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　　1.3 同步实现

　　如图2所示,从端发出延迟统计包，主端反馈后，从端求得Delay。在每个整秒左右时刻收到同步包后，进行时钟修正，即从属时钟与主时钟实现了精确同步[5]。

图2 同步过程

　　2 分布式数据采集系统简介

　　分布式数据采集系统属于局域网构架，单元间通过网络进行数据交互,由集线器和微采集系统组成，每个微采集器成为一个独立“单元”。可以支持一主多从的分布式模型：设置其中一个微采集系统作为主单元，其他的作为从单元。分布数据采集系统结构框图如图3所示。

图3 分布数据采集系统结构框图

　　各个单元的设计完全相同，均由一个系统控制板和多个功能板构成。系统控制板是采集器的核心，它控制着单元内的各个功能卡的配置和单元内的数据传输，同时保持与外部通信。功能板用以实现A/D、FIFO处理等功能，用于数据采集和传送。各个单元中的所有板卡皆采用独立时钟。

　　此分布式采集系统中各个单元构成一个星形网。系统控制板成为星形网络中的节点，节点间用网线相连。系统符合协议IEEE802.3、CSMA/CD标准，可以与标准的以太网完美兼容。

　　3 基于FPGA的实现

　　3.1 分布式系统中各个单元的体系结构

　　由于FPGA开发灵活，精度上能达到系统要求，开发周期短，且成本低。系统中各个系统控制板采用FPGA技术，即采用微控制器及其对应的外设接口和相应的软件来实现[6]。利用Nios II处理体系，将系统划分为各个功能模块，并考虑到系统所需的资源和生成代码的大小。设计的系统由以下几部分组成：Altera的Cyclone系列芯片，包括嵌入Nios II软核、系统定时器、同步时钟定时器、DM9000A以及Avalon总线等设计。

　　网络接口芯片DM9000A实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能。系统采用无链接的UDP通信，且采用多个定时器，用于时钟同步和工作周期的制定。

　　3.2 具体软件设计流程

　　同步定时器每秒钟产生一次中断。作为同步时钟，另一个定时器将一个同步周期划分为几个等时段，为工作周期。主从单元通过网络互相交换数据，在每一个系统周期内将各自的数据发送到网络中。为了预防发送时刻点的冲突，在配置信息中注明每个周期该单元的发送时刻。

　　系统有以下几种状态:初始状态、预同步状态、实时工作状态。

　　① 初始状态：分布式系统上电后,主从单元进入初始状态对各项参数进行初始化，注册timer中断和网络中断等。初始化后进入预同步状态。

　　② 预同步状态：主要是每小时进行一次网络延时的测量，然后从端会将自己与主端的一次传输时延保存起来。

　　③ 实时工作状态：预同步完毕后各单元进入实时工作状态。一小时后又再次进入预同步状态。实时工作状态将处理多个线程。

　　（1） 同步线程

　　① 主单元，将同步timer的周期置为1 s的同步约定周期，即每1s产生1次中断。主单元会在每秒到来时刻（中断），发出同步包（syns）。

　　② 从端在接收到同步包后，调整定时器时钟为同步包内时刻与时延之和。

　　（2） 数据传输

　　线程系统在避开同步阶段的时刻进行实时数据的传输，主要是根据系统对各个工作周期的划定。

　　（3） 数据采集和处理线程

　　由系统中各单元的各自任务来决定，不占用网络。对传感器采集数据进行处理，同时也处理网络传送来的数据。

　　4 同步测试

　　在系统的实时工作状态下，验证其同步效果。由于同步定时器产生的脉冲为一个系统时钟宽度（32MHz）,不便于观察。为了便于演示，主从端都在定时器产生的同步时钟上升沿到达时将同步信号置1,主单元在发送完同步包后将同步信号置0；从单元则在收到同步包后将同步信号置0。这样得到的信号与定时器产生的同步时钟是同频的，只是放宽了脉冲宽度。同步效果如图4所示。

图4 同步效果

　　图4 (a)中，每个栅格为500 ms；图4（b）将其放大1 000倍，每栅格为500μs。每幅图中，上面的1通道为主单元同步信号，下面的2通道为从单元同步信号。由图4(a)可见，同步时钟周期为1 024 ms。

　　由于从单元是在收到同步包后，将信号置0，必定滞后于主单元发送同步包时刻（主端将同步信号置0时刻）,从图4(b)中可见，从单元脉冲宽度比主单元宽，因此只需比对同步信号的上升沿。图4（b）是将图像保持时间置为无限，信号上升沿处阴影表示运行时间以来的偏移情况。测试时间为24h(小时)，测量阴影的长度Δx＝20 μs（上升沿偏移），即为同步效果最大的同步偏差可以控制在20 μs以内。

　　5 结论

　　由于系统工作于局域网，借鉴IEEE1588协议思想，提出并实现了简易时钟同步的设想；占用资源少，精度高，可行性高。验证是在实时工作状态下测试的，并将同步偏差控制在20μs，满足时钟同步的要求；同时，以FPGA技术为载体，软件开发平台为Nios II，易于系统移植和功能扩展。鉴于方案的高效和高可行性，可以进一步推广到其他分布式局域网的应用系统中。

　　参考文献

　　[1] 王娜, 慕德俊. 分布式试验系统管理中的时钟同步技术研究[J]. 电子技术应用,2006(12): 25-27.

　　[2] 桂本烜,冯冬芹,褚健,等. IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现[J]. 工业仪表与自动化装置,2006(4):20-23.

　　[3] IEEE1588, Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworkedMeasurementandControl Systems[S],IEEE15882002 Standard, November 2002.

　　[4] Ferrari P,Flammini A, Marioli D,et al. IEEE 1588based Synchronization System for a Displacement Sensor Network[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2006.

　　[5] Depari A, Ferrari P, Flammini A,et al. Evaluation of Timing Characteristics of Industrial Ethernet Networks Synchronized by means of IEEE 1588[C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference,2007.

　　[6] 彭澄廉,周博,等. 挑战SOC——基于NIOS的SOPC设计与实践[M]. 北京: 清华大学出版社,2004: 12-15,148-152.</P>

关键词： 数据采集 分布式 时钟同步 FPGA