（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的精确时钟同步方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在工业控制领域，多种现场总线标准共存的局面从客观上促进了工业以太网 技术的迅速发展，国际上已经出现了h s e 、p r o f i n e t 、m o d b u st c p 佃、e t h e m e t i p 、 e t h e m e t p o w e r l i n k 、e t h e r c a t 等多种工业以太网协议。将传统的商用以太网应用 于工业控制系统的现场设备层的最大障碍是以太网的非实时性，而实现现场设备 间的高精度时钟同步是保证以太网高实时性的前提和基础。 i e e e1 5 8 8 定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议 精确时间协议( p r e c i s i o nt i m ep r o t o c 0 1 ) 。p t p 协议集成了网络通讯、局部 计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分 布式系统，特别适合于以太网，但不局限于以太网。p t p 协议能够使异质系统中 各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，占用最少的网络和局部计算 资源，在最好情况下能达到系统级的亚微级的同步精度。 基于p c 机软件的时钟同步方法，如n t p 协议，由于其实现机理的限制，其 同步精度最好只能达到毫秒级；基于嵌入式软件的时钟同步方法，将时钟同步模 块放在操作系统的驱动层，其同步精度能够达到微秒级。现场设备间微秒级的同 步精度虽然已经能满足大多数工业控制系统对设备时钟同步的要求，但是对于运 动控制等需求高精度定时的系统来说，这仍然不够。基于嵌入式软件的时钟同步 方法受限于操作系统中断响应延迟时间不一致、晶振频率漂移等因素，很难达到 亚微秒级的同步精度。 本文设计并实现了一种基于f p g a 的时钟同步方法，以i e e e1 5 8 8 作为时钟 同步协议，以e t h e r n e t 作为底层通讯网络，以嵌入式软件形式实现t c p i p 通讯， 以数字电路形式实现时钟同步模块。这种方法充分利用了f p g a 的特点，通过准 确捕获报文时间戳和动态补偿晶振频率漂移等手段，相对于嵌入式软件时钟同步 方法实现了更高精度的时钟同步，并通过实验验证了在以集线器互连的1 0 m b p s 以太网上能够达到亚微秒级的同步精度。 【关键词】工业以太网时钟同步i e e e l 5 8 8f p g a 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ne u r l e r ri n d u s t r i a lc o n t r o lf e l d ，c o - e x i s t i n go fs e v e r a lf i e l d b u ss t a n d a r d sp r o m o t e sr a p i d d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le t h e m e ti m p e r s o n a l l y , a n dm a n yi n d u s w i a le t h e m e tp r o t o c o l s ，s u c ha s h s e ，p r o f m e t , m o d b u st c p i p , e t h e m e 们ee t h e m e tp o w e r l i n k , e t h e r c a t , h a v eb e e nd e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r s i ti st h en o n - r e a l - t i m ef e a t u r eo fe t h e m e tt h a ti st h eb i g g e s to b s t a c l ei na p p l y i n g t r a d i t i o n a lc o m m e r c i a le t h e r n e tt of i e l dl e v e ld e v i c e si nc o n t r o ls y s t e m s c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi st h eb a s i so f s o l v i n gr e a l - t i m ep r o b l e mi ni n d u s t r i a le t h e m e tp r o t o c o l s 1 e e e1 5 8 8d e f i n e sap r o t o c o lc a l l e dp r e c i s i o nt i m ep r o t o c o lw h i c he n a b l i n gp r e c i s e s y n c h r o n i z a t i o no fc l o c k si nm e 踟e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m si m p l