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基于ZYNQ的PTP授时精度测量方法与实现

2021年电子技术应用第6期

宋艳1，应斌杰1，杨成钢1，郝自飞1，毛立振2

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

摘要： 针对PTP授时精度测量存在的困难，提出在ZYNQ SOC上用μCOS操作系统和LWIP协议栈，来实现PTP授时精度测量。该方法通过接收卫星导航系统信号，得到准确的系统时间和时钟源差，利用硬件将系统时间同步至ZYNQ的纳秒计数器。利用ZYNQ EMAC接口获取PTP收发帧的观测时间，并利用源差值实现对测量时间的补偿，最终得到准确的时间戳，进而实现对待测PTP主时钟授时精度测量。经实际测试，利用该方法对PTP时钟进行测量，能够获得优于10 ns的测量精度。

關(guān)鍵詞： 精确时间协议授时卫星导航系统时间戳

中圖分類號： TN927
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201167
中文引用格式： 宋艷，應(yīng)斌杰，楊成鋼，等. 基于ZYNQ的PTP授時精度測量方法與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(6)：115-118，130.
英文引用格式： Song Yan，Ying Binjie，Yang Chenggang，et al. A method and implementation of PTP timing accuracy measurement based on ZYNQ[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(6)：115-118，130.

A method and implementation of PTP timing accuracy measurement based on ZYNQ

Song Yan1，Ying Binjie1，Yang Chenggang1，Hao Zifei1，Mao Lizhen2

1.Lishui Power Supply Company，State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd，Lishui 316021，China； 2.Hangzhou Quantum Sensing Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310019，China

Abstract： Aiming at the difficulties of PTP timing accuracy measurement, this paper puts forward using μCOS operating system and LWIP protocol stack on ZYNQ SOC to realize PTP timing accuracy measurement. Accurate system time and clock source difference are obtained by receiving GNSS signals, and the system time is synchronized to the nanosecond counter of ZYNQ by hardware. The ZYNQ EMAC interface is used to acquire the observation time of PTP frames, and the source difference is used to compensate the measurement time. Finally, an accurate time stamps are obtained, which can be used to measure the timing accuracy of the PTP master clock. The test results show that using this method to measure PTP clock, the measurement accuracy is better than 10 ns.

Key words : PTP；timing；GNSS；time stamp

0 引言

精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)是一種高精度網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議^[1-2]，具體內(nèi)容由IEEE 1588協(xié)議定義。IEEE1588協(xié)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(wǎng)絡(luò)授時協(xié)議(Network Timing Protocol，NTP)的主要區(qū)別是，PTP是在物理層實(shí)現(xiàn)而NTP是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。因此，PTP比NTP具有更高的同步精度。PTP可以達(dá)到亞微秒級授時精度，在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)(交換機(jī))支持PTP協(xié)議的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)納秒量級的授時精度^[3-4]。

PTP授時具有成本低、精度高、網(wǎng)絡(luò)開銷小等優(yōu)點(diǎn)，因此在通信、電力、軌道交通等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用^[5-8]。但也正因?yàn)槠涫跁r精度高，使得對PTP授時設(shè)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(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上進(jìn)行，對應(yīng)的授時精度會依次降低^[9-10]。目前主流的PTP授時設(shè)備均是基于Linux系統(tǒng)的，而Linux系統(tǒng)為非實(shí)時操作系統(tǒng)，中斷響應(yīng)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(tǒng)而言，μCOS為實(shí)時操作系統(tǒng)，能夠獲得更準(zhǔn)確的時間，可以用μCOS系統(tǒng)加LWIP協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)PTP精度測量。

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作者信息：

宋艷1，應(yīng)斌杰1，楊成鋼1，郝自飛1，毛立振2

(1.國網(wǎng)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)

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