datamicro.biz
Главная страница Поиск и карта сайта
Дэйтамикро CAN и смежные технологии
 

О нас
Партнеры
Проекты
Новости
Библиотека
Контакты
Форум

 
CiA

canAnaliser




IEEE 1588 – когда синхронность имеет значение

Высокоточная синхронизация системного времени в распределенных системах с поддержкой IEEE 1588 PTP

Norbert Binder [IXXAT Automation GmbH]

IEEE 1588 – стандарт, позволяющий синхронизировать часы распределенных устройств в сети. Текущие версии протоколов основаны на спецификации IEEE 1588-2008, так же называемой 1588 v.2. В зависимости от используемого оборудования и топологии, точность синхронизации может достигать десятков наносекунд.

Увеличение количества устройств, поддерживающих IEEE 1588, позволяет расширить область применения таких систем.  До сих пор поддержание одинакового времени во всех устройствах сети, как правило, решалось различными способами. Первый и наиболее простой – передача общего сигнала синхронизации от задающего устройства ко всем устройствам по отдельному сигнальному кабелю. При этом, точность ограничена задержкой сигнала в кабеле и, соответственно, длиной кабеля, а также качеством задающего устройства. В некоторых приложениях невозможно использовать дополнительный кабель вследствие системных требований или экономических соображений.

Второй способ – оснастить как можно больше устройств высокоточными источниками времени, например, GPS-приемником. В зависимости от локального положения, некоторые устройства не могут принимать GPS или другие радиосигналы, так как они находятся внутри помещения, под землей или экранированы каким-либо другим способом. Более того, для большинства устройств, таких, как миниатюрные недорогие датчики, GPS-приемник является очень дорогими решением.

В случае, когда используется IEEE 1588 PTP, не требуется применение ни дополнительных кабелей для отдельного сигнала синхронизации, ни внешних источников времени. Более того, IEEE 1588 PTP может быть использован в существующих системах или приложениях, в которых невозможно реализовать рассмотренные выше способы синхронизации.

Обычно, IEEE 1588 используется в сетях Ethernet. Однако, он не ограничен физическим уровнем или транспортным протоколом, если типовые параметры системной шины или сети и протоколов учитываются при компенсации задержки.

Каковы области применения?

Решения IXXAT на базе IEEE 1588 используются в различных приложениях. Например, синхронизация данных измерений нескольких сотен распределенных датчиков позволяет достичь высокой точности получения данных в геологических измерениях. Кроме высокой точности синхронизации времени, к системе предъявляются требования высокой надежности и отказоустойчивости, поскольку извлечение датчиков требует значительных временных затрат и, следовательно, является дорогим.

Количество электронных операций на финансовых рынках постоянно растет и становится крайне важным знать, какая транзакция и в какое время была размещена. Показатели фондовых рынков изменяются с очень большой скоростью.

Несвоевременность реакции, даже в доли секунд, может значительно повлиять на доходность финансовых операций. Решения IXXAT также используются для синхронизации серверов и клиентов друг с другом.


Рис. 1. Пример реализации

Огромной областью применения IEEE 1588 являются телекоммуникационные системы, в которых, например, компоненты в мобильной транспортной сети должны работать синхронно, для того, чтобы осуществлять «передачу» одного участника от одной базовой станции к другой.

Другими областями применения продукции IXXAT являются синхронизация компонентов силовых электросетей по фазе тока или синхронизация обмена данных в спутниках.

Как IEEE 1588 PTP можно интегрировать в приложения пользователя?

Для того, чтобы система имела функциональность IEEE 1588, необходимо наличие двух основных компонентов. Во-первых, это механизм, позволяющий проставлять метки времени для входящих пакетов или для внешних инициирующих событий. Этот механизм может быть реализован программно. Однако, в зависимости от операционной системы и других недетерминированных воздействий точность будет составлять секунду или сотни миллисекунд. В профессиональных приложениях, модуль меток времени (TSU, time stamping unit) должен быть реализован аппаратно. Чем ближе TSU расположен к шине, тем лучше будет результат. В настоящее время существует несколько производителей выпускающих PHY и микроконтроллеры со встроенным TSU. Для систем, которые еще не имеют встроенных TSU, или которые используют FPGA, можно использовать IP-ядро IEEE 1588. Например, IP-ядро от IXXAT имеет TSU, часы реального времени и модуль синхронизации, который проставляет метки времени для входящих инициирующих событий, а также передает высокоточные сигналы синхронизации.