e m e n t e dw i t ht e c h n o l o g i e s s u c ha sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , l o c a lc o m p u t i n g , a n dd i s t r i b u t e do b j e e t s t h ep r o t o c o li s a p p l i c a b l et os y s t e m sc o m m u n i c a t i n gb yl o c a la r e an e t w o r k ss u p p o r t i n gm u l t i c a s tm e s s a g i n g i n c l u d i n g , b u tr i o tl i m i t e dt o , e t h a m e t t h ep r o t o c o le n a b l e sh e t e r o g e n e o u ss y s t e m st h a ti n c l u d e c l o c k so f v a r i o u si n h e r e n tp r e c i s i o n , r e s o l u t i o n ，a n ds t a b i l i t yt os y n c h r o n i z e t h ep r o t o c o ls u p p o r t s s y s t e m - w i d es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yi nt h es u b - m i c r o s e c o n dr a n g ew i t hm i n i m a ln e t w o r ka n d l o c a lc l o c kc o m p u t i n gr e s o u r e e s c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do np cs o f t w a r e ，s u c ha sn t p , o n l yr e a c h e sa c c u r a c yi n t h em i l l i s e c o n dr a n g ei nt h eb e s tc a s o m e t h o db a s e do l le m b e d d e ds o f t w a r ew h i c hp l a c e sc l o c k s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei n t h ed r i v e rl e v e li n o p e r a t i n gs y s t e m ，r e a c h e sa c c u r a c y i nt h e m i c r o s e c o n dr a n g e t h i sa c c u r a c yl e v e lw i l ls a t i s f yr e a l - t i m er e q u i r e m e n t st oa l li n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e m sb u ts y s t e m sr e q u i r i n gm o r ep r e c i s et i m i n g , e g m o t i o nc o n t r o ls y s t e m p r o b l e m ss u c ha s u n c e r t a i n t yo f i n t e r r u p tr e s p o n s ed e l a yi no p e r a t i n gs y s t e ma n df r e q u e n c yd r i f to f u s c i l l a t o ra r ct h e m a i no b s t a c l et or e a c ha c c u r a c yi ns u b - m i c r o s e c o n dr a n g ef o rm e t h o db a s e do ne m b e d d e d s o f t w a r e ac l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do nf p g ai sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw i t hi e e e 1 5 8 8a si t sp r o t o c o la n de t b e m e ta si t sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sm e t h o di m p l e m e n t st c p f l p c o m m u n i c a t i o ni ne m b e d d e ds o f t w a r ea n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ei nf p g a t h i sm e t h o d u t i l i z e sf p g at or