电子设计
文章编号：１００８－０５７０（２００７）０９－２－０２８８－０２
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第９－２期
IEEE１５８８精准时钟协议的IP设计
ＩＥＥＥ１５８８ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｌｏｃｋｐｒｏｔｏｃｏｌ’ｓＩＰｄｅｓｉｇｎ
（１．中国科学院沈阳自动化研究所；２中国科学院研究生院）王
兰
１，２
杨志家
１
ＷＡＮＧＬＡＮＹＡＮＧＺＨＩＪＩＡ
摘要：ＩＥＥＥ１５８８协议是一种应用于分布式测量和控制系统中的精准时钟协议，文章提出ＩＥＥＥ１５８８协议ＩＰ实现的设计架构，
并详述了架构中最佳主时钟（ＢＭＣ）以及时钟校准电路的设计原理和实现。通过模型仿真验证了该设计的正确性。关键字：ＩＥＥＥ１５８８；精准时钟协议；最佳主时钟算法；时钟校准
文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＮ４３１．２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩＥＥＥ１５８８ｉｓａｐｒｅｃｉｓｅｓｙｃｈｒｏｎｉｓｉｔｉｏｎｏｆｃｌｏｃｋｓｐｒｏｔｏｃｏｌｔｈａｔｉｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＩＥＥＥ１５８８ＩＰｃｏｒｅａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｂｅｓｔｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋ（ＢＭＣ）ｍｏｄｕｌｅａｎｄｃｌｏｃｋ－ｃｏｒｒｅｃｔｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｈａｓｂｅｅｎｖｅｒｉｆｉｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｏｇｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＥＥＥ１５８８，Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｌｏｃｋｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＢＭＣ，ｃｌｏｃｋｃｏｒｒｅｃｔ
技术创新１引言
ＩＥＥＥ１５８８协议定义了一种应用于分布式测量和控制系统中的精确时间协议ＰＴＰ（ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃｏ１），该协议适用于
任何满足多点通信的分布式控制系统，对采用多播技术终端设备的时钟进行微秒级同步。
管理以及浮点运算等由软件协助计ＩＰ实现，时钟参数的设置、
完成。协议实现的参考设计结构如图１所示。
其中１５８８协议的硬件设计主要由七个模块组成：接收发送存储控制模块、状态控制模块、事件触发模模块、ｃｐｕ接口模块、块、时钟校准模块，最好主时钟（ＢＭＣ）模块。其硬件设计架构基本框图如图２所示。
ＩＥＥＥ１５８８协议将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟
ｏｒｄｉｎａｒｙｃｌｋ和边界时钟ｂｏｕｎｄａｒｙｃｌｋ。只有一个ＰＴＰ通信端口的时钟是ｏｒｄｉｎａｒｙｃｌｋ，有一个以上ＰＴＰ通信端口的时钟是
网络上各时钟符合ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ关系。任何时钟都ｂｏｕｎｄａｒｙｃｌｋ。
能实现ｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋ和ｓｌａｖｅｃｌｏｃｋ的功能，但一个通信子网内只能有一个ｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋ。整个系统中的最优时钟为最佳时钟
精确性、确定性等。根据ｇｒａｎｄｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋ，有着最好的稳定性、
