HBM传感器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。**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。

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。

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。

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**时间，主机中的时钟自动选择，这种机制成为 *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

• 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” )

测量设备采用 PTP 时钟同步的典型应用

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

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?

*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。*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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