e a l i z ef u n c t i o n ss u c ha sp r e c i s e l yc a p t u r i n gm e s s a g et i m e s t a m pa n dd y n a m i c a l l y c o m p e n s a t i n gf r e q u e n c yd r i f to fo s c i l l a t o r , g a i n sb o r e re f f e c tt h a nm e t h o db a s e do i le m b e d d e d s o f t w a r ea n dr e a c h e ss y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yi nt h es u b - m i c r o s e c o n dr a n g eo v e ri o m b p s e t h e m e tc o n n e c t e db yh u b 【k e y w o r d s 】i n d u s t r i a le t h e m e t , c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，i e e e1 5 8 8 ，f p g a 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 在工业控制领域，多种现场总线标准共存的局面从客观上促进了工业以太网 技术的迅速发展，国际上已经出现了h s e 、p r o f i n e t 、m o d b u s t c p i p 、e t h e m e t i p 、 e t h e m e tp o w e r l i n k 、e t h e r c a t 等多种工业以太网协议。将传统的商用以太网应用 于工业控制系统的现场设备层的最大障碍是以太网的非实时性，而实现现场设备 间的高精度时钟同步是保证以太网高实时性的前提和基础。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时钟或逻辑时钟，使得系 统中的信息和事件有统一的时间解释。信息技术的飞速发展，导致了自动化领域 的深刻变革，并逐渐形成了网络集成化全分布式自动控制系统。这些规模庞大、 结构复杂的控制与信息网络，对时钟同步技术提出了巨大的挑战。 1 1 现场总线 现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间的实现双向串行多 节点数字通讯的系统，也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络。现 场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成化全分布式控制 系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，这是继基地式气动 仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散 控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 之后的新一代控制系统。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室 的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理 连接。由于现场总线系统采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控 制室的控制模块和各种输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通讯能 力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制功能能 够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 现场总线控制系统既是一个开放通讯网络，又是一种全分布式控制系统。现 场总线作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接 为网络系统，并进一步构成了具有基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、 监控、优化及管控一体化等多种功能的综合自动化系统。由于现场总线适应了工 业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业 浙江大学硕士学位论文 自动化技术的热点。 1 5 】 自8 0 年代中期开始，世界上各大控制厂商及标准化组织推出了多种互不兼 容的现场总线协议标准，据不完全统计，迄今为止世界上己出现过的总线有近 2 0 0 种。不同标准的现场产品不能互换，将给用户造成极大的不便。从1 9 8 4 年 起，i e c ( 国际电工委员会) t c 6 5 ( 工业过程测量及控制技术委员会) 和i s a ( 美国仪表学会) 就开始了制订国际标准的工作。但由于受到大控制厂商相互竞 争的影响，国际标准的制订困难重重，商业集团为了自身的利益给国际标准的投 票通过制造阻力，使得国际标准迟迟不能完成。最终不得已在2 0 0 0 年1 月通过 了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即i e c6 1 1 5 8 国际标准。