基于ARM-WinCE平台的时钟同步设计

摘要：时钟同步是分布式系统的核心技术之一，为实现基于ARM—WinCE嵌入式系统平台的测试仪器组建分布式测试系统，在介绍IEEE1588精确时钟协议基本原理的基础上，提出了使用具有IEEE1588协议硬件支持功能的DP83640以太网物理层收发器在基于ARM-WinCE的嵌入式系统平台上实现时钟同步的设计方案，给出了硬件设计的接口电路和软件设计框架。经测试该方案可达到不低于1μs的同步精度。
关键词：时钟同步；IEEE1588；ARM；WinCE；DP83640

随着计算机技术、网络通信技术的进步，组建分布式网络化测试系统，提高测试效率、共享信息资源，已成为现代测试系统发展的方向。分布式测试系统通过网络等通信媒介把分布于各测试点、独立完成特定功能的测试设备连接起来，以达到测试资源共享和协同工作等目的。时钟同步是分布式系统的核心技术之一，其目的是维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，使得系统内各个节点中与时间有关的信息、事件及行为有一个全局一致的解释。IEEE1588精确时钟协议是当前分布式测试系统中时钟同步研究的热点。采用硬件支持的IEEE1588协议能够在以太网中不同结点之间实现纳秒级的时钟同步，为工厂自动化、测试和测量以及通信等领域需要高精度时钟同步的应用提供了一种有效的解决方案。本文采用具有IEEE1588精确时钟协议硬件支持功能DP83640芯片在基于ARM和WinCE的嵌入式系统平台上实现IEEE1588协议，为基于嵌入式系统的智能测试仪器组成分布式测试系统奠定了基础。

1 IEEE1588协议原理
IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，简称精确时钟协议(Precision Time Protocol，PIP)。IEEE1588协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。
IEEE1588时钟协议在进行时钟同步时，主时钟设备按照一定的时间间隔(一般为2 s)周期性地以广播方式发送同步报文(Sync)和同步跟随报文(FollowUp)，且在FollowUp报文中记录Sync报文的发送时间戳t1，而从时钟设备接收Syne报文记录接收时间戳为t2；然后，从时钟设备节点定期发送延迟请求报文(Delay_Req)(一般4～60 s发送一次)，并记录其发送时间戳t3，主时钟设备接收判延迟请求后，记录接收时间戳t4，并给相应从节点发送延迟请求响应报文(Delay_Resp)，该报文信息中包古时间戳t4。通过得到的4个时间戳，可以计算出主从时钟之间的偏移量Toffset和网络传输的线路延迟ms_delay，其过程如图1所示。