IEEE1588精密时间协议的时间同步性能-Appli

IEEE1588精密时间协议的时间同步性能AN-1728©2007NationalSemiconductorCorporation300395美国国家半导体公司应用注释1728AlexanderETan2007年10月1.0引言IEEE1588精密时间协议（PTP）的目的是在以太网中保持不同结点之间的时间同步。在工厂自动化、测试和测量以及通信中的大量应用要求非常精密的时间同步。这通常会超出标准软件解决方案所能提供的范围。精确的PHYTER解决方案可以提供特别严格的时间同步，满足这些应用的需求，并能很容易地添加到现有的产品中。这个应用注释介绍了精密PHYTER的详细的时间同步性能。提供这些同步结果的直方图和示波器图说明了在主时钟和从时钟之间的关系。IEEE1588精密时间协议的时间同步性能本应用注释可适用于产品DP836402.0背景介绍网络时间协议（NTP）已是以太网时间同步的传统方法。NTP允许时间同步达到100毫秒。需要采用IEEE1588精密时间协议（PTP）来实现更严格的控制。应用软件PTP在单个链路同步中可达到100毫秒以内。如图1所示，需要硬件协助来实现纳秒级的时间同步性能。标准以太网软件IEEE1588硬件辅助IEEE1588NTP1588PTP1588PTPTCP/IP/UDPTCP/IP/UDP标准MAC标准MAC定制FPGA或者微控制器标准PHYPHYTER带硬件IEEE1588时间标记的精密PHYTER+时钟+GPIO人工控制过程控制动作控制精密控制30039502图1.实现方案的选择以获得更优异的时间同步在线路上接收PTP包之后并对它们进行处理的每一种器件会增加同步误差。由于处理器负载和与处理中断有关的时延都会影响处理同步请求的速度，因而大多数误差是由软件增加的。幸运的是，仅有某些PTP操作是时序攸关的。时序要求最严格的PTP操作是记录PTP包的时间标记，调节和维持同步本地时钟，以及使用同步I/O端口。如图2所示，100ms100μs-10μs100ns-50ns5ns在以太网物理层（PHY）中放置这些器件，一旦线路上有PTP包，即为DP83640精密PHYTER所读取。因此，精密PHYTER是实现时间同步少于10纳秒的关键器件。一个额外优点是，仅需替换以太网物理层并增加IEEE1588PTP软件，便可将这种解决方案加到现有的产品设计中，从而避免转换到新的处理器系列或开发辅助FPGA的复杂过程。ىཎࢅRJ-45ᅜ໿ྪMAC֫ྲ੦዆ഗISRྪஏܑቝ෉ॲᆘॲᅜ໿ྪPHY֫30039503图2.精密PHYTERIEEE1588时间同步的优点3.0测试时间同步的理论很难评估系统能够达到的时间同步水平，因为有不止一种方法来测试时间同步的质量。因为每种方法都提供了不同的信息，并具有不同的考虑，本应用注释提供了在不同测试条件下采集的同步数据。共有三种方法来测试时间同步；软件测试，秒脉冲信号比较和输出时钟比较。软件测试依赖PTP堆栈报告的结果显示时间同步的质量。这意味着软件结果同PTP算法本身一样会受到相同的约束。PTP算法的主要限制在于它不能纠正发送路径和接收路径长度的差别。分析软件结果时还需考虑的是，总是在时间同步之前得到报告的误差。因为过程报告的是两个时钟之间的漂移产生的误差，软件误差表达的是平均时间同步的最差情况。分析时间同步的最通用的方法是观察秒脉冲信号（PPS）。在每秒跳变处传送的脉冲产生秒脉冲信号。对于许多较早的系统而言，秒脉冲信号是唯一测量时间同步成功的方法。这种测量主要的缺点是它会有效地采样每秒的误差。因为在第二次转换和时钟同步更新之间不一定相关，很难得到可靠的结果。