该标准包括 了目前国际上用于流程工业及制造业的8 类主要的现场总线协议。 类型l ：i e c 技术报告( 即f f h l ) 类型2 ：c o n t r o l n e t ( r o c k w e l l 公司支持) 类型3 ：p r o f i b u s ( 德国s i e m e n s 公司支持) 类型4 ：p - n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) 类型5 ：f fh s e ( 即原来f fh 2 ，美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司支持) 类型6 ：s w i f t n e t ( 美国b o e i n g 公司支持) 类型7 ：w j r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) 类型8 ：i n t c r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 用户期待一种统一的现场总线标准，使基于这一标准的现场设备和仪表能够 互连、互操作和互换，从而实现真正意义上的开放。但是，最终形成的现场总线 标准却与人们的初衷大相径庭，没有形成单一的现场总线标准，而是在国际标准 中列出十几种现场总线。这也意味着没有一种现场总线能够一统天下，各个公司、 利益集团围绕现场总线技术的竞争也从标准之争转向市场之争和技术之争。与此 同时，没有列入国际标准范围的现场总线也没有因现场总线标准的推出而销声匿 迹，而是迸一步完善技术、争取更大的市场份额，增加影响力，力图成为事实上 的标准。可见，现场总线的标准虽然通过了，各种现场总线之间的竞争却愈演愈 烈。目前，现场总线技术在工业控制中的应用越来越广泛，国内的各仪表、执行 器生产厂商也开始开展现场总线产品的开发工作。【6 1 0 】 1 2 工业以太网 以太网由d e c 、i n t e l 和x e r o x 等3 家公司在2 0 世纪7 0 年代开发，采用载 波监听冲突检测( c s m a c d ) 的多路访问协议。设计以太网最初目的是为了使 系统能够不局限于某一种传输介质，如光纤、同轴电缆、无线电波，故取名为以 2 浙江大学硕士学位论文 太网。2 0 世纪8 0 年代中期，i e e e 在d e c 、i n t e l 和x e r o x 等3 家公司开发的以 太网基础上，制定了现今大名鼎鼎的i e e e8 0 2 3 标准。以太网采用星型或总线 型结构，传输速率为l o m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 g b p s 或更高。据v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e n t c o r p o r a t i o n ) 调查，如今已有9 5 的网络节点具有以太网接口。 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互 操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场需求的网络技术。 工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对 实时性的要求，即信号传输要足够的快并满足传输的确定性。在工业控制现场， 由于现场设备的地域分散性，现场设备间的信息交互通过通讯网络以信息传递的 方式实现。为了达到控制与监控等任务的要求，现场设备间的信息交互必须在一 定的时间内完成。由于以太网采用c s m c d 碰撞检测方式，网络传输的不确定 性不能满足工业控制的实时要求，因此传统的以太网一直被视为非确定性的网 络。 然而，以太网凭借其硬件成本低廉、通讯速率高、开放性好、应用支持技术 成熟等诸多优势一直吸引着人们将它应用于工业控制领域。快速以太网与交换式 以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使以太网全 面应用于工业控制领域成为可能。与其它现场总线技术相比，工业以太网是在标 准制定后发展最快的现场总线技术，在2 0 0 0 年1 月推出的i e c6 1 1 5 8 中，只有 f fh s e 是与工业以太网相结合的现场总线，但它协议规范的推出却晚于标准的 制定，与此同时，其它的现场总线组织( 公司、集团) 也推出与以太网相结合的 现场总线技术，甚至在此之前就提出了自己的解决方案。i e c6 1 7 8 4 的制定，标 志着已经有多种与以太网相结合的现场总线技术相继成熟，工业以太网也成为近 年来现场总线领域发展最快的技术之一。现在市场上已经有大量的工业以太网产 品，包括连接板卡、网关、远程i p o 、软p l c 等。【l l 一1 4 】 由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通讯系统，而且 还是一个借助网络完成控制功能的自动控制系统。它除了完成数据传输之外，往 往还需要依靠它所传输的数据和指令执行某些控制计算与操作功能，由多个网络 节点协调完成自动控制任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足 开放系统的要求，满足互操作条件。