工业以太网中IEEE 1588时钟同步技术研究

摘要

近年来，分布式系统在通信、导航和电力等领域得到广泛应用。随着系统复杂程度和数据交换速度的增加，对系统实时性能提出了越来越高的要求。其中，维持各网络节点间时钟的严格同步是保障系统实时性的关键。因而，研究高精度时钟同步方法以解决分布式测控系统中的实时通信问题具有重要理论和实用价值。本文结合当前应用背景，以工业以太网为依托，主要研究了基于IEEE1588协议的分布式时钟同步技术。
　　 首先，论文比较了现有各种时钟同步方法的优缺点，阐述了国内外研究现状，详细介绍了IEEE1588协议的同步原理和关键算法。然后，针对时钟同步系统的特点，以TI公司LM3S8962芯片为核心，提出一种系统硬件设计方案，实现包括电源、串行通信和以太网接口在内的功能模块。在保证系统时钟精度的前提下，选择μC/OS-Ⅱ实时操作系统来管理各项时钟同步任务，并完成核心板系统移植；同时，采用一种用锁定任务调度器代替开关中断进入临界区的方式缩短μC/OS-Ⅱ中断响应时间，进一步改善实时性能。另外，将轻量级IP协议栈(LwIP)移植至操作系统，实现以太网卡驱动和邮箱链表，从而构建时钟同步报文传输的网络通信基础。
　　 其次，重点研究IEEE1588时钟同步服务器和客户端在LM3S8962目标板上的实现。文中给出了开发环境的建立方法和系统软件的总体框架，阐明了系统中断与任务的协调关系。以维持系统精确时间度量为重点，提出一种兼顾长时稳定性和时效性的解决方案：即每隔一个或多个PPS脉冲，借助串口卫星时间帧校准本地时钟；采用高优先级定时器中断，维持精确短时时钟。此外，为避免系统掉电后时间信息丢失和满足系统管理及参数设置的需要，分别设计了RTC和系统管理功能。以上述工作为基础，分别完成IEEE1588服务器与客户端软件开发，并借助LwIP提供的API(应用程序接口)实现了两者之间时钟同步报文的UDP/IP通信。
　　 最后，通过实验室模拟环境对系统同步性能进行了测试。实验结果表明：时钟同步精度达到亚微秒级，可满足大多数分布式测控系统对高精度时钟同步的要求，具有较好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景

1.3 现有时钟同步方法的比较

1.4 国内外研究现状

1.5 本文的结构

第2章 IEEE 1588时钟同步的主要原理和方法

2.1 IEEE 1588协议简介

2.1.1 IEEE 1588总体框架

2.1.2 IEEE 1588的特点

2.2 IEEE 1588时钟同步模型

2.2.1 PTP系统

2.2.2 PTP通信拓扑结构

2.2.3 PTP 域

2.3 IEEE 1588的同步原理

2.4 IEEE 1588协议的关键技术

2.4.1 PTP状态机

2.4.2 最佳主时钟(BMC)算法

2.5 PTP报文

第3章 系统硬件设计

3.1 主芯片的选型

3.2 系统硬件的总体方案

3.3 电源电路

3.4 RS232串口通信接口

3.5 以太网接口电路

第4章 μC/OS-II的移植

4.1 实时嵌入式操作系统μC／OS-II

4.1.1 μC/OS-II简介

4.1.2 选择μC/OS-II的原因

4.2 μC/OS-II在LM3S8962上的移植

4.2.1 LM3S8962微控制器的寄存器模型

4.2.2 处理器相关文件

4.2.3 与汇编器相关联的处理器相关文件

4.3 μC/OS-II实时性能的提升

4.3.1 进入临界区宏定义

4.3.2 退出临界区宏定义

4.4 本章小结

第5章 LwlP的移植

5.1 LwlP简介

5.2 操作系统模拟层

5.2.1 信号量操作函数

5.2.2 邮箱操作函数

5.2.3 创建线程

5.2.4 超时函数

5.2.5 临界区保护

5.3 LWIP接口的编写

5.3.1 网卡初始化驱动函数

5.3.2 读取数据包驱动函数

5.3.3 发送数据包驱动函数

5.4 本章小结

第6章 IEEE 1588应用软件的开发

6.1 开发环境的建立

6.1.1 安装外设驱动库

6.1.2 JTAG调试器

6.2 IEEE 1588实现的软件框架

6.3 关于中断与任务的讨论

6.4 系统软件模块的设计与实现

6.4.1 卫星时钟源同步模块的设计

6.4.2 系统时间维护模块的设计

6.4.3 系统管理模块的设计

6.4.4 RTC模块的设计

6.4.5 IEEE 1588通信模块－服务器的设计

6.4.6 IEEE 1588通信模块－客户端的设计

6.5 本章小结

第7章 IEEE 1588时钟同步性能的测试与分析

7.1 IEEE 1588时钟同步偏差的测量

7.2 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）