工业网络连接工厂内的机器、机器人、传感器、 执行器、控制器和计算机，以便于指令和数据的交换，从而同步它们的工作。网络中机器的同步操作需要每个机器都有相同的“精密时间”。每台机器上的精密时间 保证了网络中事件的相对顺序。缺乏**的时间可能会导致机器和机器人操作顺序混乱CONTROL ENGINEERING China版权所有，这反过来可能导致产品质量差、重要信息丢失、甚至发生灾难性的事故。本文探讨了工业网络中的精密时序的必要性，以及各种应用和机制所需的时间精度来确保以太网网络中的时序**性。

工业网络

传统的工业网络使用专有的、特定供应商提供的网络技术连接工厂内的机器和计算机。专有的网络技术导致不同厂商机器之间的互操作困难，从而导致成本提高。然而，在过去的二十年，人们喜欢将应用广泛的以太网技术用于工厂内的机器互连。在20世纪80年代和90年代，办公网络的急速发展使得开放的以太网技术获得了广泛采用。以太网解决方案的规模和成熟性促成了行业标准的建立，实现了不同厂商设备之间的互操作性、提供了大量的技术人才、降低了设备成本和总拥有成本。

以太网网络技术提供了****的的可扩展性和购买可承受能力，但是它有一个严重的缺陷。为了保持网络连接和设备的高利用率从而能降低成本，以太网技术采用基于需要的通信资源分配方式。从技术角度来看，这是被称为“异步”或“尽力而为”的通信方式。如上所述CONTROL ENGINEERING China版权所有，工业网络的一个关键的需**将精密时间分发到所有节点。在工厂中使用以太网进 行机器同步的首要挑战是建立一个机制，在不可预知的异步网络中准确地分发精密时序。这个可预测的精密时序分发机制被称为“精密时序协议

精密时序协议(PTP)的目的是在不需要一个单独且昂贵的时序网络的情况下，同步机器上的本地时钟。PTP是一个自下而上协作的协议，其中本地 节点相互通信(通过消息交换)来发现它们中的主时钟并且互相同步。由于PTP在数据网络中工作，交换机、路由器和操作系统都有不同程度的延时，它为“时序 数据包”排列优先级或创建特定的队列，其中包含同步的信息。为了消除操作系统和服务器引入的延迟，协议处理在硬件(FPGA或ASSP)中实现，并对时序 数据包使用硬件时间戳。

精密时序协议的特性是使用协作的消息交换算法，从时钟计算与主时钟之间的“时间偏移”和“传输延迟”。图4说明了PTP的消息流，以确定“时钟 偏移”和“传输延迟”。由于每个从时钟都要计算两个变量——偏移和延迟——主从时钟需要交换两组消息。首先，主时钟定时地(通常每秒一次)向所有从时钟广 播时间同步数据包。其次，每个从时钟向主时钟发送“延迟请求”消息以确定“传输延迟”。两组消息交换得到两个线性方程，从而确定“从时钟偏移”和“传输延 迟”。

FPGA实现

实现精密时序协议要求在数据包一到达网络接口卡(NIC)时就进行捕捉并标记时间戳。纳秒级精度的分布式时钟也需要在硬件中以*小变化执行各种 同步步骤。带有SERDES功能的现场可编程门阵列(FPGA)器件，如LatticeECP3FPGA器件提供了众多的优势，实现更接近网络接口的精密 时序协议：

1.高速串行接口(SERDES)，迅速捕捉时序数据包;

2.灵活和准确的时钟电路(PLL);

3.精度可以根据系统要求进行调整;

4.用于存储时序数据包的FIFO队列，可以在FPGA结构中靠近高速I/O模块处实现;

5.FPGA中的嵌入式硬件或软件处理器，也可以用于实现精密时序协议;

6.不占用主CPU的外部PTP处理功能;

7.不断发展的精密时序协议可以在灵活的FPGA平台上实现轻松升级。

总结

工业环境中主流以太网网 络的迅速普及需要使用精密时序技术来同步机器和机器人。精密时序协议(IEEE1588)提供了从亚微秒到纳米秒级的同步精度。PTP的软件实现提供了亚 微秒级以上的精度。时间戳和同步算法(PTP V2.0)的硬件实现可提供高达纳秒级的精度。随着通信数据传输速率的增加，所需的时序精度呈指数增长。PTP v2.0能够满足*先进的数控机床的严格时序要求。