[发明专利]基于线性菊花链以太网拓扑的时钟同步系统

说明书

本发明公开了一种基于线性菊花链以太网拓扑的时钟同步系统，包括：主时钟设备和多个从时钟设备，所述主时钟设备作为首部，与所有从时钟设备组成分布式线性菊花链网络拓扑结构；所述主时钟设备与从时钟设备通过以太网通信，主时钟设备控制实现级联从时钟设备的同步时钟，主从时钟设备之间通过基于UDP传输的同步协议实现时钟同步，包括从时钟设备的传输延时测量和配置、采集命令的同步启动和周期性时钟频率补偿；所述从时钟设备依据同步时钟的采样命令控制采集数据并上传至主时钟设备。该系统能够实现高精度时钟同步。

技术领域

本发明属于时钟同步技术领域，具体涉及一种基于线性菊花链以太网拓扑的时钟同步系统。

背景技术

现代的许多分布式测控系统需要测量中远距离的不同物理量，分布式设备间的时钟精度对于系统的实时性至关重要，例如在地球物理研究中的地震活动探测中，在不同的地球观测站同步检测地震波不仅可以提供有关地震震级和震中的信息，还可以对深层地质结构进行成像(地震断层扫描)。因此时钟同步精度在分布式测控系统中非常重要。

分布式测控系统需要采用一种合适可靠的时钟同步机制。现有的时钟同步机制有许多种，主要分为全球定位系统GPS时钟同步和网络时钟同步。其中GPS时钟同步的时间精度为±10纳秒。网络时钟同步按照实现方式包括同步精度几毫秒的网络时间协议NTP，同步精度微秒级别的局域网中提供的PTP(IEEE-1588-2019)，同步精度微秒级别的无线自主组织网络中使用FTSP或Harmonia协议。

GPS定位系统虽然精度高，但需要在开阔的环境下使用，不适用于室内和水下等GPS信号不良的环境。而网络时间协议NTP的同步精度比较低，不能满足高精度同步数据采集或控制的需要。无线同步协议可能遇到信号质量差引起的时钟精度降低的问题。

IEEE1588的PTP协议在以太网环境下使用，同步精度高，可以在采集传输数据时共同使用网络信道，组网方便，但实现流程比较复杂，使用传统CPU作为核心处理单元，也会造成因任务调度，网络阻塞等原因导致的同步精度下降问题。

随着电子信息技术的发展，现场可编程门阵列(FPGA)的性能越来越强大。一般FPGA内部由查找表、触发器，简单门电路构成的基础单元，可配置的ERAM，PLL，以及高速可配置I/O等功能单元组成。FPGA相比于CPU具有高度灵活性，更适合于并行任务处理。在网络数据处理与传输具有较低且稳定延时优势。目前FPGA也广泛应用于卸载CPU工作负载等网络处理工作。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种基于线性菊花链以太网拓扑的时钟同步系统，该系统能够实现高精度时钟同步。

为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于线性菊花链以太网拓扑的时钟同步系统，包括：主时钟设备和多个从时钟设备，所述主时钟设备作为首部，与所有从时钟设备组成分布式线性菊花链网络拓扑结构；

所述主时钟设备与从时钟设备通过以太网通信，主时钟设备控制实现级联从时钟设备的同步时钟，主从时钟设备之间通过基于UDP传输的同步协议实现时钟同步，包括从时钟设备的传输延时测量和配置、采集命令的同步启动和周期性时钟频率补偿；

所述从时钟设备依据同步时钟的采样命令控制采集数据并上传至主时钟设备。

在一个实施例中，主时钟设备和从时钟设备的核心部分基于FPGA设计得到，包括：通信接口、命令控制处理单元、数据控制单元、闪存控制器、配置管理模块；

所述通信接口为介质无关接口，与设备外扩的以太网接口连接，实现命令和数据通信；