基于FPGA的电力系统时钟同步技术设计
基于FPGA的时序及同步设计
第一, 系统内大部分器件的动作都是在时钟的跳变沿上进行, 这就要求时钟信号时延差要非常小, 否则就可能造成时序逻辑状态出错.第二, 时钟信号通常是系统中频率最高的信号.第三, 时钟信号通常是负载最重的信号, 所以要合理分配负载。
出于这样的考虑在FPGA这类可编程器件内部一般都设有数量不等的专门用于系统时钟驱动的全局时钟网络。
这类网络的特点是：一、负载能力特别强, 任何一个全局时钟驱动线都可以驱动芯片内部的触发器; 二是时延差特别小; 三是时钟信号波形畸变小, 工作可靠性好。
因此, 在FPGA设计中最好的时钟方案是: 由专用的全局时钟输入引脚驱动单个主时钟去控制设计项目中的每一个触发器。
同步设计时, 全局时钟输入一般都接在器件的时钟端, 否则会使其性能受到影响。
对于需要多时钟的时序电路, 最好选用一个频率是它们的时钟频率公倍数的高频主时钟。
各个功能模块要使用统一的复位电路。
在使用带时钟的触发器、计数器等有复位端的库器件时, 一般应尽量使用有同步复位的器件。
注意复位时保证各个器件都能复位, 以避免某些寄存器的初始状态不确定而引起系统工作不可靠。
若想掌握时钟设计方法首先需要了解建立时间和保持时间的概念。
建立时间（setup time）：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器；保持时间（hold time）：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被打入触发器。
对于一个设计项目来说，全局时钟(或同步时钟)是最简单和最可预测的时钟。
在CPLD/FPGA 设计中最好的时钟方案是：由专用的全局时钟输入引脚驱动的单个主时钟去钟控设计项目中的每一个触发器。
只要可能就应尽量在设计项目中采用全局时钟。
CPLD/FPGA都具有专门的全局时钟引脚，它直接连到器件中的每一个寄存器。
这种全局时钟提供器件中最短的时钟到输出的延时。
基于SoC FPGA抓包的电站控制系统时钟同步设计
基于SoC FPGA抓包的电站控制系统时钟同步设计刘玉升;项文蔚;王楠;王巍【摘要】为实现基于工业以太网的电站控制系统的高精度同步数据采集和控制,对时钟同步提出了较高的要求.通过分析影响时钟同步精度的因素,提出了一种基于片上系统现场可编程门阵列(SoC FPGA)抓包辅助实现电站控制系统时钟同步的硬件设计.使用SoC FPGA对IEEE 1588协议进行解析,并采用SoC FPGA和硬件描述语言设计时间戳生成器.该方法解决了在软件层获取时间戳不稳定、同步精度低等问题,降低了电站控制系统时钟同步设计的复杂度.长期测试数据表明,SoC FPGA解析和网络报文获取准确,主控制器时钟节点和从I/O设备节点间达到了微秒级的精确定时同步,事件顺序记录(SOE)精度小于1 ms.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)002【总页数】5页(P54-58)【关键词】核电站;控制系统;FPGA;IEEE1588;精确时钟协议;事件顺序记录;时间戳【作者】刘玉升;项文蔚;王楠;王巍【作者单位】国核自仪系统工程有限公司,上海 200241;国核自仪系统工程有限公司,上海 200241;国核自仪系统工程有限公司,上海 200241;国核自仪系统工程有限公司,上海 200241【正文语种】中文【中图分类】TH7;TP230 引言电站控制系统[1]是基于工业以太网的分布式控制系统[2]，系统庞大、复杂，设备分布化程度高。
各设备间要协调工作，就必须有统一的时间基准，即时钟的精确同步。
所有现场设备间的精确时钟同步是实现同步数据采集和控制的核心技术之一。
基于嵌入式软件控制方式的时间同步方案，如网络时间协议(network timing protocol，NTP)，由于其实现机理的限制，同步精度难以满足事件顺序记录(sequence of event,SOE)为1 ms的要求。
IEEE 1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议。
基于FPGA的时钟频率同步设计与应用
网络化运动控制是未来运动控制的发展趋势，随着高速加工技术的发
展，对网络节点间的时间同步精度提出了更高的要求。如造纸机械，运行速度
为1500～1800m/min，同步运行的电机之间1μs的时间同步误差将造成30
μm的运动误差。高速加工中心中加工速度为120 m/min时，伺服电机之间
同步。