对应于i s o o s i 七层通讯模型，以太网技术 规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议， 目前以t c p i p 协议为主( 已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准) 。 而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机 设备之间是通过f t p ( 文件传送协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、s m t p ( 简单邮 浙江大学硕士学位论文 件传送协议) 、h t p ( w w w 协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 等应用层协议 进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作用。但这些协议 所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时 通讯。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在e t h e m e t + t c p i p 协议之上， 建立完整的、有效的通讯服务模型，制定有效的实时通讯服务机制，协调好工业 现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户 所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷 纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术，以 及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协议，如h s e 、 m o d b u st c p i p 、p r o f i n e t 、e t h e m e t i p 、e t h e m e tp o w e r l i n k 、e t l l e 正a t 等。 ( 1 1h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ，高速以太网) h s e 是现场总线基金会在摒弃了原有高速总线h 2 之后的新作。现场总线基 金会明确将h s e 定位成实现控制网络与互联网i n t e m e t 的集成。由h s e 链接设 备将h l 网段信息传送到以太网的主干上并进一步送到企业的e r p 和管理系统。 操作员在主控室可以直接使用网络浏览器查看现场运行情况。现场设备同样也可 以从网络获得控制信息。h s e 在低四层直接采用e 山e n l 盱 t c p ，i p ，在应用层和 用户层直接采用f fh l 的应用层服务和功能块应用进程规范，并通过链接设备 ( l i n k i n gd e v i c e ) 将f fh l 网络连接到h s e 网段上，h s e 链接设备同时也具有 网桥和网关的功能，它的网桥功能用来连接多个h 1 总线网段，使不同h 1 网段 上的h 1 设备之间能够进行对等通讯而无需主机系统的干预。h s e 主机可以与所 有的链接设备和链接设备上挂接的h 1 设备进行通讯，使操作数据能传送到远程 的现场设备，并接收来自现场设备的数据信息，实现监控和报表功能。 ( 2 ) p r o f i n e t p r o f i b u s 国际组织针对工业控制要求和p r o f i b u s 技术特点，提出了基于以太 网的p r o f m e t ，它主要包含3 方面的技术：( a ) 基于通用对象模型( c o m ) 的分布 式自动化系统，规定了p r o f i b u s 和标准以太网之间的开放、透明通讯，( c ) 提 供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的系统模型。p r o f i n e t 采用标准 e t h e m e t + t c p i p 作为连接介质，采用标准t c p i p 协议加上应用层的r p c d c o m 来完成节点之间的通讯和网络寻址。它可以同时挂接传统p r o f i b u s 系统和新型的 智能现场设备。现有的p r o f i b u s 网段可以通过一个代理设备( p r o x y ) 连接到 p r o f i n c t 网络当中，使整套p r o f i b u s 设备和协议能够原封不动地在p r o f i n e t 中使用。 传统的p r o f i b u s 设备可通过代理p r o x y 与p r o f i n e t 上面的c o m 对象进行通讯， 并通过o l e 自动化接口实现c o m 对象之间的调用。 4 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) e t h e m e t i p e t h e m e t i p ( 以太网工业协议) 是主推c o n t r o l n e t 现场总线的r o c k w e l l a u t o m a t i o n 公司对以太网进入自动化领域做出的积极响应。