采用秒脉冲测量的其它问题是秒脉冲信号一般从数字输出中产生，会对同步结果增添额外的误差。附加的误差仅会影响数字输入和输出，而不是同步时钟本身，因此不会包括在同步测量中。测试时钟同步的最精确的方法是，同时设置主时钟和从时钟在已知频率点产生一个时钟输出，然后比较这两路时钟信号。这在每秒中提供了很多次误差，从而提供了更为精确的时间同步。额外的优点是，可通过模拟输出来控制时钟输出，而不会增添额外的同步误差。4.0软件报告的同步测试结果4.1软件报告的测试设置软件测试设置依靠一张FPGA卡仿效以太网MAC层将控制软件与以太网物理层硬件相接口。软件通过一根USB接线连到MAC仿真器。MAC产生PTP包和物理层控制，并送至以太网物理层。PTP协议的软件部分由计算机处理，同时PTP协议的硬件部分放在物理层电路板上的DP83640中。设置如图3所示。AN-1728ۉୟӱݠኈᅜ໿ྪMAC֫CAT5૶থDP83640ᄇ๖ਸ਼ፕྺIEEE1588ٗഗॲDP83640ᄇ๖ਸ਼ፕྺIEEE1588ዷഗॲALPFPGAۉୟӱݠኈᅜ໿ྪMAC֫US30039501图3.软件同步测试的设置4.2软件报告测试条件下表总结了软件测试设置的条件。表1.测试条件工作电压3.3V温度25℃基准频率源板载25MHz晶振IEEE1588PTP同步间隔1秒4.3软件报告的测试结果表2.采用IEEE1588PTP同步主时钟平均值标准偏差样值数目软件报告的测试结果1.59ns6.5ns500个样值图4说明了当采用IEEE1588PTP协议进行时间同步时，软件报告的主结点和从结点之间时钟同步误差的典型实例。中间的曲线说明了两个时钟之间的平均失调。顶部和底部曲线表示了平均失调附近的标准偏差。变化的曲线表示对本地从时钟进行每个同步调节之前计算得到的瞬间失调。在图4中，从平均失调的稳定型和精确性，以及每个同步周期的瞬态失调循迹中可很容易观察出PTP同步算法的效果。30039504图4.采用IEEE1588随主时钟的同步–软件测试的结果秒脉冲（PPS）同步测试的结果5.1秒脉冲测试的设置采用TektronixTDS784C示波器分析主从器件的秒脉冲信号，可实现测试秒脉冲信号的时间同步。测试设置如下图5所示。MIIথ੨ዷဣཥዷഗॲDP83640้ዓ๼؜኱ݛ཮๑ీ๖հഗ้ዓ๼؜ٗഗॲDP83640ٗဣཥMIIথ੨ྪஏۉમ(CAT5)30039507图5.秒脉冲的输出同步测试的设置5.2秒脉冲测试的条件下表总结了秒脉冲测试设置的条件。表3.测试条件工作电压3.3V温度25℃基准频率源板载25MHz晶振IEEE1588PTP同步间隔1秒5.3秒脉冲测试结果表4.采用IEEE1588PTP随主时钟同步平均值标准偏差样值数目秒脉冲同步-869ps7.87ns1000个样值图6说明了当采用IEEE1588PTP协议进行时间同步时，主结点和从结点的时钟输出信号之间时间差的典型直方图。在图6中，时钟至时钟的同步在7.9纳秒的标准偏差内，均方差仅为–869皮秒。这种性能说明，其相比于其它商用的时间同步器件具有明显的优势。30039505图6.采用IEEE1588随主时钟同步–秒脉冲抖动的直方图6.0时钟同步测试的结果6.1时钟测试的设置通过分析TektronixTDS784C示波器主从器件的时钟输出信号，实现了秒脉冲信号的时间同步测试。为了进行测试，设置两种器件都输出一个10MHz时钟信号。在以下的图7中说明了测试设置。AN-1728থ੨ዷဣཥዷഗॲDP83640้ዓ๼؜኱ݛ཮๑ీ๖հഗ้ዓ๼؜ٗഗॲDP83640ٗဣཥMIIথ੨ྪஏۉમ(CAT5)30039508图7.时钟输出同步测试的设置30039506图8.