1时钟同步原理
要实现两个时钟的同步，一是时钟的计数值要相同，二是计数增长速率
要相同。如
kn就是时钟频率调整系数。在每个同步周期可以计算出频率调整系数，
然后通过相应的硬件电路来实现频率调节。
2可调频率的时钟设计
可调频率时钟是一种完全由数字电路组成的时钟计数器，构造简单，可
以很方便地在FPGA中实现，原理如DivRatio=FreqOsc/FreqClk (5)
延迟补偿，然后将计算出的新时钟值赋给从时钟。这种同步方法造成了从时钟
计数值的不连续，即会出现重复(从时钟晶振频率快于主时钟)或跳跃(从时钟晶
振频率慢于主时钟)，而且这种方法并没有从根本上解决时钟频率的不同步问题，
因此要进一步提高同步精度很困难。本文研究了一种可对频率进行动态调整的
时钟，通过对时钟频率的动态修正，实现主从时钟频率的同步，进而实现时间
1μs的时间同步误差，将造成2μm的加工误差，影响了加工精度的提
高。
分布式网络中节点的时钟通常是采用晶振+计的误差。时钟同步通常是选
定一个节点时钟作为主时钟，其他节点时钟作为从时钟。主节点周期性地通过
报文将主时钟时间发送给从节点，从节点接收到报文后，以主时钟为基准进行
在时钟输出算法中，该值由频率调整系数动态调整：
基于FPGA的时钟同步控制系统研究与实现的开题报告
基于FPGA的时钟同步控制系统研究与实现的开题报告本开题报告旨在介绍一种基于FPGA的时钟同步控制系统研究与实现方法。
该系统的目的是实现对多个节点的时钟进行同步控制，确保各节点的时钟保持一致性，从而实现高精度的数据同步和传输。
一、研究背景时钟同步是在分布式控制系统中非常关键的一个问题，其核心目标是保证各节点的时钟保持一致性。
在传统的时钟同步方法中，通常使用GPS和卫星信号进行同步。
但是这种方法比较昂贵，同时受限于环境因素（如信号干扰）等因素，不适用于所有的应用场景。
基于FPGA的时钟同步控制系统，是一种新型的时钟同步方法。
其核心原理是依靠FPGA技术实现对多个节点时钟进行同步控制，实现高效的数据同步和传输。
与传统方法相比，基于FPGA的时钟同步控制系统不仅成本更低、精度更高，而且更加灵活、可靠。
二、研究目的和意义基于FPGA的时钟同步控制系统的目的是实现高精度数据同步和传输。
该系统在以下方面具有重要意义：1. 提高系统可靠性。
传统的时钟同步方法受限于环境因素，容易受到干扰影响，影响同步精度。
而基于FPGA的系统可在无需外部干扰的情况下实现高精度的时钟同步控制，提高系统可靠性。
2. 降低成本。
基于FPGA的时钟同步控制系统与传统的GPS和卫星信号同步方法相比，成本更低，更加适用于一些成本敏感的应用场景。
3. 增强灵活性。
基于FPGA的时钟同步控制系统具有可编程性，可以根据应用需要进行灵活调整，提高系统的适用性和可用性。
三、研究内容和方法1. 系统设计。
研究建立基于FPGA的时钟同步控制系统模型，设计控制算法。
2. 系统实现。
对系统模型进行开发，实现同步控制系统，并针对其进行性能测试和优化。
3. 系统评估。
对实现的系统进行性能评估，对其进行同步精度和系统可靠性测试。
四、研究计划本项目的研究时间为一年，主要研究计划如下：第一阶段（前三个月）：对基于FPGA的时钟同步控制系统进行相关背景资料的调研和收集，了解各种同步控制方法，并确定研究重点和目标。
基于fpga的数字钟电路设计
基于fpga的数字钟电路设计
随着电子技术和航空电子技术的发展，高精度的电子时钟发挥着越来越重要的作用。
面对众多的时间选择方式，FPGA技术为企业提供了新的解决方案。
本文旨在设计一种基于FPGA技术的数字时钟电路，以满足工业系统时间测量和管理的需求。
数字时钟电路的设计主要分为三个方面：晶振、时钟频率调整以及I/O管脚分配。
首先，选用封装形式为HC49-S的晶振器，其主要特征包括频率精度低至±50ppm、温度范围
宽至−10℃至+70℃、工作温度可升至105℃以及动态特性良好等。
其次，进行时钟频率
调节用FPGA。
FPGA的时钟频率调节模块采用MMC和VCO技术实现时钟频率抢断，可对晶
振的稳定频率进行调节，从而获得高精度的时钟信号。
最后，通过FPGA的I/O管脚分配
完成时钟信号输出，从而将数字信号变换为时间信号，实现时间数据的采集和处理。
基于FPGA技术的数字时钟电路可以有效地满足工业系统实时时间测量和管理的需求，实现工业系统时间计量技术的发展。
该电路具有稳定高效、体积小、功耗低以及现场可实
现调整参数等优缺点，在工业领域具有很高的应用前景。
基于FPGA的电子时钟设计