e t h e m e t i p 网络采用 商业以太网通讯芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备 间的点对点连接，能同时支持1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 以太网商用产品，e t h e m e t i p 的协议由i e e e8 0 2 3 物理层和数据链路层标准、t c p i p 协议组和控制与信息协 议c i p ( c o n t r o li n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 等3 个部分组成，前面两部分为标准的以 太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的c i p 部分。e t h e m e t i p 为了提高 设备间的互操作性，采用了c o n t r o i n c t 和d e v i e e n e t 控制网络中相同的c i p ，c i p 一方面提供实时i o 通讯，一方面实现信息的对等传输，其控制部分用来实现实 时f o 通讯，信息部分则用来实现非实时的信息交换。 ( 4 ) e t h e m e tp o w c r l i n k e t h e m e tp o w e r l i n k 是一个具有严格确定性的实时网络。它的物理层和媒体访 问子层采用快速以太网协议i e e e8 0 2 3 u 。网络上有一个唯一的管理器，每个节 点都有一个控制器，管理器对传输服务进行管理，使得信息传输按p o w e r l i n k 循 环周期地进行。e t h e m e tp o w e r l i n k 还具有与标准的t c p i p 网络的互操作能力。 一个p o w e r l i n k 循环包括开始周期、轮询周期、异步周期和空闲周期。在轮询周 期中由管理站依次对各个节点( 控制站) 发出轮询请求( 允许通讯) ，各个节点 只有接到请求后才能发送数据( 轮询响应) 。发送数据是广播的，所有的站都能 收到。实时数据在轮询周期内传送，非实时的异步信息在异步周期中处理。 p o w e r l i n k 的网络拓扑可以是星型或总线型。 ( 5 ) e t l l e 疋a t e t h e r c a t 是一个现场级超高速f o 网络，它使用标准的以太网物理层协议 及以太网卡，媒体可为双绞线或光纤，拓扑为总线形、星形或树形。在f o 终端， 过程数据全部由硬件处理。e t h e r c a t 使用以太网帧的一个特定e t h e r t y p e ，帧可 由一些子报文组成。在i o 终端，所有帧由f o 系统检查，过滤出寻址该终端的 实时帧，由新开发的f m m u ( 现场总线管理单元) 读取报文，其它的帧交由操 作系统处理。网卡使用驱动程序t w i n c a t y ，它实现了操作系统软件和实时系统 的无缝连接，即t w i n c a t y 同时完成了网络驱动程序和t w i n c a t 以太网现场总 线卡的功能。t w i n c a t y 具有内部的优先级机制，实时帧的优先级高于其它的以 太网帧。e t h e r c a t 系统将协议数据打包成u d p i p 数据报，这使得任何具有以太 网协议栈的控制都可以访问e t h e r c a t 系统。【1 5 1 7 】 浙江大学硕士学位论文 1 3 以太网的实时性与时钟同步 目前，标准以太网可以达到l o o m b p s ( f a s te t h e m e t ) 甚至i g b p s ( g i g a b i t e t h e r n e t ) 的传输速度，这样的速度远大于目前任何现场总线系统。但是，对于 工业控制来说，比传输速率更为重要的是实时性。实时性的一个重要标志是时间 的确定性，也就是说，通讯时数据传输时间不是随机的，而是可以事先准确预测 的。从理论角度分析，以太网这么高的传输速率应该可以实现控制设备之间的实 时通讯，但事实却不是如此。以太网的介质访问机制为c s m a c d ( c a r d e rs e n s e m u l t i p i e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e e f i o n ) ，所有连接在同一网络上的站点在发送数据之 前，先探测网络中是否有其它站点正在发送数据，如果有，则表示网络被占用， 站点暂不发送数据，等待网络空闲；如果没有，则表示网络正好空闲，站点开始 发送数据。如果碰巧另一站点也同时认为网络正处在空闲状态，并且也开始发送 数据，冲突就产生了，这两个站点发出的数据都无效。在这种情况下，首先，这 两个站点都要停止发送数据，然后，每个站点根据预定义的随机等待时间，再次 尝试发送数据。这个过程不断重复直至数据在没有遇到冲突的情况下完好的发送 出去或冲突的次数达到预定的数值。上述的c s m a c d 机制导致以太网中数据传 输时间的不确定性，所以通常的商用以太网不能满足工业实时通讯的需求。然而 c s m a c d 是以太网标准i e e e8 0 2 3 的核心，如果想在尽量不改变现有标准的前 提下在工业控制领域中充分利用以太网的优点，就必须找到一个方法来保证以太 网中数据传输的实时性。 在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件的响应时间的可预测性，也 就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内作出响 应。至于响应时间需多快，由被控对象来决定。化工行业中的热化过程控制有秒 级的响应时间就足够了，而在高速传动控制系统中响应时间必须达到微秒级。工 业控制系统中的实时性可分为硬实时和软实时两类。