Поверх TSU, протокольное программное обеспечение обрабатывает метки времени входящих сообщений, вычисляет отклонение от эталонного времени, а затем подстраивает скорость хода часов реального времени. Эти функции не критичны по времени и, следовательно, могут быть легко реализованы на многих современных процессорах. Возможна адаптация к различным типам процессоров со встроенными TSU. При развертывании новых сетей, целесообразно использовать коммутаторы совместимые с IEEE 1588. Неизвестные задержки пересылки пакетов стандартных коммутаторов оказывают значительное влияние на качество синхронизации, поэтому их не рекомендуется использовать. Если сеть уже развернута, например, в телекоммуникационных приложений, то задержки пересылки пакетов могут быть сведены к минимуму путем применения фильтров.

Тестирование PTP систем

Для того, чтобы обеспечить высокое качество PTP систем, предусмотрено несколько уровней тестирования. Тестирование абстрактного уровня оборудования (HAL, hardware abstraction layer) – позволяет проверить правильность реализации драйвера для TSU. Систематически выполняется оценка параметров корректной работы IEEE 1588. Наконец, точность, совместимость и надежность, проверяются с помощью длительных тестов, стресс-тестов и, конечно, во время приемосдаточных испытаний IEEE 1588. Для того, чтобы протестировать измерительные системы на соответствие спецификации консорциума LXI, разработан тест проверки на совместимость на базе ПК. Он основан на стеке протокола IEEE 1588 от IXXAT и аппаратуре внешних часов, которая позволяет использовать стандартный ПК с операционной системой Windows без потери точности при передаче пакетов от сети приложению проверки на совместимость.

Эталонные платформы и результаты тестирования

Две из поддерживаемых аппаратных платформ показаны более подробно с целью указания достижимой точности. Все результаты были получены на стандартных оценочных платах с обычными низкокачественными генераторами. Замена генераторов на генераторы с термостабилизацией позволяет существенно повысить точность.


Рис. 2. Установка синхроназиции тестируемых систем

MPC8313 – это коммуникационный процессор от Freescale, который реализует аппаратную поддержку меток времени IEEE1588 на уровне Ethernet MAC. Простановка метки времени и реализация подстраиваемых часов реального времени аппаратно, позволяют получить синхронизацию с точностью до наносекунд. 

Оценочная плата MPC8313E-RDB взаимно синхронизирована, используя интервал синхронизации 0,125 с, с эталонной платой MPC8360E-MDS с точностью ±50 нс смещения пиков. Стандартное отклонение смещения между узлами составляет 10 нс. Запуск и синхронизация выполняются очень быстро. Обычно, чтобы выполнить синхронизацию, достаточно 10 интервалов синхронизации.


Рис. 3. Смещение тестируемых систем

Совместно с STMicroelectronics, IXXAT предлагает адаптированную версию своего протокольного программного обеспечения IEEE 1588-2008 для оценочной платы STM3220F-EVAL. Для ознакомления с технологией IEEE 1588 доступна загрузка программного обеспечения в виде двоичного кода.

STM32F207 – это микроконтроллер от STMicroelectronics, который реализует аппаратную поддержку меток времени IEEE 1588 на уровне Ethernet MAC. Простановка метки времени и реализация подстраиваемых часов реального времени аппаратно, позволяют получить синхронизацию с точностью до наносекунд. Длительное тестирование системы показало, что обеспечена взаимная синхронизация с точным задающим устройством (2 ppm кварц) на интервале синхронизации 0,125 с, с точностью ±50 нс (максимальное отклонение). Стандартное отклонение смещения между узлами составляет 12 нс. Запуск и синхронизация выполняются очень быстро. Обычно, чтобы выполнить синхронизацию, достаточно 20 интервалов синхронизации.

 

rss
CANopen vendor-ID:
00000026


Поставка продукции
HMS/IXXAT в России
© 1991-2016, DATAMICRO Co., Ltd.
info@datamicro.ru

тел.:  +7.8634.314-000
факс: +7.8634.314-001