普通交換機(jī)在IEEE 1588時(shí)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(shí)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(shí)鐘同步協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)由于所具有的高精度(可實(shí)現(xiàn)亞微秒級時(shí)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(yuǎn)未發(fā)揮其應(yīng)用的潛能。由于該協(xié)議定義的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)中，需要使用價(jià)格很高的透明時(shí)鐘交換機(jī)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(shí)鐘交換機(jī)，勢必導(dǎo)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(shí)上，不同的分布式系統(tǒng)對于時(shí)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(shí)時(shí)(Hard real time)系統(tǒng)才需要微秒級的時(shí)鐘同步精度。以電力系統(tǒng)為例，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義了5個(gè)級別的時(shí)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(gè)嵌入式智能電氣設(shè)備(IED)的點(diǎn)對點(diǎn)同步精度達(dá)到微秒級。即使受到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的影響，仍有可能實(shí)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(shí)鐘同步要求的高性價(jià)比的技術(shù)方案，將具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)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(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)中采用普通交換機(jī)的應(yīng)用方案。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析IEEE 1588系統(tǒng)中使用普通交換機(jī)所導(dǎo)致的同步報(bào)文延遲對于時(shí)鐘同步精度的影響，以及使用不同性能交換機(jī)的IEEE 1588系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的時(shí)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(jìn)一步推廣普及提供參考依據(jù)。

1 IEEE 1588時(shí)鐘同步機(jī)制

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

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

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

2 時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)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(shí)鐘，并配有硬件時(shí)標(biāo)功能，能夠在物理層為接收/發(fā)送的報(bào)文打上時(shí)間戳，因而能夠消除由MAC層和IEEE 1588協(xié)議棧產(chǎn)生的延時(shí)和抖動，從而有效確保時(shí)鐘同步的精度。

時(shí)鐘同步測試系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖3和圖4所示。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過串行口接收來自GPS授時(shí)模塊的基準(zhǔn)時(shí)間信息，再通過普通交換機(jī)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送IEEE 1588協(xié)議的時(shí)鐘同步報(bào)文。通過主、從節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的秒脈沖的時(shí)間差來檢驗(yàn)該系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文的時(shí)鐘同步測試實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：①由主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過1000M以太網(wǎng)交換機(jī)與兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)相連;②主、從時(shí)鐘分別通過100M和1000M交換機(jī)連接。

在IEEE 1588系統(tǒng)中，同步報(bào)文發(fā)送周期越短，時(shí)鐘同步精度越高，但隨著同步報(bào)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(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)也會隨之加重，在運(yùn)行中可能會降低系統(tǒng)時(shí)鐘同步性能。因此，本文的實(shí)驗(yàn)都選擇主節(jié)點(diǎn)同步報(bào)文發(fā)送周期為2 s。

3.1 時(shí)鐘同步測試數(shù)據(jù)

圖5是實(shí)驗(yàn)1中兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步誤差曲線(共計(jì)500次時(shí)鐘同步)，表1是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在同等測試條件下，兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)都能實(shí)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(shí)驗(yàn)2的時(shí)鐘同步誤差曲線如圖6所示，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所列。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)通過同一個(gè)交換機(jī)與主節(jié)點(diǎn)連接，且沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)，采用100M以太網(wǎng)交換機(jī)的主從節(jié)點(diǎn)之間時(shí)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(jī)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(shí)鐘同步測試的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，本文列出了以下數(shù)據(jù)進(jìn)行對比：①兩組實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分別如表1和表2所列;②實(shí)驗(yàn)2中使用100M和1000M以交換機(jī)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(gè)從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)由同一個(gè)交換機(jī)連接，且沒有其他網(wǎng)絡(luò)流量)，兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步效果基本相同，同步誤差都能達(dá)到亞微秒級。由圖6中的時(shí)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(jī)和1000M交換機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級的時(shí)鐘同步精度，1000M交換機(jī)在同步精度方面略好于100M交換機(jī)。

本文所進(jìn)行的時(shí)鐘同步測試結(jié)果是基于以下網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行的：①主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)通常都是通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單的網(wǎng)絡(luò)連接的，即節(jié)點(diǎn)之間通過單級網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(如交換機(jī))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(jī)時(shí)不會產(chǎn)生擁塞，而且交換機(jī)內(nèi)部因不同端口之間數(shù)據(jù)流量不同而導(dǎo)致的傳輸延遲不對稱問題也可忽略不計(jì)。

綜上所述，對于通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單(如節(jié)點(diǎn)之間采用單級交換機(jī)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(jī)也可以實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)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(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)IEEE 1588時(shí)鐘同步應(yīng)用方案。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析IEEE 1588系統(tǒng)中使用普通交換機(jī)所導(dǎo)致的同步報(bào)文延遲對于時(shí)鐘同步精度的影響，以及使用不同性能交換機(jī)的IEEE 1588系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)的時(shí)鐘同步效果。研究結(jié)果表明，在主從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)通過交換機(jī)直接連接、以及網(wǎng)絡(luò)流量很小的情況下，仍可以實(shí)現(xiàn)微秒級的時(shí)鐘同步精度，由此驗(yàn)證了普通交換機(jī)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(jìn)一步推廣普及提供參考依據(jù)。