基于物理层时钟频率补偿的IEEE1588网络时钟同步研究与实现

摘要

随着信息技术和应用科学技术的发展，现有的测控系统已经不能满足目前的测量和控制要求，分布式测控网络在各个领域的优势逐渐体现。分布式测控系统通过局域网实现系统中所有模块的相互连接，同时应保持网络上各个终端的时钟同步。时钟同步精度是分布式测控系统中一个重要的指标，同时分布式测控系统的时钟同步也是该系统的研究重点。但是现在主要使用的时钟同步协议同步精度还只能维持在亚微秒级别，已经不能满足分布式测控系统未来发展方向的同步要求，故需要研究出一个更高精度的网络同步时钟系统来实现纳秒级别的时钟同步。
　　基于上述因素，本课题对IEEE1588协议的物理接口层发生器时钟频率补偿的网络时钟进行研究。本文提出了一种基于嵌入式的高精度网络同步时钟的改进设计方案。设计方案从硬件、软件、主从时钟物理层接口晶振频率同步方式3个方面进行介绍。在硬件设计方面以ARM11(S3C6410)为处理核心，使用物理层芯片 DP83640和以太网控制器DM9000、AX88180实现整个网络同步时钟的硬件功能。随后在硬件平台设计的基础上，构建PTP时钟的嵌入式软件部分。软件平台的搭建囊括系统的修改与移植、内核驱动程序的移植与关联以及PTP硬件时钟的驱动配置实现等，最后给出了同步误差补偿在主从时钟之间的时钟频率同步流程、卡尔曼滤波与时钟漂移预测的实现方式。
　　经过试验表明，本课题设计能够有效降低主从时钟接口时钟晶振的起振频率偏差。通过卡尔曼滤波处理后，主从时钟在网线直连状态下的同步精度达到±10ns左右，较同等情况下不使用同步误差补偿的IEEE1588v2协议的网络时钟测试同步精度有明显提高。同时加入的时钟漂移预测功能，提升了系统在离线状态下的同步可靠性。

目录

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第一章 绪论

§ 1.1 IEEE1588协议概述

§ 1.2 IEEE1588协议在时钟同步中的改进

§ 1.3 国内外研究现状

§ 1.4 课题研究内容及意义

§ 1.5 文章主要结构

第二章 时钟同步协议与自回归模型的分析

§ 2.1 时钟同步协议的基本原理

§ 2.2 时钟模型在时钟同步中的运用

§ 2.3 自回归模型

§ 2.4 本章小结

第三章 同步误差补偿的时钟模块硬件设计与实现

§ 3.1 硬件系统的总体设计方案

§ 3.2 同步误差补偿模块

§ 3.3 时钟模块硬件电路设计方案

§ 3.4 本章小节

第四章 系统软件平台设计

§ 4.1 操作系统

§ 4.2 软件平台对与时钟同步协议的支持

§ 4.3 Linux系统移植

§ 4.4 网络驱动改造在内核中的实现

§ 4.5 PTP类时钟在内核中的实现

§ 4.6 本章小节

第五章 同步误差补偿的实现与优化

§ 5.1 同步误差补偿网络时钟总体设计

§ 5.2 同步误差补偿的实现

§ 5.3 卡尔曼滤波

§ 5.4 时钟漂移预测

§ 5.5 本章小结

第六章 功能测试和结果分析

§ 6.1 同步误差补偿下时钟同步精度测试

§ 6.2 卡尔曼滤波处理的时钟同步

§ 6.3 时钟漂移预测的效果

§ 6.4 测试结果与分析

§ 6.5 本章小结

第七章 总结和展望

§ 7.1 总结

§ 7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间所取得的主要研究成果