从初始值时刻至测量时刻为止流逝的时间。显然，要想使时间戳尽可能与真实时间一致，必须要解决两个问题，一是计数器初始值如何与真实时间保持同步，二是如何消除频差带来的影响。

由于ZYNQ 的纳秒计数器没有提供硬件同步机制，只能通过寄存器写入的方式赋初值。一般情况下，在系统时间的整数秒将系统时间写入秒寄存器并将纳秒寄存器清零。如果写入过程中没有时延或者开销，显然很容易就能实现纳秒计数器与系统时间的同步。然而，向寄存器写入初值需要的时间波动高达微秒级，而且分布随机。因此，在整秒时刻向寄存器写初值，仅能实现纳秒寄存器的粗同步。如图2 所示，假定在整数秒时刻写入，那么秒计数器写入的是当前秒的值，纳秒计数器写入值应该为0。由于延时的存在，数值写入寄存器的真正时刻是tw，而不是0，显然纳秒计数器的值比真实时刻滞后了tw。由于tw在阴影区域内随机变化，因此无法通过提前补偿的方式消除写入时延带来的误差。tw虽然无法通过提前补偿，但可以通过事后补偿的机制来处理。如图2 所示，当ZYNQ 完成向寄存器写入初值后，可以通过硬件方式立刻拍得写入完成后的时刻tr。一般情况下，这个tr与tw之间只存在一个较为固定且很小的差值Δt，即tw=tr-Δt。将tw写入ZYNQ 的补偿寄存器，使用这种方式补偿，就实现了纳秒计数器初值与系统时间的同步。

图2 纳秒寄存器初始值同步示意图

2.4 频差补偿

虽然通过后补偿的方式能够解决初始值同步的问题，但是由于系统时钟的不准确性，随着时间的推移，误差会积累，这个误差会对测量结果带来很大影响。如图3 所示，由于参考频率不准确，使得PTP 纳秒计数器和秒计数记录的时间都并非真正的时间。假如使用标称值为10 MHz，准确度为1×10-13的高挡时钟源，则1 s 由频率偏差引入的误差To可达100 ns。因此，这个误差必须要进行消除才行。

图3 时钟源对测量结果的影响

通过接收卫星导航系统信号，可以测量出时钟源差σs：

这样就得到了真实的时间。因此，T2和T3对应的真实时刻t2、t3分别如式（7）、（8）所示。

t1、t4从来自PTP 主时钟的数据包中获取。利用式（2）就可以测量出待测PTP 主时钟的授时精度了。需要注意的是，由于频率源的不稳定性，每秒钟的偏差值To实际上是不一致的，在实际测试中，需要每秒都进行相应处理。

3 PTP 授时精度测量的实现

3.1 硬件架构

图4 给出了利用ZYNQ 进行PTP 测量的硬件组成方案。由图可见，该测量方案的硬件组成非常简单。以ZYNQ SoC 为核心，外围除了Flash、DDR 等保证系统正常运行的硬件外，主要就是频率综合器和射频通道ADC。除此之外，信号及信息的处理都在ZYNQ 中以软件的形式完成。

图4 PTP 测量框图

3.2 软件流程

PTP 测量的软件流程如图5 所示。由图可见，首先需要完成导航信号的捕获、跟踪、解算，这一个过程实质上就是传统的导航接收机信号处理及解算过程。与之不同的是，当解算完成，得出本地位置后，要进一步进行钟差和频差的计算，为准确的源差测量提供保证。当获得了准确的系统时间和频差后，就能以此进行PTP 授时精度测量了。测量的基本流程如图6 所示（以两步模式为例）。

图5 软件处理基本流程

图6 PTP 精度测量流程图

3.3 实测结果

利用本方案实现的PTP 精度测量设备，对西安同步SYN2407 主时钟授时精度进行了超过30 min 的测量，测量数据如图7 所示。测试结果表明，即使不考虑PTP 主时钟精度对测量结果的影响，该方案也能获得优于10 ns的测量精度（图7 中的标准差即为测量精度）。经第三方权威机构检测，本方案对PTP 授时设备的测量精度可达10 ns 以下（1σ）。