1 绪论现代社会的标志之一就是信息产品的广泛使用，而且是产品的性能越来越强，复杂程度越来越高，更新步伐越来越快。
支撑信息电子产品高速发展的基础就是微电子制造工艺水平的提高和电子产品设计开发技术的发展。
前者以微细加工技术为代表，而后者的代表就是电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）技术。
本设计采用的VHDL是一种全方位的硬件描述语言，具有极强的描述能力，能支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级三个不同层次的设计；支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，覆盖面广、抽象能力强，因此在实际应用中越来越广泛。
ASIC 是专用的系统集成电路，是一种带有逻辑处理的加速处理器。
而FPGA是特殊的ASIC芯片，与其他的ASIC芯片相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检测等优点。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.1 选题背景本节将从FPGA嵌入式应用开发技术与数字钟技术发展的客观实际出发，通过对该技术发展状况的了解，以及课题本身的需要，指出研究基于FPGA的芯片系统与设计——数字钟的设计与实现的必要性。
1.1.1 课题相关技术的发展当今电子产品正向功能多元化,体积最小化,功耗最低化的方向发展。
它与传统的电子产品在设计上的显著区别师大量使用大规模可编程逻辑器件，使产品的性能提高，体积缩小，功耗降低。
同时广泛运用现代计算机技术，提高产品的自动化程度和竞争力，缩短研发周期。
EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。
美国ALTERA公司的可编程逻辑器件采用全新的结构和先进的技术，加上MaxplusII(或最新的QUARTUS)开发环境，更具有高性能，开发周期短等特点，十分方便进行电子产品的开发和设计。
基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计
四、基于FPGA的IEEE15888同步系统
1、时钟同步系统硬件架构
整体架构包括一个主时钟和多个从时钟，时钟源采用信号。利用发出的秒脉冲使主时钟的时间与—致，主、从时钟之间的同步基于以太网通信链路。交换设备采用交换机。
系统中的每个节点都包含、控制器、芯片、四种主要芯片。介质无关接口连接芯片和控制器，控制器和都通过总线连接。报文的发送、接收依靠、芯片和控制器组成的网络协议栈实现。同步报文接收和发送过程中提取时间戳、频率补偿模块、时钟计数器等功能交给完成。
整个协议的同步网络由若干个这样的节点组成。在具体设计中，需要由结合和芯片搭建协议栈。由于本设计需要使用到接口，因此不能选择如等层和层集成于同一芯片的方案，需要选择单独的芯片和芯片。
基于嵌入式系统的支持和经济性等原因，选择三星公司的作为。它是基于架构的位处理器，其核心是操作频率最高可达，支持内存管理，具有功耗低、性能高、价格低廉的特点，且能够完美连接。的管理接口包括和两个信号，分别是时钟信号和数据信号，为提供参考时钟。的数据接口有个信号，分为发送和接收通道，连接到相应的网络发送、接收器，并且无论发送或接收通道，都有时钟、控制信号以及数据总线。
基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计
摘要：对于数字化变电站或智能变电站，传统的时间同步方法甚至网络对时方式已不能完全满足变电站对时精度的需求。参考标准，过程层的某些应用要求时间同步精度达到微秒甚至亚微秒的级别。适时出现的精确时间协议，只需少量的硬件和网络资源，就能满足数字化变电站同步精度的要求。
基于FPGA的电力系统时钟同步技术设计
基于FPGA的电力系统时钟同步技术设计
方菁
【期刊名称】《武汉职业技术学院学报》
【年(卷),期】2010(9)1
【摘要】根据电力系统地理分布地域广以及对时钟同步要求精度高的原则,提出了一种GPS授时模块和IEEE1588协议相结合的时钟同步方案,该方案按地理因素将整个电力网络划分为若干个子网络,各个网络之间利用GPS接收模块实现时钟的同步,子网络内部采用IEEE1588协议实现时钟的同步,从而实现整电力网络的时钟同步;然后在FPGA平台上对精确时钟模块、GPS信息接收及处理模块、IEEE 1588协议的部分实现模块进行实现:最后通过系统误差验证表明本文所提出的方案切实可行.
