基于PTPv2的分布式测量系统高精度时钟同步设计

作     者：周健 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张伟

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：分布式系统 时钟同步 精确时钟协议 延时校正 

摘      要：风洞是一种能人工产生和控制气流的管道设备,是空气动力实验最常用、最有效的工具之一。在其管道内部以动力设备驱动并控制气流,模拟高速物体周围的气体流动,通过部署在风洞内的测量系统测量气流对被测件的物理作用。风洞内部署的测量系统子系统众多,各子系统测量设备、测量对象、测量要求各不相同,但须所有子系统联合测试,共同提供测量数据。因此,要求不同总线类型、不同采集方式的各测量设备均在统一时间基准下运行,使得测量数据具有时间上的一致性和可比性。精确时钟协议(Precision Time Protocol,PTP)由IEEE 1588标准定义,借助网络通信和本地计算等技术实现分布式系统中时钟的高精度同步。填补NTP和GPS都没能很好覆盖到的缺口,专为需要超出NTP的时间精度的本地系统而设计,也没有GPS每个节点都安装GPS信号接收器的高额成本,同时避免了GPS信号不可访问的问题。随着分组交换技术的发展,重新修订的IEEE 1588-2008标准定义了PTP协议的V2版本。本文以部署于国内某大型风洞内测量系统为研究对象,主要进行了如下工作:(1)对目标测量系统的八大子系统的主要测量设备根据电气接口、协议支持、同步精度需求等进行整理和分析,针对性地提出了时钟同步方案和时间戳方案。实验了网络配置和负载对时钟同步的影响,并根据实验结果进行同步网络架构设计,搭建具备相同拓扑结构的实验网络,验证了设计的效果。(2)针对目标测量系统中测力子系统和姿态角测量子系统对采集时间一致性的极高要求,研究两个子系统信号通道的传播延迟的测量和校正方法,设计共享时钟触发调延装置,通过改变时钟和触发信号链路上的相对延时,对目标子系统信号的传播延时进行校正,降低目标系统的采样时间误差。(3)建立数学模型描述PTP时钟同步机制,并结合实际工作情况分析,通过引入影响同步精度的因素对模型进行修正,设计了一种基于稳定快速横向递归最小二乘的自适应干扰补偿PTP时钟同步算法并进行仿真。工作成果包括一套完整的统一时基方案,一种基于FPGA的共享时钟触发调延装置以及一种自适应PTP时钟同步算法。