分布式声学测量设备中精确时钟同步研究

    0 引 言

    由于对工业生产的环保、安全、低碳的要求越来越高，大规模工业生产的监控将成为保证以上要求的重要手段。因此，分布式工业噪声与振动测量将成为未来的趋势[1]。大系统的振动、噪声监测与评估定位、城市环境交通噪声监测、大型设备的声学故障定位等都需要多个精确同步的传感器协同采集数据来完成全系统若干特性的分析工作，故拥有一个精准的同步系统时间是许多协作型网络的必须条件之一[2]。现有分布式声学测量系统多基于局域网设计，因此利用现有的网络资源进行同步是一个不错的选择。但现有的同步方式存在安全性和成本过高等诸多缺陷。IEEE1588[3-7]协议是适用于网络化测量和控制系统的精确时钟同步种协议，该协议具有适用于采用多播技术的网络(如：以太网)和总线，占用网络带宽小，对系统资源要求低等优点，于 2002 年 11 月获美国电气电子工程师学会(IEEE)的批准成为正式标准。标准给出了同步方式，但未给出在同步间隔内时钟的控制方式。声学测量中的常用频率(GB3240-82)可以达到160K，要求时钟同步精度至少达到亚微秒级(10-7s)。一般的系统晶振精度较低，在两次同步的间隔内产生的漂移有可能造成精度无法达到所需标准的问题。本文在仔细研究了网络同步的相关技术和 IEEE 1588协议的基础上，根据普通晶振的漂移特点，提出了一种可以准确计算晶振漂移并补偿的算法，并设计了相应的硬件方案。最终实验表明该算法能有效的补偿晶振漂移所带来的精度误差。整体软硬件方案能给满足分布式声学测量的需要。

    1 现有网络同步技术的局限

    时钟同步主要由两方面构成，那就是高精度时钟源和同步路径，如有的系统配备原子钟和同步线来解决同步问题、GSM 和 CDMA 基站采用 GPS 时间作为同步信号。但是这些方式有的造价昂贵且不能远距离的传送，有的受美国军方和接收位置有无遮挡物限制，尤其在战略关键应用上无法保证国家安全。在多数情况下由于自主性、空间、成本等限制，无法采用以上同步方式。由于华为和中兴等一批网络设备制造商的兴起，网络安全有了保证，因此采用网络同步是较好的解决 方 式，目 前 成 熟 的 网 络 同 步 技 术 主 要 有 3 种：NTP(RFC-1305)/SNTP (RFC-2030),DP(RFC-867)和 TP(RFC-868)，常用的也是精度最高的是SNTP(simplenetworktimeprotocol，NTP的一种简化实现方案，最早由美国德拉瓦大学的 D.L.Mills 于1985 年提出)。SNTP 采用 Master/Client 的结构，从时钟根据与主时钟的偏移量来修正本地时钟，它提供了访问国家时间和频率传播服务的机制，能组织时间同步子网并为每个子网的每个时钟进行时间同步，精度一般为 1ms~50ms 之间，精确度取决于同步源和网络路径的对称性。SNTP 解决同步的方法是：①指定主时钟并利用网络底层协议直接标记时间戳；②通过两次收发将主时钟的接收时间戳、发送时间戳传递给客户端，客户端将自己发送时间和最后接收时间做差后再减去主时钟处理所需的时间，在假设主从时钟之间的报文路径对称的前提下这个时间应该为网络延迟的 2 倍。据此可以计算出两个时钟的差异，从而实现时间同步。但是同步软件的运行是基于操作系统软时钟的，而软时钟具有较大的漂移，影响精度。另外中央处理器的占用率和网络负载量都能对其造成较大影。本文利用国家授时中心的时间服务器作为时钟源，以一台Cisco4506 为中心搭建了一个星型对称的测试环境，用于分析 SNTP 的同步精度。图 1 表明选用 SNTP 方案不能满足声学测量的同步要求。