基于IEEE1588协议的航电以太网时钟同步系统的研究与实现

摘要

随着航电系统网络化的发展，航电以太网TTEthernet技术的研究和应用备受关注。TTEthernet是基于以太网的通信网络技术，以建立统一、高精度的以太网时钟同步系统为基础，来解决航电系统中仪器设备之间的同步问题。在此背景下，论文设计并实现了基于IEEE1588协议(PTP)的以太网时钟同步系统原型。
　　论文的研究内容包括以下几方面:
　　(1)基于IEEE1588协议的时钟同步误差分析与补偿。通过深入研究IEEE1588协议定义的时钟模型、报文类型及时钟同步原理，分析了影响时钟同步精度的因素，并提出了基于IEEE1588协议的时钟同步误差补偿方法，包括PTP报文时间戳误差补偿、交换设备时延测量和从时钟调节策略等，该方法可有效提高时钟同步精度。
　　(2)基于IEEE1588协议的PTP时钟节点设计与实现。PTP时钟节点是以太网时钟同步系统的核心组成部分，以C语言编写的开源PTPd代码包为基础，运行在Linux操作系统上。考虑到PTPd代码包是IEEE1588协议的纯软件实现，它利用Linux内核标准函数获取系统时钟为报文加盖软时戳，同步精度只能达到ms量级。因此，本文通过采用硬件辅助实现IEEE1588协议，进一步提高了时钟同步性能，主要选用PHY芯片DP83640加盖硬件时戳，并结合对上层PTPd代码的改写扩展来获取硬件时戳和调节硬件时钟，不但将同步精度提高到μs级，而且保持了协议的完整性。
　　(3)基于IEEE1588协议的以太网时钟同步系统原型测试。论文搭建了测试环境，由主从PTP时钟节点通过以太网连接组成时钟同步系统原型，原型测试主要针对时钟同步精度进行测试。通过对比主从时钟节点输出的1PPS触发信号测试同步精度，实验结果表明时钟同步精度可达到μs级，相比于软时戳方式，基于硬件时戳的同步精度提高了3个量级，达到了论文的预期目标。
　　论文的研究成果为基于以太网的航电系统高精度时钟同步提供了可行的参考方案。

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摘要

主要英文缩略语对照表

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 论文研究目的和研究内容

1．5 论文的组织结构

第二章 航电以太网时钟同步技术及IEEE 1588协议

2．1 航电以太网时钟同步技术

2．2 IEEE 1588协议

2．2．1 PTP时钟模型

2．2．2 主从同步关系

2．2．3 PTP报文

2．2．4 时钟同步原理

2．3 本章小结

第三章 基于IEEE 1588协议的时钟同步误差分析及补偿

3．1 时钟同步精度的影响因素

3．2 基于IEEE 1588协议的时钟同步误差分析及补偿

3．2．1 PTP报文时间戳误差补偿方法

3．2．2 交换设备延迟测量与修正方案

3．2．3 从时钟节点内置硬件时钟的调节方案

3．3 本章小结

第四章 基于IEEE 1588协议的时钟同步装置设计与实现

4．1 PTP时钟节点的整体设计

4．1．1 PTP时钟节点体系结构设计

4．1．2 PTP时钟节点的硬件实现方案

4．1．3 PHY芯片DP83640功能的实现

4．2 E2E透明时钟的整体设计

4．2．1 E2E透明时钟的工作流程

4．2．2 E2E透明时钟的体系结构设计

4．2．3 非一体化解决方案

4．2．4 DP83640芯片的同步以太网模式

4．3 基于开源PTPd代码包的软件设计与实现

4．3．1 PTPd应用程序功能模块划分及实现

4．3．2 PTPd代码改写及扩展

4．3．3 PTPd与DP83640的接口设计

4．3．4 PTPd与PCF8583接口设计

4．4 本章小结

第五章 基于IEEE 1588协议的以太网时钟同步系统原型测试

5．1 时钟同步过程验证

5．2 时钟同步精度测试平台搭建

5．3 实验步骤及结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结

6．1 论文工作总结

6．2 进一步工作

致谢

参考文献