数据采集和测试中的精密时钟协议

在过去的数十年中,多种不同的时间机制来用于设备间时间同步。第一个基于以太网的时间同步标准协议 (NTP) 建立于 1982 年,1994 NTP 版本 4 进行了一次重要的更新,用于实现本地和公共公共主源时间同步。

追溯到 1956 年, 国际设备集团 (IRIG) B 时间代码是另外一个分布式系统同步选择。基于卫星的接收器通常采用这个协议。在这个协议中,时间信息采用模拟或数字信号传递。

FireWire 需要追溯到 1985 年,到 2002年 成为为 IEEE1394b 标准,可以建立易用的,自动时间同步机制。这个协议在专业和普通用户市场获得了广泛地接受,例如,所有的 HBM QuantumX 放大器 均提供两个 FireWire 接口。 

所有的标准,包括 NTP, IRIG B, 和 IEEE1494b, 都需要一个基于以太网的时间同步结构 - 更高的灵活性,更低的费用。以太网是事实上的全球标准,用于人与人,以及设备之间通讯,包括移动网络,例如 LTE, EDGE 或 GSM。


时间同步的精度

我们需要时钟来进行各种社会活动。很多股票高速交易系统,仅相差数微妙。在测试和测量领域,高精度时间戳信号代表着物理过程被精确获取,影响着后续的分析和处理过程。当然还需要根据不同的应用来定义时钟精度。

绝对时间和相对时间有什么不同?

当测量数据需要匹配一个真实事件或是两个或更多的数据采集系统不在同一网络下,需要采用 绝对时间。绝对时间是通过 时钟 来表示的。

绝对时间源 可以是:

  • 精密时间协议(PTP) Grandmaster 钟
    • 用于实验室 - 来自Meinberg 公司(基于GPS)
    • 移动应用 - 来自 OMICRON公司(基于GPS)
  • GPS 传感器
    • 直接使用来自 GPS 传感器的精密定位服务 (PPS)
    • 数据采集开始时,撑死用基于协议的绝对时钟
  • 网络时间协议 (NTP) 主机
    • 通过互联网进入,例如 NIST (http://tf.nist.gov/tf-cgi/servers.cgi)
    • 基于 GPS,来自 Hopf 或 Meinberg 公司
    • 通过操作系统的绝对时间
  • 低频发射无线电信号
    • 例如来自 DCF-77 (原子钟) ,位于德国 PTB
  • 简单网络时间协议(SNTP)时间服务器

大多数测量应用或过程都可以使用 相对系统时间, 特别是测试时可重复的,并且重要的是信号间的相互定时。如果需要,绝对时间也是元数据的一部分。

很多时候时间精度包括反应,延迟或实时。例如 EtherCAT, ProfiNET, EtherNET/IP 等现场总线等。

数据采集实时系统需要考虑些什么?

在测试和测量中,我们需要处理多种不同的应用。其中一方面需要同步测量和数据分析。例如结构载荷测试,车辆测试和道路载荷数据分析 (RLDA) 或是桥梁监控。以下列表提供了一些关键因素:

  • 一些应用采样率高达 100 kS/s,在这些应用中,实时响应不是主要标准,很多情况是不可能的。会增加复杂性和降低自由度。
  • 高精度一起采用 24 Bit AD 转换,滤波会引起相移和时间延迟。实时应用需要非常(1st 实时信号, 2nd h高速时间戳和滤波数据)。
  • “分析” 和 “控制” 有不同的特征,工作流,目的和功能。将这两个在一个解决方案中组合会引起冲突。因此,当同时需要控制和分析时,分离责任和工作流非常重要。
  • 目前全球海没有高性能实时总线标准。所有的解决方案例如 ProfiNET RT, EtherCAT 等都是由厂家自己定义和支持的。时间敏感协议(TSN) 正在制定 IEEE 标准化实时以太网总线协议,IEEE802.1AS 部分提供了全球标准。数据采集系统往往通过网关来连接不同的总线协议。
  • 实时需要一个实时运行的主机。很多情况是没有选项停止主机。

实时和时间延迟意味着什么?

