前言

    本文說(shuō)明IEEE1588在一個(gè)分散運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前的解決方案依靠分散運(yùn)動(dòng)部件對(duì)時(shí)間同步的專(zhuān)門(mén)實(shí)現(xiàn)。隨著IEEE1588的出現(xiàn)，可以開(kāi)發(fā)一種在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）上使用商用技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。本文要說(shuō)明在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)范例內(nèi)IEEE1588和運(yùn)動(dòng)的基本操作。

    分散運(yùn)動(dòng)控制要求系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間緊密地同步，通常這要求在系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘間的波動(dòng)是微秒數(shù)量級(jí)。更高性能的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)將這個(gè)性能提高到幾分一微秒范圍。當(dāng)前的解決方案是使用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)和接口部件達(dá)到使分散系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的緊密同步。定制的接口卡控制整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的分配和同步以及控制數(shù)據(jù)的定時(shí)傳送。

    IEEE1588時(shí)間協(xié)議提供分布網(wǎng)絡(luò)上的標(biāo)準(zhǔn)化的同步機(jī)制，通過(guò)使用IEEE1588協(xié)議就可在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)上用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案取代專(zhuān)用解決方案。就可用現(xiàn)成的部件代替專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)接口部件。

    現(xiàn)使用IEEE1588協(xié)議和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的分布運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用以演示這個(gè)原理。

    一、以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

    以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

    以太網(wǎng)可以采用多種連接介質(zhì)，包括同軸纜、雙絞線和光纖等。其中雙絞線多用于從主機(jī)到集線器或交換機(jī)的連接，而光纖則主要用于交換機(jī)間的級(jí)聯(lián)和交換機(jī)到路由器間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上。同軸纜作為早期的主要連接介質(zhì)已經(jīng)逐漸趨于淘汰。

    以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波幀聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）機(jī)制。以太網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息，因此，我們說(shuō)以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡(luò)。

    二、IEEE1588協(xié)議簡(jiǎn)介

    以太網(wǎng)在1985年成為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)后，在1995年將數(shù)據(jù)傳輸速度從10Mb/s提高到100Mb/s的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)界也在致力于解決以太網(wǎng)的定時(shí)同步能力不足的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一種軟件方式的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP），提高各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的定時(shí)同步能力。1992年NTP版本的同步準(zhǔn)確度可以達(dá)到200μs,但是仍然不能滿足測(cè)量?jī)x器和工業(yè)控制所需的準(zhǔn)確度。為了解決測(cè)量和控制應(yīng)用的分布網(wǎng)絡(luò)定時(shí)同步的需要，具有共同利益的信息技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能、測(cè)試測(cè)量的工程技術(shù)人員在2000年底倡議成立網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)，2001年中獲得IEEE儀器和測(cè)量委員會(huì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的支持，該委員會(huì)起草的規(guī)范在2002年底獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過(guò)作為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)。

    IEEE1588的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”,IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的草案基礎(chǔ)來(lái)自惠普公司的1990至1998年的有關(guān)成果，換句語(yǔ)說(shuō)，安捷倫科技對(duì)IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)作出重要貢獻(xiàn)。安捷倫實(shí)驗(yàn)室的資深研究員John Eidson被網(wǎng)絡(luò)業(yè)界視為，他的“IEEE1588在測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用”,以及“IEEE1588:在測(cè)控和通信的應(yīng)用”兩篇論文對(duì)IEEE1588協(xié)議有精辟和全面的介紹。IEEE1588協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，在起草過(guò)程中主要參考以太網(wǎng)來(lái)編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)?；緲?gòu)思是通過(guò)硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，提供同步建立時(shí)間小于10μs的運(yùn)用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)延遲時(shí)間1,000μs相比，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定時(shí)同步指標(biāo)有顯著的改善。