各节点存储的时钟参数，由最佳主时钟算法ＢＭＣ选择各子网内的ｍａｓｔｅｒｃｌｏｃｋ，实现网络拓扑的自适应。
图２ＩＥＥＥ１５８８协议硬件电路设计框图
２１５８８协议的设计实现
图３ＢＭＣ模块原理框图
ＢＭＣ算法和时钟校准算法模块实现了网络结构自适应拓扑和网络时钟同步，是１５８８协议的核心部分，下面着重介绍这
两个模块的设计。
２．１ＢＭＣ模块的设计
ＢＭＣ是对网络中各个时钟进行最优选择的算法，该算法的
优点是网络节点之间不必相互协调选出最佳主时钟，各节点依
图１ＩＥＥＥ１５８８协议参考设计结构
本文提出一种ＩＥＥＥ１５８８协议ＩＰ实现的设计架构，该设计结构将１５８８协议分成了两部分，其中协议的基本功能由硬件设王兰：硕士研究生
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据接收到的同步信息帧（ｓｙｎｃ）和本地时钟的配置信息来决定自身的ｍａｓｔｅｒ和ｓｌａｖｅ状态。ＢＭＣ算法包括两部分：数据比较算法和推荐状态算法。数据比较算法是对本地时钟参数Ｄ０和接收
ｓｙｎｃ帧中主时钟的参数进行比较，选出性能参数更好的时钟；推
荐状态算法则是根据数据比较算法中所选出的更优时钟决定本
《现场总线技术应用２００例》
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地时钟的状态以及更新相应的配置信息。
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ＢＭＣ模块主要组成部分包括：读取ｓｙｎｃ帧地址生成模块、数据比较模块、状态产生模块。模块的原理框图如图３所示。
２．２时钟校准模块的设计
ＩＥＥＥ１５８８标准定义了一个在测量和控制系统中的时钟同步协议（ＰＴＰ协议），而ＰＴＰ协议的基本功能就是使分布式网络
中的时钟与最精确时钟保持同步。时钟校准模块的设计是该协议的核心部分。
本文在实现时钟校准功能上采用了频率校准的方法。通过校准频率实现时钟同步的设计思想如下：各地网络节点时间偏差的存在以及本地晶振振荡产生的漂移，导致各个网络节点的时钟不同步，时间不一致，因此必须根据网络节点ｍａｓｔｅｒ＿ｓｌａｖｅ关系对ｓｌａｖｅ节点的时间进行校准。由于时间的直接校准有可能破坏时间的连续性，造成任务的丢失，所以直接进行时间的校准不科学。而采用频率校准，ｓｌａｖｅ慢于ｍａｓｔｅｒ，增大计数频率，快于ｍａｓｔｅｒ，则减小计数频率，每一个时间值都会有经历，不会造成时间的间断、任务的丢失，因此选择调整时钟频率方式进行校准，达到时间的同步。
校准关系如图４所示。
图６频率校准电路
时钟校准的过程：接收或发送ＰＴＰ同步信息帧ｓｙｎｃ，加盖时间戳ｓｔａｍｐ，该时间戳值通过ｃｐｕ接口传送至ｃｐｕ，根据ｓｙｎｃ消息中包含的ｍａｓｔｅｒ发送时间戳和ｓｌａｖｅ接收时间戳，由软件算法计算出频率补偿值，并通过ｃｐｕ接口电路送至频率校准电路进行时钟校准。
３设计功能的验证
仿真是验证设计功能正确性的主要手段，通过对设计的电路建立适当的仿真模型，输入相应激励信号，从输出信号逻辑来判断硬件电路设计的正确性。本设计所使用的功能仿真软件为
ｍｏｄｅｌｓｉｍ。为验证本文设计的合理性，模拟搭建了图７所示的仿
真测试模型。
技
术创新
图７仿真测试模型
图４校准坐标图
Ｘ轴：时间ｔｉｍｅ轴；Ｙ轴：计数器ｃｏｕｎｔｅｒ轴。
时钟的校准是一定间隔执行一次，如图所示，计数器假设ｍａｓｔｅｒ的时间为标准ｃｏｕｎｔｅｒ值随着ｔｉｍｅ的增大线性增加。
单位时间，ｔｉｍｅ每增加１个时间单位，则主时钟计数器Ｃｍ（ｎ）的值增加１，因此图中直线斜率所表示的Ｃｍ（ｎ）值增加频率为１。如图所示，在ｎ－１时间处，Ｓｌａｖｅ的计数器Ｃｓ（ｎ－１）的值小于Ｃｍ（ｎ－１）的值，所以从ｎ－１到ｎ这段时间内，Ｓｌａｖｅ端为了追赶Ｍａｓｔｅｒ端，Ｓｌａｖｅ时间增长率要大于Ｍａｓｔｅｒ，即时间计数频率大于１。同理，在ｎ到ｎ＋１这段时间内，由于Ｓｌａｖｅ计数器Ｃｓ（ｎ）的值大于Ｍａｓｔｅｒ计数器Ｃｍ（ｎ）的值，Ｓｌａｖｅ计数器值增加频率应小于Ｍａｓｔｅｒ计数器的增加频率，即小于１。依此类推，Ｓｌａｖｅ端的计数器计数频率将以Ｍａｓｔｅｒ端的计数频率为基准上下浮动不停校正。
时钟校准模块的设计：该部分的设计包括三个子模块，ＰＴＰ帧加盖时间戳模块、频率补偿模块、定时器模块。校准模块的设计框图如图５所示。