实时意味着确定性的行为 –  “决定” 或 “响应” 需要在特定的时间框架下完成,通常主要用于控制或自动化任务(传感器 -> 控制算法 -> 反应 / 执行器)。

时间延迟对于控制算法是需要考虑的一方面。实时控制应用需要非常低的从传感器到控制器延迟时间。对于非确定性的协议,例如Ethernet TCP/IP, CANbus 等,时间延迟是可变的。 时间延迟对于将数据发动到实时控制器是有意义的,但不需要考虑和数据值同时发动的时间戳。


什么是精密时间协议 - IEEE1588:2008 或 PTPv2 如何工作?

PTP 是一个国际标准协议,在 IEEE1588 中描述,并于 2008 升级到版本 2。精密时间协议 (PTPv2) 是一个基于网络的时间同步通讯协议,提供亚微妙级的精度。PTPv2 基于以太网,NTP, PTPv2 被嵌入于物理层,可以实现硬件级时间戳。 

PTPv2 采用相对时间同步机制。一个参与者被选作主时间钟,其将发送同步信息到从站。主站将发送同步报文到网络。所有的从站计算时间延迟,时间差小于 2 µs。由于网络发送报文有时间延迟, 所有需要进行补偿,如下图显示。

  1. 主时钟发送同步报文,同步报文离开主站的时间戳为 t1, 其可以嵌入到同步报文中 (一步操作) 或者通过 Follow_Up 报文发送 (两步操作).
  2. 从站收到报文的时间戳为  t2。
  3. 从站发送Delay_Req 报文,时间戳为 t3, t4 为主站收到报文的时间戳。
  4. 主站通过 Delay_Resp 报文响应,其包含时间戳 t4。

Example: the master time initially is 100 seconds and the slave time is 80 seconds. This is how time would be adjusted in the slave.

所有的 PTP 参与者都需要采用 PTP; 这包括以太网网关,淡不包括数据宿(数据采集软件)。数据采集模块的时钟被命名为 普通时钟。 网关中的时钟为 边界时钟。如果没有权威时钟传递绝对时间,主机中的时钟自动选择,这种机制成为 最佳主时钟算法 (BMC).

一些数据采集系统采用线性或是环形拓扑结构和网关连接,这样边界时钟采用自己的时钟控制环。这称为 透明时钟 (TC) ,其允许采用 端对端(E2E) 同步控制和后续报文。,这是修正可变网关延迟的更简单的解决方案。这种方法主要策略 PTP 事件在网关中的扩散时间 (也称滞留时间)。滞留时间通过报文报告给接收器。这种方法的优势是:

  • 无需配置: 透明时钟不需要计算时间延迟,也不需要发送和接收管理报文。
  • 出现故障时,迅速重新配置。
  • 更快的设置时间: 拓扑结构变化后,透明时钟无需和主时钟进行重新同步。

透明时钟 采用 对等网络(P2P) ,当连接子网时更容易扩展。具有极高的拓展性,可以实现深级拓扑。

PTPv2 的优势

  • 其可实现不同设备类型设备之间的时间同步
  • 设备之间的距离更长。
  • 不同 HBM 产品之间实现同步。 QuantumX, SomatXR 和 Genesis High Speed 均支持 PTPv2 :
  • 更高的时间精度,达到亚微妙。
  • 采用以太网作为标准
    • 电气: 采用标准以太网电缆,距离可达 100 m
    • 光纤: 更长距离 (数公里)
  • 简单,管理方便
    • 主站自动选择
    • 更容易应对主机失效 (智能从站)
    • 更容易应对拓扑变化
    • 连续时间 (时间戳无 “跳跃” )
  • 如果需要可采用绝对时间
    • 基于 GPS 的权威时钟可以被集成并作为标准绝对时钟。

测量设备采用 PTP 时钟同步的典型应用

以下是测量设备采用 PTP 的典型应用:

  • 分布式数据采集网络:
    • 大型车辆的移动测试: 刹车,动态性,结构等
    • 飞机测试: 机械 (铁鸟), 结构 (耐久性)
    • 大型结构监控: 桥梁,塔,发电站
  • 混合式数据采集系统:
    • 电动或混合动力测试,包括高速数据采集系统 Genesis High Speed 采集电流和电压,QuantumX 采集机械量和温度信号
    • 飞机测试: 电气 (铜鸟)
    • 发电机测试: 电气,机械和热信号
    • 采用摄像机,车轮力传感器进行移动车辆测试,或数字车辆总线数据
    • 搭配不同的数据采集系统

Widely distributed DAQ system topology based on QuantumX 

 