【总页数】4页(P75-78)
【作者】方菁
【作者单位】无锡机电高等职业技术学校,江苏,无锡,214028
【正文语种】中文
【中图分类】TM744
【相关文献】
1.基于SoC FPGA抓包的电站控制系统时钟同步设计 [J], 刘玉升;项文蔚;王楠;王巍
2.电力系统时钟同步技术探讨 [J], 崔国忠
3.基于最小生成树的电力通信系统时钟同步网规划算法 [J], 李慧娟;丁宝;董成明;周浩
4.基于FPGA的电力系统时钟同步技术实现 [J], 孙翔
5.面向FPGA的电力系统时钟同步技术设计 [J], 王丹
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基于FPGA的电子钟设计
基于FPGA的电子钟设计摘要VHDL是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language 的缩写,意思是超高速集成电路硬件描述语言。
对于复杂的数字系统的设计,它有独特的作用。
它的硬件描述能力强,能轻易的描述出硬件的结构和功能。
这种语言的应用至少意味着两种重大的改变：电路的设计竟然可以通过文字描述的方式完成；电子电路可以当作文件一样来存储。
随着现代技术的发展,这种语言的效益与作用日益明显,每年均能够以超过30%的速度快速成长。
这次设计的内容是在简要介绍了VHDL语言的一些基本语法和概念后,进一步应用VHDL设计一个电子钟,最后通过仿真出时序图实现预定功能。
电子钟的时间显示用到了七段数码管的电路设计,内部的时间控制输出则用到了各种设计,包括：时钟分频模块、计时模块、按键模块和显示模块四个部分。
关键词VHDL 电子钟七段显示器FPGA目录摘要 (I)1 前言 01.1 选题的目的和意义 01.2 FPGA技术的介绍 01.3 VHDL简介 (1)2 系统总体设计方案 (3)2.1 电子钟功能概述 (3)2.2电子钟外观 (3)3 系统程序设计 (4)3.1 共享组件与程序包的设计说明 (4)3.1.1 my_pkg组件包程序代码 (4)3.1.2 1Hz_generator组件 (7)3.1.3 count60组件 (8)3.1.4 count24组件 (10)3.1.5 alarm_set组件 (11)3.1.6 stop_watch组件 (14)3.1.7 i60bcd组件 (17)3.1.8 i24bcd组件 (19)3.2 系统模块设计 (23)3.2.1 七段显示器扫描输出电路模块（display） (23)3.2.2 entity模块 (27)3.2.3 architecture模块 (29)3.2.4 正常计数时间功能模块 (30)3.2.8 扫描多路输出功能模块 (35)4 总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录 (41)1 前言1.1 选题的目的和意义20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
基于FPGA的高精度同步时钟系统设计
（ １ ．Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｔｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；２ ．Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ＆
间戳 交 换 的过 程 示 意 图如 图 １所 示 。
在很 多 大 型 物 理 实 验 和 工 业 应 用 中 ， 时 钟 同步 技 术 都 扮 演 着 举 足 轻 重 的 作 用 。 比如 在 中 国 四川 锦 屏 暗 物 质 探 测实验 中 ， 需 要 为 多 个 独 立 探 测 装 置 提 供 相 应 的 时 间 信
—
中 的 同步 系 统 就 是 基 于 纯 硬 件 实 现 的 。
Ｒａ ｄｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎｇ，Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅｄｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ，Ｔｓ ｉ ｎｇ ｈｕａ Ｕｎ ｉ ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ；３． Ｔｓ ｉ ｎｇ ｈｕａ Ｆｒ ｅ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ Ｔｒ ａ ｉ ｎｉ ｎ ｇ Ｃｅ ｎｔ ｅ ｒ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｉ ｎｔ ｒ ｏｄ ｕｃ ｅ ｓ ｔ ｈｅ ｂａ ｓ ｉ ｃ ｔ ｈｅ ｏ ｒ ｙ ｏｆ Ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｔｉ ｍｅ Ｐｒ ｏｔ ｏｃ ｏ １ （ ＰＴＰ） ． Ａ ｌ ｏ ｗ－ ｃ ｏｓ ｔ ａ ｎｄ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏｎ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｙ ｎｃ ｈ ｒ ｏ ｎｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄ ｅｓ ｉ ｇｎｅ ｄ ａ ｎｄ ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｅ ｄ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ＰＴ Ｐ． Ａｌ ｌ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄｕｌ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ，ｉ ｎｃ ｌ ｕｄｉ ｎ ｇ ｌ ｏｃ ａ ｌ ｔ ｉ ｍｅ ｍ ｏｄ ｕｌ ｅ， ｔ ｉ ｍｅ ｐｒ ｏ ｔ ｏｃ ｏｌ ｍ ｏｄ ｕｌ ｅ， ｓ ｅ ｎ ｄｉ ｎｇ ｂｕｆ ｆ ｅ ｒ ｍｏ ｄｕｌ ｅ，ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖｉ ｎｇ ｂｕｆ ｆ ｅ ｒ ｍｏ ｄｕ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｔ ａ ｍｐ ｍ ｏｄ ｕｌ ｅ， ａ ｒ ｅ ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ＦＰＧ Ａ． Ｔ ｈ ｉ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｃ ａ ｎ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｎａ ｎ ｏｓ ｅ ｃ ｏ ｎｄ ｓ ｙ ｎｃ ｈｒ ｏ ｎｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ． Ｂｅ ｓ ｉ ｄｅ ｓ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｌ ｏｗ ｃ ｏ ｓ ｔ ｓ ｏｌ ｕｔ ｉ ｏｎ ｉ ｓ ｅ ａ ｓ ｙ ｔ ｏ ｅ ｘｔ ｅ ｎｄ，ｔ ｈｕｓ ｓ ｕ ｉ ｔ ａ ｂｌ ｅ ｆ ｏｒ ａ ｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎｓ ｉ ｎ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｎｅ ｔ ｗｏｒ ｋ ｃ ｌ ｏｃ ｋ ｓ ｙ ｎ ｅ ｈｒ ｏ—
基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计的开题报告
基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计的开题报告一、选题背景变电站作为电力系统中的重要组成部分，不仅需要通过对电能进行转换、传输和分配来实现系统的高效运行，同时也涉及到系统运行的安全性、可靠性和稳定性等问题。
采用数字化变电站方案可以有效提升变电站的智能化水平和运行效率，同时实现对能量的更加精细化的管理和控制。
在数字化变电站中，时钟同步是一个重要的技术问题。
时钟同步系统的目的是确保分布式控制系统中的各个设备之间的时钟保持同步，以便正确协调各个设备的运行，避免因时钟不同步而导致的通信错误、故障和安全事故等问题。
时钟同步系统通常采用主从式结构或多主结构，其中主节点通过广播协议向从节点发送同步时间信号来实现各个设备之间的时钟同步。
针对现有的时钟同步系统，存在着精度不足、成本高昂、复杂性大、可扩展性差等问题，现在很多变电站开始采用基于FPGA的时钟同步方案。
FPGA具有可重构的硬件结构，在实现时钟同步系统时能够充分发挥其灵活、高效、低延迟的特点，同时还能够通过多个FPGA相互通信来实现时钟同步的扩展性和可靠性。
