基于IEEE1588v2协议的分布式测试系统时统系统研究

摘要

在分布式测试系统中，时间基准的统一对于测试结果极为重要，时统系统的出现就是为航天及常规武器试验中的测试设备提供标准时频信号。而在通信技术与测量水平大幅提高的今天，现代化的分布式测试系统对时统系统的时钟同步精度提出了越来越高的要求。目前主流的时钟同步技术在成本或精度上都有一定缺陷，极大阻碍了这些技术在分布式测试系统中的广泛应用。2002年IEEE组织通过的IEEE1588标准（IEEEStandard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems），定义了一个适用于分布式测试系统的精密时钟协议（Precision Time Protocol），简称PTP协议，可以为测试系统提供精度达纳秒级的时钟同步。 论文首先对现代化分布式测试系统中存在的时钟同步问题进行了详细的解释，将目前主流的时钟同步技术进行分析对比，验证了PTP协议是目前同步精度最高、灵活性最强、综合成本最佳的分布式测试系统时钟同步方案。随后对PTP协议进行了深入研究，包括协议实现原理、时钟类型、端口状态以及网络拓扑与主时钟的确立等。 然后根据PTP协议通过硬件辅助在靠近报文物理层处打时间戳来提高对时精度的特性设计了硬件电路。论文选择Microchip公司的KSZ8463作为以太网物理层芯片，KSZ9692作为主控芯片，分别设计了时钟协议模块和主控模块，包括以太网部分，MII接口部分、电源部分等，二者通过MII接口连接组成一个硬件电路。每个硬件电路通过以太网连接作为时统系统中的时钟节点，运行PTP协议栈实现各个节点之间的高精度时钟同步。 为了向分布式测试系统提供统一的时钟设置，实现通过总控计算机对被测事件的信号进行捕获与数据通信，对时钟节点的软件部分进行了应用功能扩展设计，并利用Socket分别为总控计算机端和各个时钟节点添加了通信模块，通过C++builder为总控计算机端设计了可操作图形界面，方便用户使用。 最后，搭建了分布式测试系统的实验系统，通过对比主时钟节点与从时钟节点输出的秒脉冲信号，验证了时钟同步精度可达纳秒级。另外，应用功能扩展的实现为测试系统提供了基于总控计算机本地时钟的统一时间设置，并且实现了触发事件的捕获并加盖时间戳，将测量数据统一到了一个时间坐标系下，从而完成了在总控计算机端对整个测试系统的调度与控制。 论文研究的时统系统在现代化分布式测试系统的时钟同步和远程操控方面都有着很大的参考价值。

目录

声明

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

1.3.1 卫星导航系统授时

1.3.2 网络时间协议对时

1.3.3 PTP协议对时

1.4 论文研究需求分析及内容安排

第二章IEEE 1588v2时钟同步协议

2.1 PTP协议时钟同步原理

2.1.1 时间同步原理

2.1.2 频率同步原理

2.2 PTP时钟同步系统

2.2.1 PTP同步时钟类型

2.2.2 PTP同步报文类型

2.2.3 PTP时钟端口状态

2.3 最佳主时钟算法

2.3.1 数据集比较算法

2.3.2 状态决定算法

第三章 时统系统的硬件设计

3.1 时钟协议模块

3.1.1 芯片选型

3.1.2总体结构

3.1.3 MII接口

3.1.4 GPIO引脚

3.1.5 以太网接口

3.1.6 电源部分

3.2 主控模块

3.3 时统系统硬件配置

第四章 时统系统的PTP软件研究

4.1 基于开源代码的协议实现

4.2 时钟同步系统报文工作流程

4.2.1 通知报文工作流程

4.2.2 同步报文工作流程

4.2.3 跟随报文工作流程

4.2.4 延时请求报文工作流程

4.2.5 延时请求应答报文工作流程

第五章 时统系统的应用功能扩展

5.1 分布式测试系统时间基准的建立

5.2 应用功能扩展的实现

5.2.1 应用功能总体设计

5.2.2 系统功能设计

5.2.3 时钟节点通信模块设计

5.2.4 总控计算机端通信模块设计

第六章 时统系统实验验证

6.1 实验验证项目设计

6.2 实验结果与分析

6.2.1 同步效果测试

6.2.2 分布式测试系统应用功能验证

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 课题展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