该仿真模型模拟了网络上两个ｍａｓｔｅｒ，ｓｌａｖｅ节点。主站和从站主要工作过程为：ｍａｓｔｅｒ站在ｃｐｕ控制下发送ＰＴＰ帧，加盖发送时间戳，并通过ＰＴＰ帧传送到ｓｌａｖｅ端，并存储在ｒａｍ中；
ｓｌａｖｅ端根据接收存储在ｒａｍ中的ｍａｓｔｅｒ时钟参数以及存储在
寄存器中的ｓｌａｖｅ时钟参数，进行最好主时钟算法，同时根据接收发送时间戳进行时钟校准。
３．１ＢＭＣ模块的功能验证
ＢＭＣ模块通过内部控制ｃｏｕｎｔｅｒ产生地址ａｄｄｒ和读取信号ｂｍｃ＿ｒｄ，分别从ｒａｍ中和寄存器中取出时钟参数进行比较，经过
一定逻辑运算得出相应时钟的好坏比较信号ａ＿ｂｅｔｔｅｒ＿ｂ和
ｂ＿ｂｅｔｔｅｒ＿ａ。在执行ＢＭＣ算法时ｓｔａｔｅ状态值为１，结束算法后ｓｔａｔｅ为２。ＢＭＣ仿真图如图８所示。
图８ＢＭＣ功能仿真图
３．２时钟校准模块的功能验证
时钟校准模块通过ｍａｓｔｅｒ端的发送时间戳和ｓａｌｖｅ端的接收时间戳，由软件计算出频率补偿值，在由ｃｐｕ送回校准补偿电
图５时钟校准框图
其中频率补偿模块的电路结构如图６所示。《ＰＬＣ技术应用２００例》
路，实现频率补偿，时间的校准。功能验证如图９所示。
（下转第５３页）
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嵌入式系统应用
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８７９信箱）伍路旺
（收稿日期：２００７．８．２３）（修稿日期：２００７．９．２５）
（上接第２８９页）
如图可见未校准前接收端加盖时间戳锁存的本地时钟
ｃｌｏｃｋ＿ｔｉｍｅｒ值为２４３６０５ｂａ，经过第一次校准后，通过补偿值ａｄ－ｄｅｎｄ加快本地时钟ｃｌｏｃｋ＿ｔｉｍｅｒ的计数频率，再次加盖时间戳所锁存的ｃｌｏｃｋ＿ｔｉｍｅｒ值为９２ａ０６２３８，与ｍａｓｔｅｒ的ｃｌｏｃｋ＿ｔｉｍｅｒ值接近，之间的差值是传输延迟，通过ｃｐｕ相应的延迟计算和补偿，几次校准后，便可实现ｍａｓｔｅｒ与ｓｌａｖｅ的时钟校准。
图９时钟校准功能仿真图
８结束语
本文创新点：本文主要设计了以ＦＰＧＡ为核心的硬件系统，构建了ＮｉｏｓＩＩ处理器，并移植了μＣｌｉｎｕｘ操作系统。在此操作系统平台上，实现了基于无线网络的智能小区楼宇集中器的功能。本系统相对其他同类系统具有节省布线，性价比高和易于扩展等优点。相信具有很高的潜在市场价值。
经济效益预计：本设计的成本较低，每个楼宇集中器成本为
４结论和展望
本文的创新之处是改变了ＩＥＥＥ１５８８协议的软硬件划分结构，提出了一种硬件实现协议ＩＰ架构，并详细介绍了主要功能模块最好主时钟算法和时钟校准电路的实现。通过功能仿真平台对各个功能模块以及顶层模块的逻辑仿真，验证了该设计架构的合理性。下一步工作可将ＩＥＥＥ１５８８协议与ｍａｃ协议结合起来，完成实时以太网芯片的设计。
参考文献
［１］ＩＥＥＥＳｔｄ１５８８－２００２，ＩＥＥＥＳｔａｎｄａｒｄｆｏｒａＰｒｅｃｉｓｉｏｎＣｌｏｃｋ
ＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＮｅｔｗｏｒｋｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓ，８Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００２．
［２］ＡＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＣｌｏｃｋｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＩＥＥＥ１５８８ＰｒｏｔｏｃｏｌａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＥｔｈｅｒｎｅｔ，ＳｉｖａｒａｍＢａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ．
［３］ＩｎｔｅｌＩＸＰ４５ＸａｎｄＩｎｔｅｌＩＸＰ４６ＸＰｒｏｄｕｃｔＬｉｎｅｏｆＮｅｔｗｏｒｋＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓ，Ａｕｇｕｓｔ２００５．
