● 摘要
本课题来源于桥梁健康监测项目。桥梁健康监测系统采用分布式数据采集模型，在这个分布式数据采集系统中，分布在不同地理位置的嵌入式数据采集器通过以太网与主机互联，数据采集器需要通过以太网调整到统一时钟，保证数据采集在时间上的一致性。IEEE在2002年发布了专门应用于分布式测控系统中的1588标准，IEEE 1588标准定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议—精密时钟同步协议PTP。课题深入研究了PTP协议，利用FPGA辅助，在嵌入式系统中实现各分布式终端之间的精密时钟同步，并可用于广泛的分布式测控系统中。本文首先深入研究了PTP协议，介绍了PTP协议中的普通时钟、边界时钟及时钟的状态，分析了PTP域及PTP通信机制，深入研究了最佳主时钟算法，同时给出了时钟方差计算公式。在对PTP协议深入研究的基础上，设计了基于FPGA的PTP协议的实现方案。在设计的PTP实现方案中，软件代码运行在嵌入式Linux操作系统上。软件部分主要是利用最佳主时钟算法确定时钟状态，接收和发送四种时钟同步消息包，并根据协议引擎状态机对时钟状态进行转换并进行相应的操作。在软件部分还要实现FPGA时间标签的读取、偏移量和时钟补偿值的计算和根据偏移量和时钟补偿值实时在线调整FPGA时钟的功能。 FPGA用来实现时间标签捕获、消息包的检测和频率可调的实时时钟。时间标签是在物理层和MAC层之间捕获的，可以消除协议栈引起的延迟和抖动，提高了同步精度。本文最后对实现的同步精度进行了测试和误差分析，并对提高精度的可行性方案进行讨论。