题目：基于局域网的工业测控系统精密时间同步技术研究

在工业测控技术领域中，越来越多的测控系统采用基于局域网的分布式系统结构。在分布式系统中时间的同步是十分重要的，它可以使系统中各个设备、数字传感器、作动器之间按照统一的时间一致行动。2002年IEEE颁布的精密时钟同步协议IEEE 1588正是为了解决这个问题而提出的。2005年IEEE又提出了新一代测试系统标准LXI，该标准是建立在IEEE 1588的基础上的，基于局域网的新一代开放式的仪器仪表与测试系统标准。经过6年的发展与研究，在2008年又颁布了关于精密时钟同步技术的IEEE 1588 V2.0版。该新版本的颁布表明测控技术领域对网络时间同步技术的重要性、需求的迫切性和发展的快速性。本文论述的主要研究工作是以Windows XP操作系统为基础，采用纯软件方法利用普通网络接口卡实现精密时间同步协议，解决其中的若干重大技术问题。首先对Windows XP操作系统的结构和网卡接口协议进行了深入的分析研究，设计了精密时间同步协议驱动程序。该驱动程序以网络协议的形式安装在网卡上，可以在局域网内，使用任意厂家的标准网卡，提供IEEE 1588 V1.0标准的支持，实现主时钟、从时钟、最佳主时钟BMC（Best Master Clock）选择等功能。可以与局域网内的其它支持IEEE 1588的设备间实现精密时间同步。提出了一种新的时钟伺服控制算法，该算法通过主从时间差和同步间隔计算出时间补偿量和频率补偿量，在一个同步周期内将两种偏差同时完成补偿，并且保证了时间的连续性，解决了PI（Proportional Integral control）调节周期长的问题，具有调节速度快，精度高的特点。对软件延迟时间引起的噪声干扰进行了研究。针对突跳干扰类型的噪声提出了突跳干扰的检测标准和滤波方法，有效地消除了突跳噪声对同步精度的影响。针对均匀分布的软件延迟噪声，提出基于包络均值滤波算法EMF(Envelope Mean Filter)的微弱信号提取算法，可以实时恢复出深埋在均匀分布噪声中的微弱、缓变的非周期信号的波形。EMF算法通过对混有均匀分布噪声的信号进行过采样，对信号的包络线进行实时分析，并用上、下包络的均值作为真实信号的估计值。为了使输出信号平滑、无跳变，采用实时滑模平均滤波来对估计值进行滤波，最终恢复出原始信号。通过仿真，研究了对包络分析算法、最优衰减系数的选取、过采样系数、平滑序列长度和不同信噪比的微弱信号对还原精度的影响。EMF算法简单，可使信噪比提高60dB。最后，对精密时间同步协议驱动程序的同步误差进行了测试，测试时用NI（National Instrumentation）的同步卡PXI-6682作为主时钟，经集线器与一台使用标准网卡的普通PC机上运行的协议驱动程序进行同步，在忽略传输延迟的情况下（将其设定为常数），时间同步误差达到160ns，标准差为29.1ns的较高水平，接近采用硬件辅助方案的同步精度。