普通交換機在IEEE 1588時鐘同步系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

隨著信息技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在電力系統(tǒng)、制造業(yè)、過程控制等領(lǐng)域中出現(xiàn)了越來越多的建立在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式測控系統(tǒng)，時鐘同步技術(shù)因而成為確保分布式系統(tǒng)性能的必要手段。IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)由于所具有的高精度(可實現(xiàn)亞微秒級時鐘同步)、高可靠性以及基于以太網(wǎng)(UDP/IP)的同步方式，必將在分布式控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是在現(xiàn)有條件下，IEEE 1588協(xié)議還遠未發(fā)揮其應(yīng)用的潛能。由于該協(xié)議定義的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)中，需要使用價格很高的透明時鐘交換機作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。因此，IEEE 1588目前主要是在類似數(shù)字化變電站這樣的重要設(shè)施中發(fā)揮作用。而對于大多數(shù)的分布式測控系統(tǒng)，如果都采用透明時鐘交換機，勢必導致系統(tǒng)成本大幅度提高，因而在很大程度上限制了該協(xié)議的應(yīng)用。

事實上，不同的分布式系統(tǒng)對于時鐘精度的要求有很大差別，只有少數(shù)對測量精度和控制性能要求很高的硬實時(Hard real time)系統(tǒng)才需要微秒級的時鐘同步精度。以電力系統(tǒng)為例，IEC 61850標準定義了5個級別的時鐘同步精度(T1～T5)，只有最高的T5要求同步精度為1μs。而現(xiàn)有的支持IEEE 1588的微處理器器和物理層芯片，可以保證兩個嵌入式智能電氣設(shè)備(IED)的點對點同步精度達到微秒級。即使受到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的影響，仍有可能實現(xiàn)T1～T4級別的同步精度。在未來的分布式測控系統(tǒng)中，也將會出現(xiàn)越來越多的以嵌入式微控制器為核心的傳感器、執(zhí)行器和控制單元。因此，能夠滿足分布式系統(tǒng)中不同應(yīng)用對于時鐘同步要求的高性價比的技術(shù)方案，將具有非常廣泛的應(yīng)用價值。

為此，本文探討了具有大量嵌入式設(shè)備的分布式系統(tǒng)中，在IEEE 1588時鐘同步網(wǎng)絡(luò)中采用普通交換機的應(yīng)用方案。通過大量的實驗數(shù)據(jù)來分析IEEE 1588系統(tǒng)中使用普通交換機所導致的同步報文延遲對于時鐘同步精度的影響，以及使用不同性能交換機的IEEE 1588系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的時鐘同步效果。本文的工作可以為IEEE 1588協(xié)議在分布式測控系統(tǒng)中的進一步推廣普及提供參考依據(jù)。

1 IEEE 1588時鐘同步機制

IEEE 1588協(xié)議的時鐘同步機制規(guī)定，系統(tǒng)工作于主從模式，由主時鐘(Master)向從時鐘提供時鐘基準。具體實現(xiàn)方式為：主時鐘周期性發(fā)送同步報文(Sync)，從時鐘根據(jù)收到Sync報文的時間來計算該報文傳輸?shù)臅r間延遲以及主從時鐘之間的偏差，并調(diào)整本地時間以保持與主時鐘一致。

IEEE 1588系統(tǒng)的主從時鐘偏移測量如圖1所示，主從時鐘偏差的計算方法為：

offsetFromMaster=[(TS1-TM1)-(TM2-TS2)]/2

2 時鐘同步測試系統(tǒng)

本文所使用的支持IEEE 1588協(xié)議的IED控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控芯片選取的是配備以太網(wǎng)MAC層接口模塊(MII)的ARM C0rtex —M3系列的STM32F107VC，與之相連的外設(shè)模塊還有USB接口、串行口EEPROM和實時時鐘等。PHY層以太網(wǎng)芯片選取的是DP83640，該芯片內(nèi)配置有高精度IEEE 1588時鐘，并配有硬件時標功能，能夠在物理層為接收/發(fā)送的報文打上時間戳，因而能夠消除由MAC層和IEEE 1588協(xié)議棧產(chǎn)生的延時和抖動，從而有效確保時鐘同步的精度。

時鐘同步測試系統(tǒng)的構(gòu)成及實驗裝置分別如圖3和圖4所示。主時鐘節(jié)點通過串行口接收來自GPS授時模塊的基準時間信息，再通過普通交換機向從節(jié)點發(fā)送IEEE 1588協(xié)議的時鐘同步報文。通過主、從節(jié)點所產(chǎn)生的秒脈沖的時間差來檢驗該系統(tǒng)的時鐘同步精度。