    IEEE1588的特點(diǎn)：

    ·早期的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）只有軟件，而IEEE1588既使用軟件，亦同時(shí)使用硬件和軟件配合，獲得更的定時(shí)同步；

    ·GPIB總線沒(méi)有同步時(shí)鐘傳送，依靠并行電纜和限制電纜長(zhǎng)度（每器件距離）不超過(guò)5m來(lái)保證延遲小于30μs;

    ·GPIB的數(shù)據(jù)線與控制線是分開(kāi)的，VXI和PXI兩種總線分別在VME和PCI計(jì)算機(jī)總線上擴(kuò)展，都要增加時(shí)鐘線。IEEE1588無(wú)需額外的時(shí)鐘線，仍然使用原來(lái)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線傳送時(shí)鐘信號(hào)，使組網(wǎng)連接簡(jiǎn)化和降低成本；

    ·時(shí)鐘振蕩器隨時(shí)間產(chǎn)生漂移，需要標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)系統(tǒng)作校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程要縮短和安全可靠。目前常用的有GPS（定位系統(tǒng)）和IRIG?B（國(guó)際通用時(shí)間格式碼），IRIG?B每秒發(fā)送一個(gè)幀脈沖和10MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)主控機(jī)/客戶機(jī)的時(shí)鐘同步。IEEE1588采用時(shí)間分布機(jī)制和時(shí)間調(diào)度概念，客戶機(jī)可使用普通振蕩器，通過(guò)軟件調(diào)度與主控機(jī)的主時(shí)鐘保持同步，過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，節(jié)約大量時(shí)鐘電纜；

    三、采用IEEE1588協(xié)議的意義

    采用IEEE1588協(xié)議 的以太網(wǎng)，解決了通用以太網(wǎng)延遲時(shí)間長(zhǎng)和同步能力差的瓶頸，顯然在測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的應(yīng)用中將發(fā)揮更大作用。事實(shí)上，以太網(wǎng)的儀器擴(kuò)展接口LXI就是以采用IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)作為骨干的儀器應(yīng)用，再配備測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)所需的其它條件，組成吸收了GPIB到VXI和PXI的特點(diǎn)而構(gòu)建的新一代測(cè)量?jī)x器接口。

    四、范例運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

    范例運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)控制器組成，每個(gè)控制器通過(guò)一個(gè)SERCOS適配器連接一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。SERCOS是連接數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。所有的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)都用以太網(wǎng)卡連接到標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。

    調(diào)節(jié)器內(nèi)的“運(yùn)動(dòng)計(jì)劃器”管理每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的位置信息，以控制點(diǎn)動(dòng)、移動(dòng)、和聯(lián)動(dòng)操作。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，其中一個(gè)軸是主軸，其它兩個(gè)為從動(dòng)軸。每個(gè)從動(dòng)軸都與主軸以1:1的比率聯(lián)動(dòng)。連接到主軸的控制器以一定時(shí)間間隔向連接到從動(dòng)軸的控制器發(fā)送位置基準(zhǔn)。

    在系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是同步的，它使用IEEE1588協(xié)議達(dá)到以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步。在底板上的時(shí)鐘同步是用先與IEEE1588的專(zhuān)用協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

    五、網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步

    網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步是在以太網(wǎng)適配卡上實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)適配卡包含一個(gè)FPGA硬件輔助電路，用于對(duì)進(jìn)入和輸出的IEEE1588協(xié)議報(bào)文打上時(shí)間印記。這個(gè)FPGA包含一個(gè)64位，每片25納秒的高分辨率的可調(diào)諧時(shí)鐘。

    1588協(xié)議運(yùn)行在一個(gè)50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協(xié)議的規(guī)定的FPGA交互作用使從站的時(shí)間與子網(wǎng)上與此相關(guān)的主站時(shí)鐘同步。調(diào)諧算法在每個(gè)1588同步刷新周期調(diào)節(jié)這個(gè)FPGA可調(diào)諧時(shí)鐘的頻率。

