簡(jiǎn)介

在前面的文章中介紹了i.MX RT1180跨界處理器的主要應(yīng)用場(chǎng)景是在工業(yè)自動(dòng)化與智能制造的高精度測(cè)量領(lǐng)域，而這其中時(shí)間同步是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。而主流的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本上的時(shí)鐘同步原理都是一脈相承來(lái)自于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，今天本文就介紹一下RT1180上如何實(shí)現(xiàn)1588同步。

1588基本原理簡(jiǎn)介

首先來(lái)了解一下802.1AS（又叫g(shù)PTP）協(xié)議本身。gPTP協(xié)議最早可以追溯到20世紀(jì)90年代，以太網(wǎng)的速度開(kāi)始從10Mbps往100Mbps發(fā)展，而早期的時(shí)間同步協(xié)議NTP工作在應(yīng)用層并且由純軟件實(shí)現(xiàn)，它通常只能保證毫秒級(jí)的同步精度，這無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化，汽車(chē)，電力系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν骄鹊囊蟆?/p>

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在2002年,IEEE正式發(fā)布了1588協(xié)議的V1版本，定義了時(shí)間同步的基本原理，此版本的同步精度可以達(dá)到亞毫秒級(jí)，而在2008年發(fā)布的V2版本中引入了硬件時(shí)間戳的定義，同步精度由此提升到了亞微秒級(jí)。到了2011年第一版的gPTP協(xié)議發(fā)布，它脫胎于1588V2，但是與之不同的是它對(duì)1588V2進(jìn)行了簡(jiǎn)化，拋棄了一些特性選項(xiàng)，并且針對(duì)性的僅工作在二層網(wǎng)絡(luò)上以提升精度。再到2020年，IEEE又發(fā)布了一版802.1AS-2020協(xié)議，創(chuàng)新的加入了多個(gè)時(shí)間域的支持，使得不同種類(lèi)的應(yīng)用可以使用獨(dú)立的時(shí)間域，有效提升了容錯(cuò)及冗余能力。

同步原理方面，從NTP到gPTP，使用的原理都是同樣的步驟，如下圖所示：

主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間通過(guò)Sync，F(xiàn)ollow_up，Delay_req，Delay_rsep四種幀的通信，讓從時(shí)鐘能夠獲取與主時(shí)鐘的偏移以及傳輸延遲，然后從時(shí)鐘調(diào)整自己以與主時(shí)鐘同步。

通常來(lái)說(shuō)，在計(jì)算偏移與延遲的過(guò)程中，時(shí)間戳越接近模擬信號(hào)的出口就能夠獲取越準(zhǔn)確的結(jié)果，而RT1180就依賴于一個(gè)內(nèi)置的Timer模塊，能夠在MAC的出口獲取時(shí)間戳，獲得相對(duì)較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

RT1180 1588 Timer模塊

RT1180的Timer模塊的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

時(shí)鐘源的穩(wěn)定是時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)，所以RT1180的Timer可以支持多種時(shí)鐘源輸入作為計(jì)數(shù)源，可以根據(jù)需求選擇不同穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘源來(lái)作為時(shí)基。

這個(gè)Timer提供了多個(gè)寄存器以提供準(zhǔn)確的時(shí)間戳。包含兩個(gè)64-bit的counter寄存器TMR_CNT，TMR_OFF。除此以外，還提供了兩個(gè)32-bit的寄存器TMR_ACC配合TMR_ADD寄存器可以用于微調(diào)TMR_CNT的值，以讓輸出的時(shí)間戳能夠與主時(shí)鐘同步。

具體到它的調(diào)節(jié)原理如下，TMR_CNT會(huì)按照TMR_CTRL[TCLK_PERIOD]中設(shè)定的值每個(gè)周期遞增，TMR_ACC（定時(shí)器累加器）在每個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期都會(huì)按照TMR_ADD[ADDEND]的值遞增。當(dāng)TMR_ACC累加到溢出時(shí)，TMR_CNT會(huì)額外加1，用于補(bǔ)償時(shí)鐘頻率中的小數(shù)部分。調(diào)整TCLK_PERIO以及TMR_ADD寄存器的值就可以做到調(diào)節(jié)Timer的輸出時(shí)間戳的值而達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率的目的。

同時(shí)這個(gè)Timer還提供了Alarm以及Fiper寄存器，Alarm寄存器用以實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定時(shí)間時(shí)輸出脈沖，F(xiàn)iper模塊用以實(shí)現(xiàn)周期性的脈沖輸出，主要用于1PPS信號(hào)的輸出。

在實(shí)際的1588實(shí)現(xiàn)中，在周期性的計(jì)算offset的情況下，會(huì)使用PI控制的方法來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)TCLK_PERIOD與TMR_ADD的值以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的微調(diào)，讓offset能夠保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍以內(nèi)。

RT1180時(shí)鐘同步效果

同步的基本原理上面已經(jīng)介紹過(guò)了，而在i.MX RT1180上，NXP提供的GenAVB/TSN軟件包也可以用于測(cè)量實(shí)際的同步效果，下圖就是基于兩塊RT1180-EVK單跳連接下所測(cè)量出來(lái)的gPTP的同步效果，可以看到offset還是保持在一個(gè)較低的值。

在確定性網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)代，時(shí)間不僅是維度，更是協(xié)作的基石。i.MX RT1180憑借精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步能力，讓每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能“踩準(zhǔn)節(jié)拍”，實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)甚至納秒級(jí)的協(xié)同。

未來(lái)，無(wú)論是智能工廠、車(chē)聯(lián)網(wǎng)，還是能源系統(tǒng)，這種“魔法”都將成為推動(dòng)高效、可靠通信的核心力量。時(shí)序共律，才能奏響工業(yè)互聯(lián)的完美樂(lè)章！