提升PTP点对点授时精度的方法和授时装置与流程

本技术涉及ptp授时，特别是涉及一种提升ptp点对点授时精度的方法和授时装置。

背景技术：

1、ptp(precision time protocol，精确时间协议)是一种时间同步的协议，遵循ieee 1588v2协议标准，用于设备之间的高精度时间同步，ptp应用非常广泛，例如电力系统，工业控制，基站同步，音视频网桥，军事应用等。能够实现亚微秒级别的时间同步，具有高精度和高稳定性的优点，目前对ptp点对点授时指标通常要优于≤50ns。ptp授时精度是一个重要指标，影响授时精度因素有：报文时间戳精确性，网络链路时延不确定性、系统的固定延迟、时钟晶振的稳定性、时间戳分辨率等。

2、ptp授时装置是软件和硬件结合的方式实现主时钟授时工作模式。常规ptp授时装置如图1所示，硬件目前主要采用的都是基于arm处理器和phy芯片实现ieee 1588v2方案，协议功能实现简单，但是ptp授时精度差异很大。arm处理器的工作时钟选用的是石英晶振，晶振频率受老化、温度变化等影响，直接影响ptp1588时钟精确度。选用的phy芯片很多都是不支持ieee 1588v2功能，这样会导致ptp授时精度指标很差，ptp1588时钟在arm处理器的以太网mac中处理和实现，如果arm主频不高，ptp报文所需的ptp1588时钟分辨率很难达到很高。对于ptp授时装置点对点的授时，网络传输距离短，网络路径延迟不确定性影响小，但是ptp1588时钟同步精度、ptp报文获取时间戳方式和时间戳分辨率、装置的固定延迟决定了授时精度的指标优劣。

3、小系统时钟同步采用ptp授时，通常都有点对点授时精度指标要求，目前指标测试存在很大误差，基本没有考虑系统的固定延迟对点对点授时精度的影响，如果严格测试ptp授时装置的点对点授时精度，会远远超出常规的优于≤50ns或者是优于≤100ns这个指标。

4、目前很多行业应用ptp授时装置需要自适应1000m/100m/10mbit/s以太网口，例如采用dp83640可以在物理层打时标实现ieee 1588v2，但是dp83640通过mii接口与arm相连，硬件实现的是100m/10mbit/s网络接口，无法自适应1000mbit/s网络接口，硬件接口在行业应用存在局限性。

5、现有ptp授时装置建立ptp1588时钟的方式是把参考的1pps给到ptp1588时钟作为时间基准参考，每秒通过不断调整和修正ptp1588时钟使得ptp1588时钟计数值对齐参考1pps这个时间基准，这样会导致内部的ptp1588时钟调整精度不够高或者频繁调整内部的ptp1588时钟，也会影响ptp授时装置的点对点授时精度。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种提升ptp点对点授时精度的方法和授时装置。

2、一种提升ptp点对点授时精度方法，该方法包括：

3、采用北斗接收机获取nema0183格式数据和北斗时间基准。

4、利用主控模块对nema0183格式数据进行解析，得到标准时间。

5、主控模块根据北斗时间基准对恒温晶振进行驯服。

6、将恒温晶振倍频至预定频率后作为ptp1588时钟的频率源。

7、根据ptp1588时钟的频率源在物理层建立ptp1588时钟；物理层包括支持ieee1588v2功能的phy芯片。

8、对ptp1588时钟与标准时间和北斗时间基准进行时间和频率的同步。

9、对ptp装置影响点对点授时精度的固定延迟进行修正。

10、利用固定延迟修正后的ptp授时装置采用ptp协议进行点对点授时，从时钟实现本地时间的同步。

11、在其中一个实施例中，将恒温晶振倍频至预定频率后作为ptp1588时钟的频率源，包括：

12、将恒温晶振采用pll倍频模块倍频至第一频率后输入到主控模块中，主控模块将第一频率的时钟信号倍频至预定频率。

13、将预定频率的时钟信号作为ptp1588时钟的频率源。

14、在其中一个实施例中，ptp授时装置支持外1pps、外10mhz输入和外tod输入；对ptp装置影响点对点授时精度的固定延迟进行修正，包括：

15、将共视授时服务器接入授时服务平台，共视授时服务器输出10mhz信号、1pps信号以及tod信号至ptp授时装置，将ptp1588时钟同步到共视授时服务器溯源的时间基准。