如果控制系统的响应时间达 不到要求就有可能产生致命后果的情况称为硬实时，例如汽车a b s 系统；如果 控制系统的响应时间达不到要求仅仅影响控制质量而不会造成严重后果的情况 称为软实时，例如楼宇自动化系统。 抖动( j i t t e r ) 是实时系统中一个重要的概念。所谓抖动，是指同样的过程每 次的完成时间或响应时间之间的偏差，也就是时间精度，它的高低对运动控制或 某些高精度的闭环控制来说是非常关键的。以无轴印刷机为例，设印刷速度为 2 5 m s ，也就是每4 0 岫印刷l m m 。如果轴间通讯有大于4 0 茚的时间抖动，印刷 制品上就会有l m m 以上的偏差，印刷质量肯定不能满足要求。 工业控制系统的控制周期与实时性密切相关。控制系统中的程序是以周期性 6 浙江大学硕士学位论文 循环的方式运行的，一个周期内，所有的输入被刷新，完成计算任务后再被写入 输出中。周期的长短由控制对象决定，运动控制系统的控制周期往往要达到毫秒 级。系统联网后，网络数据交换速度应该和系统运算周期相对应。在相对缓慢的 过程中( 比如化工中的热化) ，每5 0 0 p s 刷新一次通讯数据就没有什么必要，但 是在位置控制、电子齿轮、多轴联动等高精度运动控制中，刷新时间往往是越短 越好，时间越短，控制精度越高，能完成的动态性能也越好。在多轴联动控制中， 如果伺服系统以5 0 0 9 s 的周期进行位置控制，各轴之间的信息交换当然也是以 5 0 0 p s 一个周期为最佳，以达到轴间尽可能精确的时钟同步。 解决以太网上数据传输时间的不确定性问题的方法主要有以下几种： ( 1 ) 减低冲突概率。如果网络中只有少量数据流动，那么冲突的概率会降低， 冲突的概率随着数据流量的增加而呈指数增长。当网络负荷低于1 0 时，可以假 设冲突是能避免的。但是这种方法不能充分利用网络带宽，而且不能保证冲突绝 对不会发生。 ( 2 ) 在冲突域利用交换机分段。这种方法的原理是把可能发生冲突的网域用 交换机隔开，因此能够完全避免冲突的发生。但是交换机对数据包的缓冲不仅会 大大增加数据包的传输延迟时间，而且还会对数据包的传输延迟时间引入新的不 确定性。 ( 3 ) i e e e1 5 8 8 时钟同步机制。这种方法的主要原理是，由一个同步信号源站 点周期性的对网络中其它所有站点进行校正同步。而站点间通讯时的发送方发出 的每个数据包里都带有一个时间标记，告诉接收方必须执行某任务的确切时间。 根据时间精度要求的高低，可以使用软件时钟或硬件时钟。这种方法的优点是可 以实现很高的时钟同步精度，实时性得到了保证，还能直接使用t c p i p 协议。 1 4 国内外研究现状 目前国内外的各大公司和科研机构已经开发出多种以太网实时性的解决方 案，现介绍其中几种相对比较成熟的系统： ( 1 ) p r o f i n e t 根据被控制对象对响应时间的需求的不同，p r o f i n e t 支持3 种不同的通讯方 式： ( a ) t c p i p 标准通讯 p r o f i n e t 基于工业以太网技术，使用t c p i p 和i t 标准。t c p i p 是i t 领域关 于通讯协议方面事实上的标准，其响应时间大概在l o o m s 量级，对于工厂控制 级应用来说，这个响应时间足够。 7 浙江大学硕士学位论文 ( b ) 实时( r e a l t i m e ) 通讯 对于传感器和执行器设备间数据交换，系统对响应时间要求更为严格，需 5 - 1 0 m s 。目前，可使用现场总线技术达到，如p r o f i b u s d p 。对于基于t c p i p 的 工业以太网技术，使用标准通讯协议栈来处理过程数据包需要很可观的时间，因 此，p r o f i n e t 提供一个优化的、基于以太网第二层( l a y e r2 ) 的实时通讯通道， 通过该通道，极大减少了数据在通讯协议栈中的处理时间。因此p r o f i n e t 获得了 等同甚至超过传统现场总线系统的实时性能。 ( c ) n 步实时( i s o c h r o n o u sr e a l t i m e ) 通讯 在现场级通讯中，对通讯实时性要求最高的是运动控制。伺服运动控制对通 讯网络提出极高要求，在1 0 0 个节点下，其响应时间要小于l m s ，时钟同步精度 要小于1 0 s ，以保证及时、确定的响应。p r o f i n e t 使用同步实时技术来满足如此 苛刻的响应时间。为保证高质量等时通讯，所有网络节点须很好实现同步，才能 保证数据在精确相等时间间隔内被传输，网络上所有站点须通过精确时钟同步以 实现同步实时。通过规律的同步数据，其通讯循环同步的精确度可达到p s 级。 该同步过程可精确记录其所控制系统的所有时间参数，因此能在每个循环开始实 现非常精确的时间同步。这么高的同步水平单纯靠软件是无法实现的，须依靠网 络第二层中硬件的支持，即西门子i r t 同步实时a s i c 芯片。 p r o f i n e t 在站点的电路中使用a s i c 芯片用于实时通讯，并且在专用交换机 的电路中也使用a s i c 芯片。该专用交换机属于直通型交换机，它可以在保证实 时通讯的同时，处理至少6 m b p s 的t c p i p 通讯流量。同步实时数据的传输周期 小于l m s ，时钟同步精度小于l 肺。时钟同步协议基于i e e e1 5 8 8 。 ( 2 ) e t h e m e tp o w e r l i n k 为了避免冲突，尽量利用带宽，e t h e m e tp o w e r l i n k 采用时间槽通讯管理机制， 在时间上重新组织网络中站点之间的信息交换规则。