基于实时时钟方差算法的网络时钟同步

发布时间：2019-09-10 11:53

【摘要】：作为网络系统同步的重要参数,时钟方差表征了某时钟的稳定性特征。针对传统时钟方差计算方法在实时性和计算复杂度方面的不足,利用指数平滑的滞后特性,设计了自适应指数平滑算法,应用于时钟方差的计算,设计了时钟方差的实时计算算法。基于PTP协议V2版本,采用STM32F407微控制器作为核心,构建了以太网同步系统,实现了同步网络对环境变化的实时响应。通过软件仿真验证了算法的可行性,通过组网测试验证了实时时钟方差算法应用于PTP同步协议的优良性能。
【图文】：

正脉冲,平滑参数,脉冲干扰

ｍａｔｌａｂ３．３．１　脉冲干扰当输入基本稳定时，由式（８）可知平滑参数基本保持不变，输出基本保持稳定。当脉冲干扰输入时，绝对误差｜ｅＮ｜将显著大于其前Ｔ－１项，式（８）中分母将显著增大，而平均与开方运算使分子变化相对较小，因此αＮ将相应减小，确保指数平滑的输出不产生大幅波动。图１与图２分别为正脉冲干扰与负脉冲干扰的仿真结果。图１和图２中，为反应平滑参数的变化趋势，其值已经过缩放，图中输入量为平滑前的时钟方差，输出即为最终时钟方差。由图１与图２可知，当脉冲干扰输入时（第１００实时测量计算），平滑参数迅速减小，使输出基本保持稳定，而其他输入较稳定的时刻平滑参数取值较大，输出也基本平稳。

测试平台

第３４卷第５期李军，孙书鹰，刘江义，等：基于实时时钟方差算法的网络时钟同步图５测试平台测量其时钟偏移量、实际同步精度与时钟方差。然后加热时钟１的晶振，使其温度大约上升至８０℃，然后重新测量其时钟偏移量、实际同步精度与时钟方差。测试计算结果通过串行ＲＳ２３２接口发送至ＰＣ机程序显示。室温下的偏移量测试结果与时钟方差的计算结果如图６所示，实际同步精度如图７所示，晶振加热后的偏移量测试结果与时钟方差计算结果如图８所示，加热后的实际同步精度如图９所示。测试结果显示，加热晶振前后，时钟的稳定性发生了图９晶振加热后的实际同步精度变化。网络重新计算选取了主时钟，同步重新达到稳定时，同步精度未出现大幅度下降，算法达到了设计目的。ＰＴＰ协议中，ＢＭＣ算法（最佳主时钟算法）用于实时计算选取网络的主时钟。时钟方差实时计算求得后，，加入ＢＭＣ算法中，即可实现主时钟随环境变化的实时切换。通常情况下，不会出现网络中所有节点的精度大幅下降，而ＢＭＣ算法选取的是精度最高的时钟作为主时钟，因此，该算法能提高动态环境下的同步精度。５结束语通过研究时钟方差的传统计算方法，分析其在实时计算中存在的不足。简化其计算公式，使其计算量满足微控制器实时计算需求。设计自适应指数平滑参数计算方法，实现自适应指数平滑滤波。采用同步系统时钟同步时测得的时钟偏移量作为时钟方差计算实时输入，实现了时钟方差的实时计算。通过仿真分析验证了算法的可行性，通过实际测试，验证了计算结果对环境变化的适应能力。通过该算法的计算结果影响ＢＭＣ算法的实时计算，实现了同步网络对环境变化的实时响应，保证了剧烈变化环境中的
【作者单位】：军械工程学院电子与光学工程系;
【基金】：国家863高技术研究发展计划基金项目(2009AA01Z438) 河南省基础与前沿技术研究计划基金项目(102300413203)
【分类号】：TP393.04

【参考文献】