基于ARM的冗余时间同步服务器的研究

摘要

本文提出了一种利用IEEE1588标准实现时钟同步的设计方案，该方案可以给通过以太网通信的分布式控制系统实现对时。能够解决以太网实时性不高的问题。本文通过与传统对时方法的比较，介绍了IEEE1588标准实现高精度对时的优势。设计了一种高精度的时钟同步服务器系统，经测试，此系统的对时精度能够达到百纳秒的预期。
　　首先，论文阐述了IEEE1588标准的关键技术，包括数据类型，时钟同步模型，PTP报文类型，时钟同步的机制以及时钟校正的计算方法。然后通过研究选用飞思卡尔最新推出的基于ARMCortex-M4内核的微处理器K60为主控制器，外加DP83640PHY芯片来实现IEEE1588的硬件基础。同时选用飞思卡尔公司推出的嵌入式实时系统MQX来管理各个任务，进行资源的分配。MQX自带的协议栈RTCS为服务器实现网络通信提供了基础，然后详细介绍了系统软件的设计，包括GPS时间信息报文的接收和解析，同步实现过程报文收发函数的编写等。
　　本文的最后对所作的设计进行了测试和总结，首先利用Wireshark网络抓包工具抓取通信报文，分析同步过程通信数据的正确性，然后分析主从时钟的同步精度，结果表明:时钟同步的误差达到了亚微秒的级别。同时指出了设计存在的不足，为后续的研究设计作出了指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题背景

1．3 研究现状

1．4 论文的主要内容

第二章 IEEE1588标准简介

2．1 PTP协议简介

2．2 PTP系统中的数据类型

2．2．1 原始数据类型

2．2．2 派生数据类型规范

2．3 时钟同步模型

2．3．1 协议实施的方法

2．3．2 PTP报文类型

2．3．3 PTP设备类型

2．4 PTP时钟同步机制

2．4．1 建立一个主从架构的网络

2．4．2 时钟的校正方法

2．5 BMC算法

2．6 本章小结

第三章 时间同步服务器系统硬件设计

3．1 硬件方案简介

3．2 硬件电路设计介绍

3．2．1 电源电路设计

3．2．2 晶振电路设计

3．2．3 复位电路设计

3．2．4 串口电路设计

3．2．5 网络接口电路设计

3．3 DP83640的电路设计

3．3．1 DP83640简介

3．3．2 DP83640对IEEE 1588支持的关键技术

3．4 本章小结

第四章 MQX操作系统和RTCS协议栈移植

4．1 MQX操作系统简介

4．2 MQX操作系统移植

4．2．1 MQX操作系统的安装

4．2．2 初始化MQX

4．2．3 任务模板列表

4．2．4 任务的创建

4．3 RTCS网络协议栈的移植

4．3．1 建立RTCS

4．3．2 初始化设备接口

4．3．3 建立并使用UDP套接字

4．4 本章小结

第五章 时间同步服务器软件设计

5．1 系统软件各模块的设计与实现

5．1．1 时间信息的解码

5．1．2 GPS模块介绍

5．2 IEEE 1588时间同步程序设计

5．2．1 PTP标准的报文格式

5．2．2 时钟报文发送函数设计

5．3 本章小结

第六章 同步精度的测试

6．1 网络报文的测试

6．2 主时钟和从时钟时间值的比较

6．3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果