Hybrid DAQ system Genesis High Speed and QuantumX

PTP 在数据采集软件中的参数化过程

QuantumX 支持不同的时间同步机制。在设置网络时,需要进行参数化。默认或自动时钟机制为火线,另外你可以选择以下同步机制:

  • PTPv2
  • NTP
  • IRIG-B
  • EtherCAT

你可以使用 catmanEasy, MX Assistant 或 perception 进行 PTPv2 参数化设置。

推荐使用的以太网 PTP 网关和权威时钟

在选择 PTPv2 网关时以下是必须的:

  • 支持 IEEE1588:2008 (PTPv2)
  • 透明时钟 (TC)
  • 延迟机制: 端到端  (E2E) 或 对等网络 (P2P)
  • 传输机制 : IPv4 或 IPv6

推荐的网关 

  • HBM: Gigabit Ethernet Switch EX23-R:
    • 系统设计: 坚固,户外版本,带有 10 个接口, 10-30 V DC , IP65/IP67, 防震
    • 延迟机制: E2E
    • 传输机制: IPv4, IPv6.
  • Siemens:  Scalance XR324-12M
    • System design: rack-size variant with up to 16 ports (electrical or optical)
    • Delay Mechanism:  E2E
    • Transport Mechanism:  IPv4/UDP
    • Mode: Transparent Clock
  • Hirschmann: RSP Ethernet switch
    • System design: DIN rail mounted with 11 ports in total
    • Delay Mechanism: E2E
  • Oregano Systems:  syn1588® Gbit Ethernet switch
    • System design: Desktop variant with 8 ports
    •  Delay Mechanism: 1-step with E2E
    • Transport Mechanism  :  IP4 (IPv6 has not been tested)
    • Mode: Transparent Clock (no parameterization)
  • B&K: PTPv2 Switch in the LAN-XI series
    • System design: Desktop with 8 ports electrical and 2 optical

其他网关, 以下未进行验证:

  • CISCO: IE 3000 Switch
  • MOXA: PT-7728-PTP Rack Type Switch
  • MOXA: EDS-405A-PTP Series

推荐的以太网权威时钟

内置权威时钟并不是必要地,但在需要绝对时钟时是必须的

  • Meinberg: LANTIME M600 - IEEE 1588-2008 Grandmaster Clock (GPS based)
    • System design: rack mounted solution, 110 – 230 V AC supply
    • Ports: 6 in total (RJ45)
  • Omicron: OTMC 100 (integrated GPS)
    • System design: small, for outdoor installations (IP67, 24 V DC supply, -40°C … +70°C / -40°F ... +158°F)
    • Ports: 1 in total, support of Power over Ethernet (PoE) according to IEEE 802.3af with < 2 W.
  • Your PC can be used as Grandmaster Clock as well 
    • We then recommend using a network adapter with Intel i210 chip. 

PTPv2 是否向下兼容 PTPv1?

PTP 版本 1 主要用于测试测量和工业自动化。这是一个用于 LAN 的多播协议,性能超过 NTP.

PTP 版本2 或 IEEE-1588-2008 是版本 1 的增强版。和版本1不兼容。PTPv2 标准功能包括:

  • 多播报文
  • 两步时钟
  • 对等网络 (P2P) 或是 (E2E) 延迟机制
  • 同步间隔: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 或 128 包/秒
  • 延迟请求间隔: 1, 2, 4, 8 或 16 秒
  • 传输协议支持: IPv4 和 IPv6

使用 PTPv2 能达到何种精度?

时间精度严重依赖于网络和设备。我们推荐组建一个完全支持 PTPv2 的网络。这样时间精度可以达到 100 纳秒。另外您还要考虑不同的数据速率和滤波会导入时钟抖动和相移。

软件和硬件时间戳有什么不同

最重要的区别就是时间精度。采用软件时间戳,例如在 NTP 中,同步精度为 100 微妙,典型值为 1毫秒。而采用硬件时间戳精度等级能达到 100 纳秒。为达到这种精度级别,拓扑结构中的设备包括网关等必须支持硬件时间戳。

采用标准网关会产生什么影响?

采用非 PTP 网关时危险的。PTP 报文传输就依赖这个机制,这样会对整个时间机制产生影响。如果网关支持 QoS, 可以提高  PTP 包的优先级来解决。一般情况下,我们不推荐使用不支持 PTPv2 的网关。最坏情况下, PTP 包会丢失,您所获取的数据将不再可靠。

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