16、将共视授时服务器输出的标准时间基准1pps作为时间间隔计数器的参考输入。

17、调整ptp专业测试设备的天线延迟，使得测试设备输出的时间基准1pps信号与共视授时服务器输出的标准时间基准秒内偏差达到皮秒级。

18、采用ptp授时装置给ptp专业测试设备授时，在测试设备上读出主、从时钟的秒内偏差，秒内偏差为固定延迟tdelay。

19、在ptp报文中对固定延迟进行修正。

20、在其中一个实施例中，在ptp报文中对固定延迟进行修正，包括：

21、将固定延迟累加到sync报文的修正域中，得到新的sync报文修正域的值。

22、根据ptp报文中的时间戳记录、新的sync报文修正域的值、follow_up报文修正域的值和点对点装置的网络链路对称传输延迟，确定主、从时钟的时间偏差为：

23、

24、其中，toffset表示主、从时钟的时间偏差，t2表示从时钟接收到sync报文的时间戳t2，t1表示主时钟发送sync报文的时间戳t1，tdelay表示点对点装置的网络链路对称传输延迟，tsync_correcet表示新的sync报文修正域的值，tfollow_up_correcet表示follow_up报文修正域的值；

25、根据主、从时钟的时间偏差，ptp从时钟将时间修正调整到与主时钟一致。

26、在其中一个实施例中，主控模块为zynq最小系统；对ptp1588时钟与标准时间和北斗时间基准进行时间和频率的同步，包括：

27、在pl端通过时间间隔测量方法测量恒温晶振分频输出的1pps信号与标准时间基准1pps信号相位差，将测量的时差结果转换为dac输出的压控电压给到恒温晶振的压控管脚，然后采用pid算法对恒温晶振进行驯服控制，实现恒温晶振分频输出的1pps信号与标准时间基准的1pps信号对齐。

28、在pl端通过时间间隔测量方法测量恒温晶振分频输出的1pps信号与ptp1588时钟输出的1pps信号相位差，通过zynq最小系统的ps端的arm处理器的mdio/mdc接口，对phy芯片的寄存器进行赋值调整秒内偏差，使得ptp1588时钟输出的1pps信号与恒温晶振分频输出的1pps实现了秒内对齐；

29、在标准时间基准1pps信号上升沿后，将标准时间信息转换为协调世界时utc的总秒数，通过mdio/mdc接口对phy芯片的寄存器进行直接初始化赋值和调整，使得寄存器的计数值与总秒数相同，实现整秒同步。

30、一种高精度ptp授时装置，装置包括：主控模块、北斗接收机、pll倍频模块、恒温晶振、时钟驱动模块、外部信号接口、以及支持ieee 1588v2功能的phy芯片。

31、北斗接收机通过串口将nema0183格式数据传输到主控模块，北斗接收机的北斗时间基准1pps信号连接到主控模块上；恒温晶振的输出端与pll倍频模块的输入端连接，pll倍频模块的输出端与主控模块连接，主控模块的时钟信号输出端与phy芯片连接，phy芯片通过rgmii和mio/mdc与主控模块连接；phy芯片输出ptp1588时间基准1pps信号至时钟驱动模块，时钟驱动模块的第一输出端与主控模块连接，时钟驱动模块的第二输出端用于输出ptp1588时间基准1pps信号。

32、主控模块用于根据北斗时间基准输出压控信号的数字信号，通过dac转换后对恒温晶振进行驯服；还用于将pll倍频模块输出的时钟信号通过内部pll倍频模块倍频至预定频率后作为ptp1588时钟的频率源；根据ptp1588时钟的频率源在物理层建立ptp1588时钟，对ptp1588时钟与标准时间和北斗时间基准进行时间和频率的同步；运行lwip协议栈，进行ptp协议处理并对ptp装置影响点对点授时精度的固定延迟进行修正；在固定延迟修正后运行ptp1588v2软件采用ptp协议进行点对点授时，从时钟实现本地时间的同步。

