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圖1  乒乓算法

    從時(shí)鐘側(cè)向主時(shí)鐘發(fā)送同步請(qǐng)求，同時(shí)記下發(fā)送這一時(shí)刻自身的計(jì)數(shù)值大小作為t₁，請(qǐng)求信息經(jīng)過(guò)通道時(shí)延t_d到達(dá)主時(shí)鐘側(cè)，主時(shí)鐘記下接收到請(qǐng)求這一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的自身計(jì)數(shù)值大小t₂，然后經(jīng)過(guò)一定的內(nèi)部處理后，在t₃時(shí)刻（主時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值大小）發(fā)送請(qǐng)求應(yīng)答信息，其中包含t₂和t₃這兩個(gè)計(jì)數(shù)值，再經(jīng)過(guò)通道延時(shí)t_d，請(qǐng)求應(yīng)答信息到達(dá)從時(shí)鐘側(cè)，從時(shí)鐘側(cè)立即記下接收到信息這一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的自身計(jì)數(shù)值大小t₄，然后將應(yīng)答信息中的t₂和t₃這兩個(gè)數(shù)值取出，若假設(shè)同步前兩側(cè)計(jì)數(shù)值的大小在某一時(shí)刻的差值為△t，則有以下方程成立：

    t₁-△t+t_d=t₂
    t₃+△t+t_d=t₄

通過(guò)解列這兩個(gè)方程，可求出：

    t_d=1/2[(t₄-t₁)-(t₃-t₂)]
   △t=1/2[(t₁+t₄) -(t₂+t₃)]

    這樣在從時(shí)鐘側(cè)計(jì)數(shù)定時(shí)器上加上這個(gè)差值△t的大小即可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)時(shí)針同步，然后每隔一定時(shí)間重復(fù)以上過(guò)程即可實(shí)時(shí)消除兩側(cè)晶振信號(hào)差異所累積的誤差。
    其次，如上述所提到的，該算法成立的前提條件是假設(shè)數(shù)字通信通道的傳輸時(shí)延在兩個(gè)方向上是完全對(duì)稱(chēng)相等的。這一假設(shè)在大多數(shù)情況下是成立的，特別是在總線網(wǎng)絡(luò)下由于雙方向信號(hào)都是經(jīng)過(guò)同一物理媒介，這一條件自然得到滿足。但在一些可動(dòng)態(tài)進(jìn)行路由選擇配置的通信網(wǎng)絡(luò)中若雙方向信號(hào)的路由選擇不是同一物理路徑，則傳輸時(shí)延會(huì)出現(xiàn)明顯差異從而破壞了以上算法的成立條件，導(dǎo)致同步出現(xiàn)明顯的固有誤差或同步失效。在這種情況下可以通過(guò)與通信部門(mén)溝通要求與同步兩側(cè)相關(guān)的路由選擇配置為信號(hào)通道雙方向?qū)ΨQ(chēng)，即經(jīng)過(guò)同一物理路徑，從而保證該算法的成立。
    再次，為了保證兩側(cè)的同步誤差維持在一定精度范圍內(nèi)，需要周期性地重復(fù)以上同步算法，同步周期越短，則所能達(dá)到的同步精度就越高，但同時(shí)所占用的通信通道的通信容量/帶寬比例就越大，因此需要根據(jù)具體的應(yīng)用所需要的精度和通信通道所能提供的通信帶寬選擇一個(gè)合理的同步周期。如在100ppm的晶振頻率精度下，理論上，如果1s同步一次則同步偏差可控制在100μs的范圍內(nèi)，如1ms同步一次則同步誤差可控制在微秒或微秒以下的精度。
    由以上原理可以看出，該“乒乓算法”最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用各種現(xiàn)有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通訊通道，在通信協(xié)議的應(yīng)用層完全由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需為此更改或增加任何專(zhuān)用的硬件配置。更進(jìn)一步，在軟件模塊化設(shè)計(jì)的控制器設(shè)計(jì)中，算法甚至可以放到控制器內(nèi)部有時(shí)間同步要求的應(yīng)用軟件模塊內(nèi)，這樣當(dāng)作系統(tǒng)配置時(shí)需要該相關(guān)應(yīng)用軟件模塊該算法一同配置，而無(wú)需該功能時(shí)則整體退出配置，可以更加優(yōu)化控制器的按需配置。但其限制條件也非常明顯，除以上通道延時(shí)對(duì)稱(chēng)性和周期性同步通信帶寬的要求外，t₁、t₂、t₃、t₄四個(gè)時(shí)標(biāo)的精確性也直接應(yīng)用到兩側(cè)時(shí)鐘同步的精度。由于大部分通信協(xié)議都是采用分層次來(lái)實(shí)現(xiàn)，即應(yīng)用層協(xié)議的數(shù)據(jù)包發(fā)出到數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)幀真正發(fā)送到物理層的網(wǎng)絡(luò)媒介上之間時(shí)存在一定的延時(shí)。對(duì)于采用無(wú)阻塞的電路連接通道，該延時(shí)比較小而且比較穩(wěn)定、分散性小，而對(duì)于共用網(wǎng)絡(luò)媒介的總線類(lèi)通道，該延時(shí)隨機(jī)性很大，因?yàn)閷?duì)于某一個(gè)控制器來(lái)說(shuō)通道并不是每時(shí)每刻都可用，這就直接影響到以上算法的時(shí)間同步精度上限，所以一般來(lái)說(shuō)，完全采用軟件實(shí)現(xiàn)的以上算法其時(shí)鐘同步精度幾乎不可能做到微秒以下的精度。另外，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線類(lèi)的應(yīng)用，若將同一總線上所有的節(jié)點(diǎn)均按照以上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式來(lái)進(jìn)行相互間的時(shí)鐘同步，則網(wǎng)絡(luò)通信量和主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)控制器的負(fù)荷率將呈指數(shù)增長(zhǎng)，使得即使要達(dá)到毫秒級(jí)的時(shí)鐘同步精度都很困難。
    總之，以上算法對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的應(yīng)用軟件時(shí)鐘同步，可以在異步通訊的模式下很好地實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于要在現(xiàn)場(chǎng)總線類(lèi)的應(yīng)用中同步接入總線上的所有控制器，直接采用該算法在實(shí)踐中不太可行。同時(shí)，要進(jìn)一步提高時(shí)鐘同步精度，則需要對(duì)算法作進(jìn)一步的改進(jìn)。

