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基于ZYNQ的PTP授時精度測量方法與實現

2021年電子技術應用第6期

宋艷1，應斌杰1，楊成鋼1，郝自飛1，毛立振2

1.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江麗水316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江杭州310019

摘要： 針對PTP授時精度測量存在的困難，提出在ZYNQ SOC上用μCOS操作系統和LWIP協議棧，來實現PTP授時精度測量。該方法通過接收衛星導航系統信號，得到準確的系統時間和時鐘源差，利用硬件將系統時間同步至ZYNQ的納秒計數器。利用ZYNQ EMAC接口獲取PTP收發幀的觀測時間，并利用源差值實現對測量時間的補償，最終得到準確的時間戳，進而實現對待測PTP主時鐘授時精度測量。經實際測試，利用該方法對PTP時鐘進行測量，能夠獲得優于10 ns的測量精度。

關鍵詞： 精確時間協議授時衛星導航系統時間戳

中圖分類號： TN927
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201167
中文引用格式： 宋艷，應斌杰，楊成鋼，等. 基于ZYNQ的PTP授時精度測量方法與實現[J].電子技術應用，2021，47(6)：115-118，130.
英文引用格式： Song Yan，Ying Binjie，Yang Chenggang，et al. A method and implementation of PTP timing accuracy measurement based on ZYNQ[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(6)：115-118，130.

A method and implementation of PTP timing accuracy measurement based on ZYNQ

Song Yan1，Ying Binjie1，Yang Chenggang1，Hao Zifei1，Mao Lizhen2

1.Lishui Power Supply Company，State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd，Lishui 316021，China； 2.Hangzhou Quantum Sensing Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310019，China

Abstract： Aiming at the difficulties of PTP timing accuracy measurement, this paper puts forward using μCOS operating system and LWIP protocol stack on ZYNQ SOC to realize PTP timing accuracy measurement. Accurate system time and clock source difference are obtained by receiving GNSS signals, and the system time is synchronized to the nanosecond counter of ZYNQ by hardware. The ZYNQ EMAC interface is used to acquire the observation time of PTP frames, and the source difference is used to compensate the measurement time. Finally, an accurate time stamps are obtained, which can be used to measure the timing accuracy of the PTP master clock. The test results show that using this method to measure PTP clock, the measurement accuracy is better than 10 ns.

Key words : PTP；timing；GNSS；time stamp

0 引言

精確時間協議(Precision Time Protocol，PTP)是一種高精度網絡時間同步協議^[1-2]，具體內容由IEEE 1588協議定義。IEEE1588協議目前有V1和V2兩個版本。其支持多種形式的傳輸，比如UDP/IPv4、UDP/IPv6以及IEEE 802.3等。PTP與網絡授時協議(Network Timing Protocol，NTP)的主要區別是，PTP是在物理層實現而NTP是在應用層實現。因此，PTP比NTP具有更高的同步精度。PTP可以達到亞微秒級授時精度，在網絡的節點(交換機)支持PTP協議的情況下，能夠實現納秒量級的授時精度^[3-4]。

PTP授時具有成本低、精度高、網絡開銷小等優點，因此在通信、電力、軌道交通等領域得到了較為廣泛的應用^[5-8]。但也正因為其授時精度高，使得對PTP授時設備授時精度的測量就顯得更為困難。PTP授時精度從理論上來說主要受兩方面的影響，一方面是打時間戳的位置，另外是軟件同步的算法。打時間戳目前可以在物理層、數據鏈路層和應用層上進行，對應的授時精度會依次降低^[9-10]。目前主流的PTP授時設備均是基于Linux系統的，而Linux系統為非實時操作系統，中斷響應時間在微秒級以上，其無法獲得精確的時間戳，即便是使用了其他算法，測量精度也在100 μs以上^[11]，無法對PTP測量^[12-14]。相對Linux系統而言，μCOS為實時操作系統，能夠獲得更準確的時間，可以用μCOS系統加LWIP協議棧來實現PTP精度測量。

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作者信息：

宋艷1，應斌杰1，楊成鋼1，郝自飛1，毛立振2

(1.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江麗水316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江杭州310019)

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