基于基于FPGA的高同步时钟系统设计的高同步时钟系统设计
摘要: 介绍了精密时钟同步协议(PTP)的原理。本文精简了该协议,设计并实现了一种低成本、高精度的时钟同
步系统方案。该方案中,本地时钟单元、时钟协议模块、发送缓冲、接收缓冲以及系统打时标等功能都在FPGA
中实现。经过测试,该方案能够实现ns级同步精度。该方案成本低,并且易于扩展,非常适合局域网络时钟同
步的应用领域。在很多大型物理实验和工业应用中,时钟同步技术都扮演着举足轻重的作用。比如在中国四川
锦屏暗物质探测实验中,需要为多个独立探测装置提供相应的时间信息,这些探测器包括中心探测器
(HpGe)、液氩反符合探测器、实验室外部宇宙线反符合探测器[1]。又比如在大亚湾中微子实验中,需要为三
个实验厅的
摘要摘要: 介绍了精密时钟同步协议(PTP)的原理。本文精简了该协议,设计并实现了一种低成本、高精度的时钟同步系统方
案。该方案中,本地时钟单元、时钟协议模块、发送缓冲、接收缓冲以及系统打时标等功能都在FPGA中实现。经过测试,该
方案能够实现ns级同步精度。该方案成本低,并且易于扩展,非常适合局域网络时钟同步的应用领域。
在很多大型物理实验和工业应用中,时钟同步技术都扮演着举足轻重的作用。比如在中国四川锦屏暗物质探测实验中,需
要为多个独立探测装置提供相应的时间信息,这些探测器包括中心探测器(HpGe)、液氩反符合探测器、实验室外部宇宙线
反符合探测器[1]。又比如在大亚湾中微子实验中,需要为三个实验厅的子探测器提供同步时钟和时间戳,也需要为未来的长
基线中微子振荡实验提供同步时钟和时间戳[2]。
为此,本文基于可编程逻辑器件FPGA,设计了一套高精度、低成本、易于扩展的时间戳同步系统。
1 PTP协议简介协议简介
PTP精密时钟定时协议又称为IEEE 1588协议。它的基本功能是利用基于时间戳的报文通信的方法,使得分布式网络中的所有
的时钟都与特定的某个时钟保持同步。IEEE 1588协议可以用软件实现,也可以用专门的硬件实现。很显然,用硬件实现能达
到更高的精度。本文中的同步系统就是基于纯硬件实现的。
IEEE 1588协议中定义了5种类型的传输报文[3]:同步报文(sync)、跟随报文(follow_up)、延时请求报文
(delay_req)、延时响应报文(delay_resp)和管理报文(management)。其中前4种报文主要用于时间戳交换,具体的时
间戳交换的过程示意图如图1所示。
图1 PTP协议同步过程示意图