    這個(gè)適配器也包含一個(gè)連接底版的接口芯片，底版芯片的時(shí)鐘與1588時(shí)鐘同步。在這個(gè)適配器上的底版接口作為主時(shí)鐘，在底版上的其它時(shí)鐘都與這個(gè)適配器上的主時(shí)鐘同步。底版時(shí)鐘與1588時(shí)鐘的同步使用一個(gè)簡(jiǎn)單的算法。這個(gè)適配器表示一個(gè)1588邊界時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)而底版時(shí)鐘劃為“外部”時(shí)鐘。

    六、運(yùn)動(dòng)的同步

    基本的運(yùn)動(dòng)控制要求在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)的運(yùn)行要與其它所有節(jié)點(diǎn)同步。節(jié)點(diǎn)之間的所有事務(wù)都建立在同步刷新周期基礎(chǔ)上。對(duì)控制器與傳動(dòng)和控制器與控制器之間的兩種事務(wù)是相同的。

    控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)的事務(wù)：在周期的開(kāi)始控制器發(fā)送插值位置刷新每個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器使用這個(gè)位置刷新值控制電機(jī)的閉環(huán)位置和速度，每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器向控制器返回它的實(shí)際位置，控制器計(jì)算一個(gè)新位置并周期重復(fù)，這個(gè)操作持續(xù)一個(gè)位置刷新周期。

    控制器對(duì)控制器的事務(wù)：在周期的開(kāi)始，主軸控制器向每個(gè)從動(dòng)軸發(fā)送位置基準(zhǔn)，每個(gè)從動(dòng)軸的控制器用這個(gè)位置基準(zhǔn)計(jì)劃本軸的運(yùn)動(dòng)。

    為了同步整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)任務(wù)和位置的刷新要與1588時(shí)鐘同步，F(xiàn)PGA內(nèi)的一個(gè)小電路提供對(duì)CPU的周期中斷來(lái)觸發(fā)這個(gè)位置刷新周期。這個(gè)電路將一個(gè)裝入目標(biāo)寄存器的時(shí)間與當(dāng)前的1588時(shí)鐘時(shí)間比較，在當(dāng)前時(shí)間與目標(biāo)時(shí)間符合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。在這個(gè)中斷子程序內(nèi)，CPU還會(huì)裝入一個(gè)新的目標(biāo)時(shí)間，它等于當(dāng)前目標(biāo)時(shí)間加上周期時(shí)間，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程。周期時(shí)間和相位是在節(jié)點(diǎn)配置過(guò)程中設(shè)置的。

    七、IEEE1588的實(shí)現(xiàn)

    IEEE1588協(xié)議是一個(gè)運(yùn)行在適配器上的C/C++工具，大多數(shù)IEEE1588協(xié)議的實(shí)現(xiàn)包括同步，診斷，延時(shí)請(qǐng)求，延時(shí)響應(yīng)和報(bào)文管理。1588引導(dǎo)協(xié)議用于在啟動(dòng)時(shí)加快時(shí)間從站的時(shí)鐘同步。實(shí)現(xiàn)8個(gè)同步報(bào)文的引導(dǎo)。

    這里未提供“主站”算法，本系統(tǒng)使用“推薦”主站選擇方法決定子網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘。在啟動(dòng)時(shí)從站時(shí)鐘無(wú)限期地收聽(tīng)主時(shí)鐘。從時(shí)鐘永遠(yuǎn)不會(huì)成為主時(shí)鐘。也不會(huì)任命一個(gè)以上“推薦”主站。

    為主時(shí)鐘完整性的監(jiān)視提供某些支持，如果一個(gè)從時(shí)鐘發(fā)現(xiàn)失去主時(shí)鐘，它將停止它的底版時(shí)鐘，這將引起SERCOS適配器關(guān)閉SERCOS環(huán)路，并且所有運(yùn)動(dòng)停止。