3  IEEE1588的設(shè)計(jì)思想及其應(yīng)用

    IEEE1588第一個(gè)出發(fā)點(diǎn)就是要將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的算法擴(kuò)展到具有廣播通信功能的總線通信網(wǎng)絡(luò)上，要充分利用廣播通信特點(diǎn)來(lái)盡量減少用于時(shí)鐘同步的通信量。其具體原理如圖2所示。

圖2  具體原理圖

圖3  傳輸時(shí)延的測(cè)量

    主時(shí)鐘控制器節(jié)點(diǎn)向總線上所有節(jié)點(diǎn)廣播帶主時(shí)鐘時(shí)標(biāo)TM1的“同步報(bào)文”（Sync），同時(shí)為了提高發(fā)送時(shí)標(biāo)的精確性，主時(shí)鐘控制器還監(jiān)視上述同步報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)接口上實(shí)際發(fā)送的時(shí)刻作為同步報(bào)文的精確時(shí)標(biāo)，并在隨后的“跟進(jìn)報(bào)文”（Follow-up）中傳送該精確時(shí)標(biāo)TM1。總線上所有其他節(jié)點(diǎn)作為從時(shí)鐘在收到上述報(bào)文后記下同步報(bào)文的收信時(shí)刻TS1，各自分別計(jì)算其時(shí)鐘與主時(shí)鐘的偏差（Offset），并對(duì)本地的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整。但由于對(duì)報(bào)文的傳輸時(shí)延并不知道，最初只能先假設(shè)為零，然后通過(guò)與上述“乒乓算法”類(lèi)似的原理進(jìn)行傳輸時(shí)延的測(cè)量，如圖3所示。
    從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)向主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)“延時(shí)請(qǐng)求”（Delay Request）報(bào)文，同時(shí)監(jiān)視自己的網(wǎng)絡(luò)接口記下報(bào)文的實(shí)際發(fā)送時(shí)可作為精確的發(fā)送時(shí)標(biāo)TS3，而主時(shí)鐘接收到該報(bào)文時(shí)也記下收信時(shí)刻的精確時(shí)標(biāo)TM3，并將該時(shí)標(biāo)在隨后的“延時(shí)響應(yīng)”（Delay Response）報(bào)文中發(fā)送給相應(yīng)的從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，從時(shí)鐘以此計(jì)算報(bào)文的實(shí)際傳輸時(shí)延（Delay），然后合并到上述同步偏差的計(jì)算公式中去。如果網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)雙向穩(wěn)定對(duì)稱(chēng)，該延時(shí)測(cè)量主要在控制節(jié)點(diǎn)接入總線的初始化過(guò)程中進(jìn)行，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后可以間隔很長(zhǎng)時(shí)間才測(cè)量一次，其周期的長(zhǎng)短對(duì)時(shí)鐘同步的精度沒(méi)有直接的影響，因此可以大幅度減少該點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)文通信量。通過(guò)以上兩階段同步過(guò)程的劃分，以及廣播式“同步報(bào)文”和精確時(shí)標(biāo)等措施，該方法可以在總線網(wǎng)絡(luò)上占用很少通信帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。IEEE1588的指導(dǎo)性指標(biāo)為，如“同步報(bào)文”的周期設(shè)定在2s時(shí)的同步精度可以在毫秒以下直至微秒數(shù)量級(jí)，這對(duì)一般的時(shí)鐘同步系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)能夠滿足要求。
    IEEE1588的第二個(gè)特點(diǎn)就是上述已提到的精確時(shí)標(biāo)的概念。由于通信協(xié)議是分層次實(shí)現(xiàn)的，以上同步過(guò)程中所有報(bào)文中所傳送的“發(fā)送時(shí)標(biāo)”和“收信時(shí)標(biāo)”是取自應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層還是直接在物理層上采用輔助硬件電路，很大程度上決定了該協(xié)議所能達(dá)到的最高時(shí)鐘同步精度。越接近物理硬件底層，時(shí)標(biāo)越精確，系統(tǒng)可能達(dá)到的精度則越高。在采用合適的輔助硬件電路的情況下，如在周期性調(diào)整時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)的偏差之外，增加可調(diào)整時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)的速率，同時(shí)直接記錄網(wǎng)絡(luò)接口的物理層發(fā)送時(shí)標(biāo)和收信時(shí)標(biāo)，其同步精度甚至可以實(shí)現(xiàn)納秒數(shù)量級(jí)的高精度，這比傳統(tǒng)的同步通信系統(tǒng)以及同步脈沖專(zhuān)用系統(tǒng)所能達(dá)到的精度還要高。反過(guò)來(lái)，系統(tǒng)應(yīng)用也可以根據(jù)自己的同步精度要求，來(lái)選擇在哪一層次上實(shí)現(xiàn)協(xié)議的精確時(shí)標(biāo)，從而達(dá)到最佳的技術(shù)性價(jià)比。