3 實驗結(jié)果及分析

本文的時鐘同步測試實驗分為兩個環(huán)節(jié)：①由主時鐘節(jié)點通過1000M以太網(wǎng)交換機與兩個從節(jié)點相連;②主、從時鐘分別通過100M和1000M交換機連接。

在IEEE 1588系統(tǒng)中，同步報文發(fā)送周期越短，時鐘同步精度越高，但隨著同步報文發(fā)送周期的減小，系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)流量隨之增加，在實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)負擔也會隨之加重，在運行中可能會降低系統(tǒng)時鐘同步性能。因此，本文的實驗都選擇主節(jié)點同步報文發(fā)送周期為2 s。

3.1 時鐘同步測試數(shù)據(jù)

圖5是實驗1中兩個從節(jié)點的時鐘同步誤差曲線(共計500次時鐘同步)，表1是相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計。實驗數(shù)據(jù)表明，在同等測試條件下，兩個從節(jié)點都能實現(xiàn)亞微秒級的同步精度(秒脈沖平均偏差約270 ns，最大偏差均為450 ns)。

實驗2的時鐘同步誤差曲線如圖6所示，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所列。實驗數(shù)據(jù)表明，當兩個從節(jié)點通過同一個交換機與主節(jié)點連接，且沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量時，采用100M以太網(wǎng)交換機的主從節(jié)點之間時鐘同步平均誤差約300納秒，最大誤差為500 ns，略低于1000M交換機的同步精度(平均誤差273 ns，最大誤差為450 ns)。

3.2 測試結(jié)果分析

為了對時鐘同步測試的結(jié)果進行進一步分析，本文列出了以下數(shù)據(jù)進行對比：①兩組實驗測試結(jié)果的典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分別如表1和表2所列;②實驗2中使用100M和1000M以交換機得到的同步誤差柱狀圖，如圖7所示。

由表1和圖5可見，在同等測試條件下(即兩個從節(jié)點與主節(jié)點由同一個交換機連接，且沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量)，兩個從節(jié)點的時鐘同步效果基本相同，同步誤差都能達到亞微秒級。由圖6中的時鐘同步誤差曲線和圖7中的同步誤差柱狀圖對比可見，在沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量的情況下，使用100M交換機和1000M交換機都可以實現(xiàn)亞微秒級的時鐘同步精度，1000M交換機在同步精度方面略好于100M交換機。

本文所進行的時鐘同步測試結(jié)果是基于以下網(wǎng)絡(luò)條件進行的：①主從時鐘節(jié)點之間通過簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相連;②系統(tǒng)中沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量。上述條件看似接近理想狀態(tài)，但與實際的測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還是很接近的。其原因在于：①分布式測控系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器等IED節(jié)點通常都是通過拓撲結(jié)構(gòu)簡單的網(wǎng)絡(luò)連接的，即節(jié)點之間通過單級網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(如交換機)就近連接;②分布式系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中所傳遞的信息主要是各種測量數(shù)據(jù)和控制指令，數(shù)據(jù)內(nèi)容很少，所以網(wǎng)絡(luò)流量也很小。因此，這些數(shù)據(jù)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)延遲抖動很小，通過交換機時不會產(chǎn)生擁塞，而且交換機內(nèi)部因不同端口之間數(shù)據(jù)流量不同而導致的傳輸延遲不對稱問題也可忽略不計。

綜上所述，對于通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相對簡單(如節(jié)點之間采用單級交換機連接)，且網(wǎng)絡(luò)流量很小(通常只傳輸少量的測量信息、控制指令等數(shù)據(jù))的分布式測控系統(tǒng)，使用普通的以太網(wǎng)交換機也可以實現(xiàn)較高的時鐘同步精度。本文的研究結(jié)果可以為IEEE 1588協(xié)議在分布式測控系統(tǒng)中的進一步推廣普及提供參考依據(jù)。

結(jié)語

探討了通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單的分布式測控系統(tǒng)中，采用普通以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)IEEE 1588時鐘同步應(yīng)用方案。通過大量的實驗數(shù)據(jù)來分析IEEE 1588系統(tǒng)中使用普通交換機所導致的同步報文延遲對于時鐘同步精度的影響，以及使用不同性能交換機的IEEE 1588系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的時鐘同步效果。研究結(jié)果表明，在主從時鐘節(jié)點通過交換機直接連接、以及網(wǎng)絡(luò)流量很小的情況下，仍可以實現(xiàn)微秒級的時鐘同步精度，由此驗證了普通交換機的可行性。因此，本文的研究工作可以為IEEE1588協(xié)議在分布式測控系統(tǒng)中的進一步推廣普及提供參考依據(jù)。