因此，本文旨在研究基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计，并探讨相关的技术问题和实现方法，以期为数字化变电站的时钟同步系统提供一种更加灵活、高效、低延迟、可扩展和可靠的解决方案。
二、研究内容1.调研基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统的相关技术。
2.分析现有的时钟同步系统的不足之处，并设计一种基于FPGA的时钟同步系统。
3.基于所设计的时钟同步系统进行仿真测试和实验验证，并对系统性能进行评估和分析。
4.总结设计过程中的经验和教训，并提出相关的改进和优化建议。
三、研究方法1.文献资料调研。
通过查阅相关的学术论文、技术资料和标准规范等文献资料，对基于FPGA的数字化变电站时钟同步系统的相关技术进行系统的梳理和总结，为后续的研究和设计提供参考和依据。
2.系统设计。
针对现有的时钟同步系统存在的问题，通过分析问题的原因和特点，设计一种基于FPGA的时钟同步系统，包括硬件电路设计、时钟同步协议设计和通信协议设计等方面。
基于FPGA的电子钟设计
ARCHITECTURE BEHAV OF COLOR IS
BEGIN
PROCESS(START)
BEGIN
CASE START IS
WHEN '0'=> SPEAKER<='0';
WHEN '1'=> SPEAKER<=CLK;
WHEN OTHERS=>NULL;
END CASE;
WHEN 3=>LEDS<="0000000000001000";
WHEN 4=>LEDS<="0000000000010000";
WHEN 5=>LEDS<="0000000000100000";
WHEN 6=>LEDS<="0000000001000000";
WHEN 7=>LEDS<="0000000010000000";
COUT: OUT STD_LOGIC);
END COUNT60;
ARCHITECTURE BEHAV OF COUNT60 IS
SIGNAL OLBR:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
SIGNAL OHBR:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
Y<=CLK WHEN S='0'
ELSE BOTTON;
END BEHAV;
报时/花样显示原理图
时钟顶层原理图：
ELSIF(OLBR>8)THEN
OLBR<="0000";OHBR<=OHBR+1;
基于FPGA的电子钟设计
基于FPGA的电子钟设计基于FPGA的电子钟设计随着物联网技术的发展，我们对于时间的要求也越来越精细。
电子钟作为一个基本的时间计量工具，其精度和稳定性至关重要。
而FPGA作为一种强大的可编程逻辑器件，具有高速、高效、灵活等优势，成为电子钟设计的重要基础。
一、电子钟的基本原理电子钟是指采用电路元器件、微处理器等电子器件构成的时钟。
其基本原理可以概括为：利用更精确的时间计量器件替代机械时钟中的发条和摆轮，同时采用数字处理器等电子元器件代替机械表盘展示时间。
电子钟的核心是时基电路，其作用是产生高精度的时间信号，为其它电路提供时间标准。
通常采用晶振、TCXO、OCXO等时基器件。
为了保证时间精度，还要从外部时钟或天线接收校正信号。
二、FPGA的优势FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以灵活地对电路进行编程和调整，从而实现不同的功能。
FPGA相对于ASIC（Application Specific Integrated Circuit），具有以下优点：1. 灵活性：FPGA可以通过重新编程来实现不同的逻辑功能，而ASIC则需要重新设计电路，成本和时间都比较高。
2. 高速：FPGA以可编程方式实现电路逻辑，减少了多级缓存的开销，因此运行速度更快。
3. 低功耗：FPGA可以在逻辑上进行优化，以达到低功耗效果，同时利用现代的制造技术，还可以采用低功耗工艺。
4. 可重用性：FPGA的电路设计可以在不同的项目中重复使用，从而提高了效率和经济性。
三、基于FPGA的电子钟设计基于FPGA的电子钟设计方案主要包括两部分，分别是时基电路和数码显示电路。
1. 时基电路设计时基电路是电子钟的核心部分，可以采用晶振、TCXO、OCXO等器件来产生高精度的时间信号。
在电子钟的设计中，一般还需要接收外部同步校时信号，用于校正时钟误差。
基于FPGA的时基电路设计主要包括以下几个部分：（1）时钟输入电路：接收来自外部同步信号的时钟脉冲，用于校准电子钟的误差。
基于FPGA的数字电子时钟
