劉迎澍，安笑蕊，周峰

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.國網重慶市電力公司電力科學研究院）

引 言

隨著信息技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，在電力系統(tǒng)、制造業(yè)、過程控制等領域中出現了越來越多的建立在網絡環(huán)境下的分布式測控系統(tǒng)，時鐘同步技術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［1]（Precision Time Protocol，PTP）由于所具有的高精度（可實現亞微秒級時鐘同步）、高可靠性以及基于以太網（UDP／IP）的同步方式，必將在分布式控制領域得到廣泛的應用［2－3]。但是在現有條件下，IEEE 1588協(xié)議還遠未發(fā)揮其應用的潛能。由于該協(xié)議定義的時鐘同步網絡中，需要使用價格很高的透明時鐘交換機作為網絡連接設備。因此，IEEE 1588目前主要是在類似數字化變電站這樣的重要設施中發(fā)揮作用［4]。而對于大多數的分布式測控系統(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1 μs［5]。而現有的支持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備（IED）的點對點同步精度達到微秒級。即使受到網絡傳輸延遲的影響，仍有可能實現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)中不同應用對于時鐘同步要求的高性價比的技術方案，將具有非常廣泛的應用價值。

為此，本文探討了具有大量嵌入式設備的分布式系統(tǒng)中，在IEEE 1588時鐘同步網絡中采用普通交換機的應用方案。通過大量的實驗數據來分析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)所能夠實現的時鐘同步效果。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。

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。具體實現方式為：主時鐘周期性發(fā)送同步報文（Sync），從時鐘根據收到Sync報文的時間來計算該報文傳輸的時間延遲以及主從時鐘之間的偏差，并調整本地時間以保持與主時鐘一致。

圖1 IEEE 1588精確時鐘同步機制

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控制器的硬件結構如圖2所示。主控芯片選取的是配備以太網MAC層接口模塊（MII）的ARM Cortex－M3系列的STM32F107VC，與之相連的外設模塊還有USB接口、串行口EEPROM和實時時鐘等。PHY層以太網芯片選取的是DP83640［6－7]，該芯片內配置有高精度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)議棧產生的延時和抖動，從而有效確保時鐘同步的精度。

圖2 支持IEEE 1588協(xié)議的控制器硬件結構

時鐘同步測試系統(tǒng)的構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)點所產生的秒脈沖的時間差來檢驗該系統(tǒng)的時鐘同步精度。

圖3 IEEE 1588時鐘同步測試系統(tǒng)的構成

圖4 IEEE 1588時鐘同步測試系統(tǒng)實驗裝置

3 實驗結果及分析

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)內網絡流量隨之增加，在實際應用中網絡負擔也會隨之加重，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2s。

3.1 時鐘同步測試數據

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是相關的實驗數據統(tǒng)計。實驗數據表明，在同等測試條件下，兩個從節(jié)點都能實現亞微秒級的同步精度（秒脈沖平均偏差約270ns，最大偏差均為450ns）。

圖5 主從節(jié)點通過1000M交換機連接的測試結果

表1 實驗1的時鐘同步測試結果統(tǒng)計表

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

圖6 主從節(jié)點通過100／1000M交換機連接的測試結果

表2 實驗2的時鐘同步測試結果統(tǒng)計表

3.2 測試結果分析

為了對時鐘同步測試的結果進行進一步分析，本文列出了以下數據進行對比：①兩組實驗測試結果的典型數據統(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，且沒有其他網絡流量），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，在沒有其他網絡流量的情況下，使用100M交換機和1000M交換機都可以實現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。

圖7 實驗2的時鐘同步誤差統(tǒng)計圖

本文所進行的時鐘同步測試結果是基于以下網絡條件進行的：①主從時鐘節(jié)點之間通過簡單的網絡結構相連；②系統(tǒng)中沒有其他網絡流量。上述條件看似接近理想狀態(tài)，但與實際的測控系統(tǒng)網絡環(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構簡單的網絡連接的，即節(jié)點之間通過單級網絡連接設備（如交換機）就近連接；②分布式系統(tǒng)的通信網絡中所傳遞的信息主要是各種測量數據和控制指令，數據內容很少，所以網絡流量也很小。因此，這些數據傳輸過程中的網絡延遲抖動很小，通過交換機時不會產生擁塞，而且交換機內部因不同端口之間數據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，對于通信網絡拓撲結構相對簡單（如節(jié)點之間采用單級交換機連接），且網絡流量很?。ㄍǔＶ粋鬏斏倭康臏y量信息、控制指令等數據）的分布式測控系統(tǒng)，使用普通的以太網交換機也可以實現較高的時鐘同步精度。本文的研究結果可以為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。

結 語

探討了通信網絡結構相對簡單的分布式測控系統(tǒng)中，采用普通以太網交換機實現IEEE 1588時鐘同步應用方案。通過大量的實驗數據來分析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)所能夠實現的時鐘同步效果。研究結果表明，在主從時鐘節(jié)點通過交換機直接連接、以及網絡流量很小的情況下，仍可以實現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。

［1] IEEE.IEEE1588－2008Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，2008.

［2] 關松青，肖昌炎，夏曉榮.IEEE 1588協(xié)議在工業(yè)以太網中的實現［J] .計算機工程，2011，37（6）：237－238.

［3] 章涵，馮冬芹，褚健.網絡冗余系統(tǒng)中精確時鐘同步方法［J] .儀器儀表學報，2008，29（8）：1643－1649.

［4] 于鵬飛，喻強，鄧輝，等.IEEE 1588精確時間同步協(xié)議的應用的方案［J] .電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：99－103.

［5] De Dominicis，Ferrari，Flammini，Rinaldi，Quarantelli.On the Use of IEEE 1588in Existing IEC 61850－Based SASs：Current Behavior and Future Challenges［J] .IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（9）：3070－3081.

［6] National Semiconductor Corporation.National semiconductor Ethernet PHYTER－Software development guide，2007.

［7] National Semiconductor Corporation.DP83640precision PHYTERIEEE 1588precision time protocol transceiver，2008.