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HBM传感器数据采集和测试中的精密时钟协议

2024/2/28 18:40:25发布18次查看
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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