基于ZYNQ的PTP授时精度测量方法与实现-AET-电子技术应用

基于ZYNQ的PTP授时精度测量方法与实现

2021年电子技术应用第6期

宋艳1，应斌杰1，杨成钢1，郝自飞1，毛立振2

1.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江丽水316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江杭州310019

摘要： 针对PTP授时精度测量存在的困难，提出在ZYNQ SOC上用μCOS操作系统和LWIP协议栈，来实现PTP授时精度测量。该方法通过接收卫星导航系统信号，得到准确的系统时间和时钟源差，利用硬件将系统时间同步至ZYNQ的纳秒计数器。利用ZYNQ EMAC接口获取PTP收发帧的观测时间，并利用源差值实现对测量时间的补偿，最终得到准确的时间戳，进而实现对待测PTP主时钟授时精度测量。经实际测试，利用该方法对PTP时钟进行测量，能够获得优于10 ns的测量精度。

关键词： 精确时间协议授时卫星导航系统时间戳

中图分类号： TN927
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201167
中文引用格式： 宋艳，应斌杰，杨成钢，等. 基于ZYNQ的PTP授时精度测量方法与实现[J].电子技术应用，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

精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)是一种高精度网络时间同步协议^[1-2]，具体内容由IEEE 1588协议定义。IEEE1588协议目前有V1和V2两个版本。其支持多种形式的传输，比如UDP/IPv4、UDP/IPv6以及IEEE 802.3等。PTP与网络授时协议(Network Timing Protocol，NTP)的主要区别是，PTP是在物理层实现而NTP是在应用层实现。因此，PTP比NTP具有更高的同步精度。PTP可以达到亚微秒级授时精度，在网络的节点(交换机)支持PTP协议的情况下，能够实现纳秒量级的授时精度^[3-4]。

PTP授时具有成本低、精度高、网络开销小等优点，因此在通信、电力、轨道交通等领域得到了较为广泛的应用^[5-8]。但也正因为其授时精度高，使得对PTP授时设备授时精度的测量就显得更为困难。PTP授时精度从理论上来说主要受两方面的影响，一方面是打时间戳的位置，另外是软件同步的算法。打时间戳目前可以在物理层、数据链路层和应用层上进行，对应的授时精度会依次降低^[9-10]。目前主流的PTP授时设备均是基于Linux系统的，而Linux系统为非实时操作系统，中断响应时间在微秒级以上，其无法获得精确的时间戳，即便是使用了其他算法，测量精度也在100 μs以上^[11]，无法对PTP测量^[12-14]。相对Linux系统而言，μCOS为实时操作系统，能够获得更准确的时间，可以用μCOS系统加LWIP协议栈来实现PTP精度测量。

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作者信息：

宋艳1，应斌杰1，杨成钢1，郝自飞1，毛立振2

(1.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江丽水316021；2.杭州量泓科技有限公司，浙江杭州310019)

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