采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)高精度的時鐘頻率同步的方法

引 言

網(wǎng)絡(luò)化運動控制是未來運動控制的發(fā)展趨勢，隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的時間同步精度提出了更高的要求。如造紙機械，運行速度為1 500～1 800m／min，同步運行的電機之間1μs的時間同步誤差將造成30 μm的運動誤差。高速加工中心中加工速度為120 m／min時，伺服電機之間1μs的時間同步誤差，將造成2 μm的加工誤差，影響了加工精度的提高。

分布式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的時鐘通常是采用晶振+計數(shù)器的方式來實現(xiàn)，由于晶振本身的精度以及穩(wěn)定性問題，造成了時間運行的誤差。時鐘同步通常是選定一個節(jié)點時鐘作為主時鐘，其他節(jié)點時鐘作為從時鐘。主節(jié)點周期性地通過報文將主時鐘時間發(fā)送給從節(jié)點，從節(jié)點接收到報文后，以主時鐘為基準進行延遲補償，然后將計算出的新時鐘值賦給從時鐘。這種同步方法造成了從時鐘計數(shù)值的不連續(xù)，即會出現(xiàn)重復(fù)（從時鐘晶振頻率快于主時鐘）或跳躍（從時鐘晶振頻率慢于主時鐘），而且這種方法并沒有從根本上解決時鐘頻率的不同步問題，因此要進一步提高同步精度很困難。本文研究了一種可對頻率進行動態(tài)調(diào)整的時鐘，通過對時鐘頻率的動態(tài)修正，實現(xiàn)主從時鐘頻率的同步，進而實現(xiàn)時間同步。

1 時鐘同步原理

要實現(xiàn)兩個時鐘的同步，一是時鐘的計數(shù)值要相同，二是計數(shù)增長速率要相同。如圖1所示，設(shè)主時鐘的頻率為f，從時鐘頻率在Nn-1到Nn時間段為fn-1，在Nn到Nn+1為fn，SyncDelay為同步報文從主站到從站的延遲時間，可以通過延時測量幀采用往返法測量得到，從時鐘要在Nn+1時刻達到與主時鐘相等，那么有：

因為主時鐘是周期性發(fā)出同步報文，所以有Mn+1-Mn=Mn-Mn-1=T，由式（2）和（3）可得：

kn就是時鐘頻率調(diào)整系數(shù)。在每個同步周期可以計算出頻率調(diào)整系數(shù)，然后通過相應(yīng)的硬件電路來實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

2 可調(diào)頻率的時鐘設(shè)計

可調(diào)頻率時鐘是一種完全由數(shù)字電路組成的時鐘計數(shù)器，構(gòu)造簡單，可以很方便地在FPGA中實現(xiàn)，原理如圖2所示。該頻率可調(diào)時鐘由一個戶位時鐘計數(shù)器，q位累加器和r位頻率補償值寄存器組成。每個晶振周期，累加器與頻率補償寄存器中的FreqCompValue相加，并將結(jié)果保存到累加器。如果累加器發(fā)生溢出，時鐘計數(shù)器的值就增加1；反之，時鐘計數(shù)器保持不變。由此可以看出，晶振頻率和頻率補償值FreqCompValue的大小決定了累加器的溢出速率，也決定了時鐘計數(shù)器的計數(shù)頻率。所以可以通過調(diào)整FreqCompValue來調(diào)節(jié)時鐘頻率。為了實現(xiàn)高精度時鐘，晶振頻率要比時鐘頻率高。設(shè)晶振頻率為FreqOsc，時鐘計數(shù)頻率為FreqClk，分頻比為DivRatio，同步周期為SyncInterval，補償精度為Precision，p、q、r可由下列公式得出：

DivRatio=FreqOsc／FreqClk （5）

在本系統(tǒng)中，取FreqClk為50 MHz，F(xiàn)reqOsc為60MHz，則DivRatio為1．2。當(dāng)同步周期為1 s時，補償精度Precision可選10-9，由公式可選擇r=q=32，p=64。頻率補償初值由下式求出：

FreqCompValue=2q／DivRatio=232／1．2=32d3579139413

在時鐘輸出算法中，該值由頻率調(diào)整系數(shù)動態(tài)調(diào)整：

FreqCompValuen=kn·FreqCompValuen-1 （10）

3 頻率補償算法在FPGA中的實現(xiàn)

由式（4）和式（10）可得：

頻率補償就是在每個同步周期計算FreqCompValuen，F(xiàn)PGA提供了參數(shù)化的乘法器兆函數(shù)（1pm_mult）和除法器兆函數(shù)（1pm_divide），可以快速實現(xiàn)上述算法。原理如圖3所示，在每個同步周期同步信號的驅(qū)使下，鎖存器B和C分別鎖存當(dāng)前時鐘讀數(shù)和上個同步周期時鐘讀數(shù)，同時將主時鐘讀數(shù)輸入到加法器A中，經(jīng)過減法器E、F和乘法器G，以及除法器H后計算出新的FreqCompValuen，并在同步信號的驅(qū)動下，將其鎖存到鎖存器D中。由于中間的計算結(jié)果要經(jīng)過一定的時鐘周期，所以鎖存器D的鎖存信號要延時一定的晶振周期。在本設(shè)計中延時50個FreqOsc，即在《1μs的情況下就可以得到新的頻率補償值。

同步報文的傳輸延遲SyncDelay理論上是不變的，而實際上報文在傳輸過程中有抖動。參考文獻［3］對此進行了分析，并指出同步周期越長，報文傳輸延遲抖動的影響就越小，因此可以忽略不計。

4 實驗驗證

主時鐘采用50 MHz的有源晶振來實現(xiàn)，并將其作為固定時鐘；從時鐘采用30 MHz有源晶振，通過FPGA的鎖相環(huán)PLL將其頻率倍頻到60 MHz，然后1．2分頻，實現(xiàn)可調(diào)頻率的50 MHz時鐘。

讓主時鐘和從時鐘以一定的時間間隔產(chǎn)生中斷，并通過邏輯分析儀采樣中斷信號分析其偏差。由于系統(tǒng)時鐘的分辨率為20 ns，采用廣州致遠電子有限公司的邏輯分析儀LA1532，其最大采樣頻率為100 MHz，所以偏差測量精度可以達到10 ns。圖4（a）是未進行同步前兩個時鐘的偏差分析，X軸表示主時鐘和從時鐘的計時長度，Y軸表示主時鐘和從時鐘的計時偏差。從圖中可以看出兩個時鐘的偏差大概為5×10-6，即1 s內(nèi)的偏差可以達到5μs。圖4（b）為同步后主時鐘和從時鐘偏差測量結(jié)果，共測量1 000次，其10 ms內(nèi)同步偏差在±20 ns。X軸表示測量時間，Y軸表示主從時鐘同步偏差。圖4（c）為同步后兩個從時鐘偏差測量結(jié)果，共測量1 000次，其10 ms內(nèi)同步偏差在±40 ns。X軸表示測量時間，Y軸表示從時鐘之間同步偏差。

結(jié) 語

基于時鐘頻率調(diào)整的時間同步方法，實現(xiàn)簡單，而且沒有復(fù)雜的軟件同步協(xié)議，占用較小的網(wǎng)絡(luò)帶寬就可以實現(xiàn)高精度的時鐘同步，在硬件上只需要低成本的FPGA支持。