分布式数据采集系统中的时钟同步

文章摘要：（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1 s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（32 MHz）,不便于观察。为了便于演示，主从

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（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1 s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（32 MHz）,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500 μs。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24 h(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20 μs，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。

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