    八、輸出同步

    在范例應(yīng)用中需要根據(jù)主軸的位置地接通或斷開(kāi)一個(gè)輸出。用這個(gè)輸出觸發(fā)一個(gè)選通燈，照亮所有三個(gè)軸的相位。為了達(dá)到的輸出閘門(mén)，使用一個(gè)特別的輸出組件，它的時(shí)鐘與系統(tǒng)中的其余時(shí)鐘同步，由控制器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃器向這個(gè)組件發(fā)送一個(gè)輸出值，這個(gè)值帶著時(shí)間標(biāo)記指示釋放輸出或停止輸出的時(shí)間。輸出組件使用先前說(shuō)明過(guò)的任務(wù)同步電路管理輸出的“定時(shí)”以達(dá)到的輸出時(shí)間。

    九、主時(shí)鐘是GPS

    GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘以GPS信號(hào)作為時(shí)間源，同時(shí)可選北斗、CDMA、B碼等時(shí)間源，對(duì)時(shí)達(dá)30nS.GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘采用表面貼裝技術(shù)生產(chǎn)，以高速芯片進(jìn)行控制，具有高、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)、無(wú)積累誤差、不受地域氣候等環(huán)境條件限制、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、免維護(hù)等特點(diǎn)，適合無(wú)人值守。

    GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘參考源是一款高性能GPS同步時(shí)鐘參考源，內(nèi)置低相位噪聲、低頻率漂移高穩(wěn)定度的恒溫晶振OCXO和高授時(shí)型GPS接收機(jī)，采用大規(guī)模集成電路和獨(dú)特的GPS頻率測(cè)控技術(shù)，產(chǎn)生并發(fā)送穩(wěn)定的時(shí)間（1PPS）和頻率信號(hào)（10MHz頻率輸出準(zhǔn)確度<1x10-12），為可以為數(shù)字電視廣播領(lǐng)域單頻網(wǎng)適配器、上變頻器、發(fā)射機(jī)、復(fù)用器、精密偏置激勵(lì)器等設(shè)備提供高的時(shí)間和頻率參考信號(hào)。

    GPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的特點(diǎn)：

    1、1pps信號(hào)與10MHz信號(hào)相位一致

    2、高效的智能保持算法

    3、高準(zhǔn)確度，24小時(shí)平均值優(yōu)于1 x10-12

    4、液晶和指示燈智能顯示

    5、多路10MHz和1PPS信號(hào)輸出

    6、高性能工業(yè)級(jí)元器件，穩(wěn)定可靠，MTBF>80000小時(shí)

    本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)范例的啟動(dòng)時(shí)間缺省為時(shí)間為0的UTC時(shí)間。對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常不需要時(shí)間，但對(duì)一些明顯的事件如故障條件，時(shí)間標(biāo)記可能很有用處。所以這里集成了一個(gè)定位系統(tǒng)（GPS）接口，用于提供的UTC時(shí)間源。并用作系統(tǒng)的主時(shí)鐘。這個(gè)接口集成在以太網(wǎng)適配器模塊上，適配器上的算法從GPS接收器接收“秒脈沖”和UTC刷新，并調(diào)節(jié)它的本地時(shí)鐘維持與GPS的同步。

    十、總結(jié)

    IEEE1588協(xié)議在以太網(wǎng)分布運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用例子是可靠和的應(yīng)用。硬件輔助電路提供的主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的起伏不大于200納秒。當(dāng)使用GPS作為主時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)，在從時(shí)鐘的累計(jì)波動(dòng)為500納秒。如果耒自GPS接收器的秒脈沖信號(hào)的邊沿不清晰，還會(huì)產(chǎn)生附加的波動(dòng)。

    本例子展示的是一個(gè)相對(duì)較小的系統(tǒng)，還需要更大的范例和在各種負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)試。 這是開(kāi)發(fā)CIP Sync同步原理工作中的結(jié)果。