网络中一个站点充当管理站 点并管理网络通讯，向其它所有站点发送同步节拍、分配发布权限，各站点只有 在得到发布权限之后才可以发布信息。一个e t h e m e tp o w e r l i n k 通讯周期可以分 成四个阶段： ( a ) 开始阶段。 管理站点发布“通讯周期开始”信号，该信号以广播形式发给所有站点。此 信号发出后，各站点就此同步。 ( b ) 同步阶段。 这个阶段中所有站点进行同步信息交换，管理站点按照一个事先定义的顺序 发给某站点一个p o o lr e q u e s t 帧，要求此站点发布信息，此站点得到发布许可后， 以广播形式发出一个p o o lr e s p o n s e 帧回应信息，所有站点都可收到这帧信息， 8 浙江大学硕士学位论文 当然也包括那些应该得到这帧信息的站点。 ( c ) 异步阶段。 这个阶段是给没有什么实时要求的信息留下的，管理站点发给某站点一个 “邀请”帧，此站点便可发布非同步信息，比如i p 数据包。 ( d ) 空闲阶段。 到下一个周期前的等待时间。 e t h e r n e tp o w e r l i n k 以快速以太网i e e e8 0 2 3 u ( f a s te t h e r n e t ) 为传输介质， 传输速率为1 0 0 m b p s 。各个站点的电路采用以太网的标准硬件芯片，无需a s i c 或f p g a ，采用标准l o o m b p sh u b 作为互联设备。实时数据的传输周期最小可达 2 0 0 肛s ，时钟同步精度小于l 峭，可以同时传输实时数据和非实时数据，包括腰 数据包。时钟同步协议基于i e e e1 5 8 8 。 ( 3 ) e t h e m e t i p e t h e m e t i p 协议是c i p ( c o n t r o li n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议簇推出的最新的 工业以太网标准，其网络层、传输层、应用层分别采用i p 协议、t c p u d p 协议 和c i p 协议。控制系统中存在两种报文：实时i o 报文( i om e s s a g e ) 和用于组 态、参数设置、诊断等的显式报文( e x p l i c i tm e s s a g e ) 。前者不包含任何协议信 息，只含有要求快速传送的i 0 实时数据。它的特点是采用短帧结构、协议额外 开销小、执行实时传送，因此采用u d p i p 协议。后者包括了协议信息和执行服 务的指令，站点要翻译该报文的内容、执行规定的任务并产生应答信号，因此采 用t c p 1 p 协议。以u d p i p 和t c p i p 分别封装i o 数据和显式数据，可以保证 提供不同网络性能要求的数据通讯服务，使e t h e r n e t i p 真正成为能够满足实时工 业控制要求的开放式工业以太网技术。o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 和c i ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ) 于2 0 0 3 年发布了c i p 的一个扩充 子集c i ps y n e ，即基于i e e e1 5 8 8 的时钟同步技术，用于分布式s o e 、运动控制 等要求较高的以太网实时应用环境。 c i ps y n c 是一种基于i e e e1 5 8 8 的高精度的时钟同步技术，能够达到的时钟 同步精度为士l o o n s ，实时数据的传输周期为l m s 。网络通讯速率为l o o m b p s ，采 用交换机作为互联设备，要求交换机支持q o s 和优先级排队。各个站点上的电 路采用以太网的标准硬件芯片，需要附加硬件辅助，如f p g a 。 以上三种以太网实时性解决方案分别代表了三种典型的情况。p r o f i n e t 的数 据链路层采用私有a s i c 芯片，上层协议栈也是自定义的，联网设备采用私有 a s i c 芯片。e t h e m e tp o w e r l i n k 的数据链路层采用标准的以太网m a c 控制器芯 片，但上层协议栈是自定义的，联网设备采用标准e t h e m e th u b 。e t h e m e t i p 的 数据链路层和上层协议栈均兼容于商用以太网标准，只是可以选择性的增加一片 9 浙江大学硕士学位论文 f p g a 或c p l d 作为辅助，联网设备采用标准e t h e m e ts w i t c h 。p r o f i n e t 和e t h e r n e t p o w e r l i n k 采用基于周期循环的方式来实现时钟同步和保持实时性，而e t h e m e t i p 先利用i e e e1 5 8 8 建立起时钟同步，再采用基于时间的方式来保证实时性。它们 的共同点是时钟同步的精度对于控制系统实时性能的优劣有着决定性影响。 1 5 本文的研究目标 以太网的实时性的优劣受制于时钟同步精度的高低，因此有必要深入研究如 何在以太网上实现高精度的时钟同步。完全基于嵌入式软件的方案很难在以太网 上实现亚微秒级的同步精度，所以本文将采用一种基于f p g a 的时钟同步方案， 利用数字电路来解决若干在高精度时钟同步需求的情况下嵌入式软件无法解决 的关键性问题，期望达到亚微秒级的同步精度。整个系统将运行于1 0 m b p s 以太 网，采用h u b 作为交换设备，以i e e e1 5 8 8 为时钟同步协议。系统中各个节点 上的电路采用普通晶振作为时钟信号源，f