33、主控模块还支持外1pps、外时钟信号以及外tod信号。

34、在其中一个实施例中，主控模块包括：ps端arm处理器、pl端的fpga模块、ddr3存储控制器、uart控制器以及外部接口模块；

35、arm处理器运行1wip协议栈，用于ptp协议处理和在报文中对固定延迟进行修正。

36、arm处理器还用于根据北斗时间基准输出压控信号的数字信号，通过dac转换后对恒温晶振进行驯服；pl端的fpga模块用于将外部pll倍频模块输出的时钟信号通过内部pll倍频模块倍频至预定频率后作为ptp1588时钟的频率源；

37、外部接口模块用于接收外1pps、外时钟信号以及外tod信号

38、在其中一个实施例中，对固定延迟修正采用的模块包括共视授时服务器、ptp专用测试设备以及时间间隔计数器：

39、共视授时服务器输出10mhz信号、1pps信号、tod信号至外部信号接口，共视授时服务器输出标准时间基准1pps信号至时间间隔计数器，时钟驱动模块的第二输出端输出ptp1588时间基准1pps信号至时间间隔计数器，高精度ptp授时装置通过网络对ptp专用测试设备进行授时，ptp专用测试设备输出测试设备时间基准1pps信号。

40、时间间隔计数器用于观测ptp授时装置和ptp专用测试设备时间基准秒内偏差是否接近零。

41、在其中一个实施例中，arm处理器，还用于将固定延迟累加到sync报文的修正域中，得到新的sync报文修正域的值；根据ptp报文中的时间戳记录、新的sync报文修正域的值、follow_up报文修正域的值和点对点装置的网络链路对称传输延迟，确定主、从时钟的时间偏差为：

42、

43、其中，toffset表示主、从时钟的时间偏差，t2表示从时钟接收到sync报文的时间戳t2，t1表示主时钟发送sync报文的时间戳t1，tdelay表示点对点装置的网络链路对称传输延迟，tsync_correcet表示新的sync报文修正域的值，tfollow_up_correcet表示follow_up报文修正域的值；

44、根据主、从时钟的时间偏差，ptp从时钟将时间修正调整到与主时钟一致。在其中一个实施例中，主控模块为zynq最小系统；ptp1588时钟同步方法包括：

45、在pl端通过时间间隔测量方法测量恒温晶振分频输出的1pps信号与标准时间基准1pps信号相位差，将测量的时差结果转换为dac输出的压控电压给到恒温晶振的压控管脚，然后采用pid算法对恒温晶振进行驯服控制，实现恒温晶振分频输出的1pps信号与标准时间基准的1pps信号对齐。

46、在pl端通过时间间隔测量方法测量恒温晶振分频输出的1pps信号与ptp1588时钟输出的1pps信号相位差，通过zynq最小系统的ps端的arm处理器的mdio/mdc接口，对phy芯片的寄存器进行赋值调整秒内偏差，使得ptp1588时钟输出的1pps信号与恒温晶振分频输出的1pps实现了秒内对齐；

47、在标准时间基准1pps信号上升沿后，将标准时间信息转换为协调世界时utc的总秒数，通过mdio/mdc接口对phy芯片的寄存器进行直接初始化赋值和调整，使得寄存器的计数值与总秒数相同，实现整秒同步。

48、上述提升ptp授时精度的方法和高精度ptp授时装置，所述方法包括：采用北斗接收机获取nema0183格式数据和北斗时间基准；利用主控模块对nema0183格式数据进行解析，得到标准时间；主控模块根据北斗时间基准对恒温晶振进行驯服；将恒温晶振倍频至预定频率后作为ptp1588时钟的频率源；根据ptp1588时钟的频率源在物理层建立ptp1588时钟；对ptp1588时钟与标准时间和北斗时间基准进行时间和频率的同步；对ptp装置影响点对点授时精度的固定延迟进行修正；利用固定延迟修正后的ptp授时装置采用ptp协议进行点对点授时，从时钟实现本地时间的同步。本方法采用物理层建立的ptp1588时钟，并采用共视授时服务器溯源高精度时间基准，提高了ptp授时装置点对点授时精度。