采用IEEE1588随主时钟同步－时钟输出抖动直方图6.2时钟测试的条件下表总结了时钟同步测试设置的条件。表5.测试条件工作电压3.3V温度25℃基准频率源板载25MHz晶振时钟输出频率10MHzIEEE1588PTP同步间隔1秒6.3时钟测试结果表6.采用IEEE1588PTP随主时钟同步平均值1-σ标准偏差样值数目秒脉冲同步-226ps2.655ns1100个样值下图8说明了当采用IEEE1588PTP协议进行时间同步时，主结点和从结点的时钟输出信号之间时间差的典型直方图。在图8中，时钟至时钟的同步在2.7纳秒标准偏差内，均方差仅为–226皮秒。这种同步的水平能很容易地支持要求非常苛刻的应用。了解主从时钟输出之间关系的其它方法是在时序上观察两个时钟的输出。相同测试设置得到的下列示波图显示出这种关系。将示波器设定为无限持续，显示出从信号的峰峰值抖动。在顶部显示主时钟输出，在底部显示从时钟输出。正如图9所示，两个时钟都是相位和频率校准的。在右上角观察到峰峰值同步抖动为11ns增量测试值。这个示波器捕捉图象显示了，采用IEEE1588PTP和精密PHYTER解决方案的两路时钟能实现显著的稳定性和时间同步性能。随主时钟同步－时钟输出信号7.0总结时间同步以太网的许多应用都要求使用比仅用软件实现时间同步协议更精确的同步要求。美国国家半导体的DP83640精密PHYTER可提供一种简单的实现方法，将高精度时间同步添加到以太网应用中。所提供的测试结果清楚地表明了，精密PHYTER解决方案能提供非常精确和准确的时间同步，达到在单个链路上低于10个纳秒的标准偏差。这种精度使硬件工程师能为有严格时间同步需求的任何应用开发一种性能非常强大，基于以太网的解决方案。由软件分析，秒脉冲信号分析和同步时钟输出分析的结果极好地说明了DP83640器件的能力可以支持应用开发和系统设计。AN-1728对于上述任何电路的使用，美国国家半导体公司不承担任何责任且不默示任何电路专利许可。美国国家半导体公司保留随时更改上述电路和规格的权利，恕不另行通知。想了解最新的产品信息，请访问我们的网址：。生命支持策略未经美国国家半导体公司的总裁和首席律师的明确书面审批，不得将美国国家半导体公司的产品作为生命支持设备或系统中的关键部件使用。特此说明：1.生命支持设备/系统指：（a）打算通过外科手术移植到体内的生命支持设备或系统；（b）支持或维持生命，依照使用说明书正确使用时，有理由认为其失效会造成用户严重伤害。2.关键部件是在生命支持设备或系统中，有理由认为其失效会造成生命支持设备/系统失效，或影响生命支持设备/系统的安全性或效力的任何部件。禁用物质合规美国国家半导体公司制造的产品和使用的包装材料符合《消费产品管理规范（CSP-9-111C2）》以及《相关禁用物质和材料规范（CSP-9-111S2）》的条款，不包含CSP-9-111S2限定的任何“禁用物质”。无铅产品符合RoHS指令。NationalSemiconductorAmericasCustomerSupportCenterEmail:[e-mail]:1-800-272-9959NationalSemiconductorEuropeCustomerSupportCenterFax:[phone]Email:[e-mail]:[phone]EnglishTel:[phone]FrançaisTel:[phone]NationalSemiconductorAsiaPacificCustomerSupportCenterEmail:[e-mail]JapanCustomerSupportCenterFax:81-3-5639-7507Email:[e-mail]:81-3-5639-7560注释