圖4  “邊界時(shí)鐘”的解決方案

    IEEE1588的第三個(gè)發(fā)展就是跨網(wǎng)段系統(tǒng)的全系統(tǒng)同步問(wèn)題，即發(fā)展了“邊界時(shí)鐘”的概念。由于以太網(wǎng)技術(shù)的推廣和交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得以太網(wǎng)無(wú)論是在通信容量還是數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能都得到很大的提高，因此將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線已成為一種必然的趨勢(shì)。但以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制卻使得以太網(wǎng)信息幀的傳輸延時(shí)在不同的通信負(fù)荷率下呈現(xiàn)出較大的分散性，從零點(diǎn)幾微秒到一百甚至幾百微秒，因此這無(wú)疑限制了以上同步算法在交換式以太網(wǎng)和多網(wǎng)段以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度。IEEE1588為解決這一問(wèn)題提出了“邊界時(shí)鐘”的解決方案，如圖4所示。
    即在交換機(jī)或路由器的端口上增加一簡(jiǎn)單的時(shí)鐘同步輔助硬件電路，使得每一端口既能作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主時(shí)鐘又能作為從時(shí)鐘，這樣又將以太網(wǎng)總線式網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以近似回到每一端口按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式工作，而且物理媒介是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直通模式，無(wú)中間轉(zhuǎn)接點(diǎn)，因此其傳輸延時(shí)非常穩(wěn)定而且小，也就是說(shuō)可以將時(shí)鐘同步的精度上限大大提高，甚至到納秒數(shù)量級(jí)。
    IEEE1588本身只是一個(gè)單一功能―時(shí)鐘同步算法的協(xié)議規(guī)范，并不是一個(gè)獨(dú)立完整的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，因此若要將該功能推廣到現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用中去，需要將該算法結(jié)合到具體的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。如ODVA組織就在其原有的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議―CIP協(xié)議的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了IEEE1588協(xié)議的功能性成了CIPSync協(xié)議，并進(jìn)行了相應(yīng)的原型驗(yàn)證試驗(yàn)，如圖5所示。即在一典型的三軸聯(lián)動(dòng)的全分布式運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用系統(tǒng)中，采用具有“邊界時(shí)鐘”功能的以太網(wǎng)交換機(jī)連接控制各運(yùn)動(dòng)軸的三臺(tái)獨(dú)立控制器，各控制器之間通過(guò)CIPSync協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步和協(xié)同工作。試驗(yàn)的結(jié)果表明，該原型試驗(yàn)的時(shí)鐘同步精度可以將各控制器之間時(shí)鐘誤差控制在200ns以內(nèi)，從而可以滿足大部分運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。而之前實(shí)現(xiàn)這樣的應(yīng)用系統(tǒng)，都要配置專(zhuān)用的時(shí)鐘脈沖同步網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。相比而言，IEEE1588與眾多現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線的有效結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)不同層次不同同步精度的時(shí)間同步系統(tǒng)，充分顯示了IEEE1588的應(yīng)用潛力。

圖5  原型驗(yàn)證試驗(yàn)

4  結(jié)論

    IEEE1588在總結(jié)之前的各種異步通訊模式下的時(shí)間同步算法的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展和發(fā)展了適合在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)議規(guī)范，并針對(duì)多網(wǎng)段情況下的交換機(jī)和路由器等系統(tǒng)元件所帶來(lái)的新問(wèn)題提出了“邊界時(shí)鐘”的解決方案。CIPSync的原型驗(yàn)證試驗(yàn)表明，IEEE1588協(xié)議與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線的有效結(jié)合，在通信協(xié)議的不同層次的實(shí)現(xiàn)其同步算法可以得到不同的時(shí)鐘同步精度，在一定的配置條件下可以提供與傳統(tǒng)同步專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘同步精度。