［４］黄云水．ＩＥＥＥ１５８８精密时钟同步分析．国外电子测量技术．２００５；第２４卷第９期：９－１２．
［５］张研．ＩＥＥＥ１５８８在实时工业以太网中的应用．［Ｊ］微计算机信息．２００５；２１，９－１：１９－２１．
［６］缪学勤．实时以太网技术最新进展．测控技术
作者简介：王兰，女，（１９８２－），汉族，硕士研究生，研究方向：工业通信与控制相关的ＩＣ设计；杨志家，男，（１９６８－），研究员，硕士生导师，研究方向：工业通信与控制相关的ＩＣ设计和嵌入式系统开发。
技术创新
２０００元，各类采集器显示器价格约１０００元／套。估计每组建一套这类智能小区需花费５万元左右。相对以前的小区系统可节约１０万元。参考文献
［１］郭书军，王玉花，葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４
［２］邹思轶．嵌入式ＬＩＮＵＸ设计与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２
微计算［３］郭文宾，孙智权．基于ＮｉｏｓＩＩ的ＵＳＢ接口模块设计［Ｊ］
机信息，２００５，８－１：２１－２３。
［４］农孙博，范正刚．ＬＩＮＵＸ平台下的ＷＥＢ编程［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０００
作者简介：伍路旺（１９８３－），男（汉），湖南衡阳人，江苏大学硕士研究生，专业：控制理论与控制工程。研究方向：ＥＤＡ；赵不贿（１９５７－），男（汉），江苏高淳人，江苏大学教授，博士生导师。主要研究方向：Ｐｅｔｒｉ网。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷｕＬｕ－ｗａｎｇ（１９８３－），ｍａｌｅ（ｈａｎ），ＨｅｎｇｙａｎｇＨｕＮａｎｐｒｏｖｉｎｃｅ，ＭＳｏｆＪｉａｎｇＳｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｐｅｃｉａｌｆｉｅｌｄ：Ｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ＥＤＡ；ＢｕｈｕｉＺｈａｏ（１９５７－），ｍａｌｅ（ｈａｎ），ＧａｏｃｈｕｎＪｉａｎｇＳｕｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＪｉａｎｇＳｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙａｎｄｍｅｎｔｏｒｏｆｄｏｃｔｏｒ，Ｍｏｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：Ｐｅｔｒｉｎｅｔ．（２１２０１３江苏镇江江苏大学电气信息工程学院）伍路旺
赵不贿卢美鸿
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷａｎｇＬａｎ（１９８２－），Ｆｅｍａｌｅ，ｔｈｅＨａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，Ｍａｓｔｅｒ，ＭａｊｏｒｉｎｔｈｅＩＣｄｅｓｉｇｎａｂｏｕｔＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｌｏｌ．；Ｙａｎｇ，Ｚｈｉｊｉａ（１９６８－），Ｍａｌｅ，Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ．ＭａｊｏｒｉｎｔｈｅＩＣｄｅｓｉｇｎａｂｏｕｔＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｌｏｌ．（１１００１６辽宁沈阳中国科学院沈阳自动化研究所）王兰
杨志家
（１０００３９北京中国科学院研究生院）王兰
通讯地址：（１１００１６沈阳市东陵区南塔街１１４号中国科学院沈阳自动化研究所第三研究室）王兰
（收稿日期：２００７．７．２３）（修稿日期：２００７．８．２５）
（ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）ＷｕＬｕＷａｎｇＺｈａｏＢｕＨｕｉＬｕＭｅｉＨｏｎｇ
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