利用VCXO进行频率跟随实现高精度时钟同步的方法研究

时钟同步技术在家庭、办公、工业自动化领域中有着广泛的应用[1]。在分布式系统中，常需一个

全局时间来确定系统中各种事件发生的先后、协调

各种消息的传输等，以控制和监视系统的状态。这

就须将系统中各个部件的局部时间统一，进行时钟同步[2] 。常用的同步方法有 NTP(Net Work Time Protocol), SNTP, PTP (Precision Timing Protocol)[3] 等。实际使用和测试表明使用 NTP 或 SNTP 在广域 范围内同步精度仅数十毫秒，在局域范围内同步精 度为 0.1 ms[4]。PTP 是 IEEE1588 精确时钟协议的简 称，用来提升网络系统定时同步能力的规范，同步 精度已达纳 秒量级甚至 更高；用一
些成熟的 IEEE1588 芯片还可获得纳秒甚至更高量级的同步 精度。但这些芯片也有其不足之处。首先，应用接 口单一，一般仅适合于以太网；其次，对参考时钟 要求高，参考时钟一般需有高精度的恒温晶体振荡 器(OCXO)；最后，须从编码数据中恢复出时钟，所 以芯片时刻都得处于工作状态。大规模传感器网络 中功耗和成本是两个的重要的考虑因素[5]，所以成 熟的 IEEE1588 芯片并不适合应用在大规模传感器 网络中。

间戳的精度：由于时钟同步方法是直接根据时间戳来计算时间差，所以时间戳的精度直接影响同步的 精度[6]；2) 时钟频率偏差：时钟频率的偏差会对时

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国家科技重大专项(2008ZX05008-005-004)资助

第一作者：马毅超，男，1984 年 9 月出生，现为中国科学技术大学博士研究生，研究方向为高速数据采集及嵌入式系统

通讯作者：武 杰

收稿日期：2010-11-8，修回日期：2011-01-16

硬件时间戳是指利用一些硬件特性在收到/发送数据时刻记录当前时间。在分布式数据采集网络 中数据传输方式多样。为避免不同传输方式带来的 影响，可在传输芯片接收数据后进行时间戳的捕获。 在数据帧到来时用 SR 触发器锁定该数据帧第一个 数据并获取时间戳。当接收完一帧数据对 SR 触发 器进行复位。继续锁定下一帧数据的时间戳。同样 发送数据时刻也可以利用同样思路获取时间戳。

1.2 同步过程实现步骤

硬件时间戳的特点是能在数据包发送的同时获 得时间戳，并作为此包的一部分进行发送。根据硬 件时间戳的这个特点，PTP 协议中的 sync 包和 follow_up 包可合并成一个包，协议就可简化成如图1 所示。简化后的同步过程包括如下几个步骤： Sync1 包到从机，Sync1 包含主机的1)
主机发送 发送时刻的时间戳。

2) 从机接收 Sync1 包并记下接收的时刻 t2。

3) 从机发送 Sync_rep 包并且记录下发送时刻 t3。

到 sync rep 包的时刻 t4。

由图 1，通过主机和从机间的 3 次通讯，从机

间的时钟偏差 Toffset= (t2–t1+ t3–t4)/2。从机记下当前

Toffset，需对主机和从机同时进行操作时，从机给设

定的时间加上 Toffset，就可得到同步操作。

Master

Slave

Slave

time

t1 Sync 1

t4	Sync rep	t2	t1, t2	大致估算为 1–1.6 µs。与图 3 中测量的结果相符合。
				可以看出，使用硬件时间戳以后同步精度有所改善
		t3	t1, t2, t3
				(表 1)，但是由于频率差的影响，同步精度很难有进
	Sync 2		t1, t2, t3,	一步提高。

t4

图 1 简化的同步原理图
Fig.1 Simplified synchronization schematic.

为测量硬件时间戳对同步精度带来的改善，我 们设计了图 2 所示的下测试系统。两实验板间用 MLVDS 电平进行通讯，SR 触发器和微控制器的计 数器模块用来进行时钟计数和获取时间戳，晶体(主 机)和压控振荡器(从机)用来提供系统时钟，微控制 器工作在 24 MHz。微控制器中 DAC 输出可调节的 电压，用来调节压控振荡器输出的时钟频率。串口 发送帧的第一个字节时候 SR 触发器被置位，串口

Table 1 Comparison of accuracy of several commonly used method of the clock synchronization

accuracy

synchronize with Ethernet) 硬

STM32 微控制器内有 12 bit DAC，其输出连接

压控振荡器的 Vctrl 脚。改变 DAC 输出电压可控制

压控振荡器的输出频率。DAC 的 1LSB 等效的电压

值为：σV = Vcc/4096。压控振荡器在 0.5–1.4 V 电压

范围中可调节输出频率为 ±130 ppm。此过程中，

压控振荡器输出频率变化值和输入电压系线性关

系：DAC 输出调节 1LSB，频率变化为 σ f = σVKf0,

式中 K 为压控振荡器的电压/输出频率曲线的斜率。

由此可判断对于相同标称频率晶体和压控振荡器，

总会找到一个合适的 DAC 输入值：在 DAC 输入为

n 和 n +1 时使 f2< f0< f1，f1、f2 分别为 DAC 输入为 n

和 n +1 时压控振荡器的输出频率，f0 为晶体频率，

且

把式(4)、(5)代入式(2)、(3)可得：

T <	1	= 0.12 ppm f		(8)
p	σ f		0

由式(6)的推论过程可得出，肯定存在一个 tp，

使在时间段 Tk1= ntp，从机压控振荡器频率为 fs1；在

时间段 Tk2= mtp，从机压控振荡器频率为 fs2。主机

从机时钟的周期数差值在 Tk1 时间段内，能满足 m–n

= (Tk1/fm)(1/fs1 – 1/fm), 其中 2>(Tk1/fm)(1/fs1 –1/ fm)≥1。