第1章绪论数字化是电子设计发展的必由之路已成为共识。
在数字化的道路上，我国电子设计技术的发展经历了，并将继续经历许多重大的变革与飞跃、从应用SSI通用数字电路芯片构成电路系统，到广泛地应用MCU(微控制器或单片机)，它使得电子系统的智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃。
MCU的广便应用并没有抛弃SSI的应用，而是为它们在电于系统中找到了更合理的地位。
随着社会经济发展的延伸、各类新型电子产品的开发为我们提出了许多全新的课题和更高的要求。
FPGA在EDA基础上的广泛应用．从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但这是—种更高层次的循环，应是一次否定之否定的运动，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，对MCU系统将是—种扬弃，但在电子设计的技术操作和系统构成的整体上却发生质的飞跃。
如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么高速发展的FPGA 不但包括了MCU这一特点，并兼有串、并工作方式和高速、高可靠性以及宽口径适用等诸多方面的特点、不仅如此，随着EDA技术的发展和FPGA在深亚微米领域的进军、它们与MCU、MPU、DSP、A／D、D／A、RAM和ROM等独立器件问的物理与功能界限正日趋模糊。
以大规模集成电路为物质基础的EDA技术终于打破了软硬件之间最后的屏障，使软硬件工程师们有了共同的语言[1]。
1.1 课题背景电子产品随着技术的进步，更新换代速度可谓日新月异。
不同行业层出不穷的技术需求，使得对配套电子系统或部件的功能、可靠性、集成度、成本、设计周期的要求日益提高。
随着时间的推移，科学研究与技术开发行为日益市场化，而远非纯粹的学术行为，这要求设计工作必须在较短的时间内出色完成，技术人员感到工作压力越来越大。
显然，采用传统的电子设计手段完成复杂电子系统设计显得越来越力不从心了，传统的电子设计与现实手段受到极大的挑战。
如果在激烈的技术产品竞争中仍沿用老办法，很可能在激烈的竞争中处于被动落后的境地，例如，当设计比较复杂的电子系统时，要等到做完全部硬件试验才开始设计印制电路板，这样，设计周期必然会相应拉长，即使设计出印制电路板来，也很难保证它的电气连接全部正确、各个元器件参数合理以及完善的电磁兼容性能，如果需要设计实现的数字电路部份规模较大，仍习惯地利用中、小规模数字集成芯片实现，电路的集成度和可靠性在许多应用场合会受到很大限制，甚至根本无法满足需求。
基于FPGA精确时钟同步SOPC设计与实现
基于FPGA 精确时钟同步SOPC 设计与实现柏 颖1,王晓明2(1.重庆邮电大学 重庆 400065;2.湖南商学院 资产管理处 长沙 410205)摘 要:随着控制网络技术的发展,分布式控制系统对时钟同步的要求越来越高。
当前的时钟同步系统通常是使用软件的方式,在网卡驱动时打上时间戳,然后根据时钟同步协议IEEE1588算法进行时钟同步。
然而操作系统、网卡时槽的延迟和时钟晶振的偏移等因素的影响导致时钟同步精度只能达到微秒级,为了满足工业控制总线时钟精度的要求,本文提出了基于FP GA 的时钟同步、时钟补偿和最佳主时钟的算法,通过搭建测试平台,最后使系统的时钟同步精度达到了纳秒级。
关键词:IEEE1588;FP GA ;时钟补偿;最佳主时钟中图分类号:TN431.2 文献标识码:ADesign and implementation of p recise clock synchronization on SO PC based on FP GABai Y ing 1,Wang Xiaoming 2(Chongqing Key Lab of NC &IC ,Chongqing University of Posts and Telecommunications ,Chongqing 400065,China ,Hunan university of commerce ,Asset Management Service ,Changsha 410205,China )Abstract :With the rapid development of network ,the synchronization of different devices in a distribu 2ted system becomes more and more important.Current implementations rely purely on software to get the time stamp through the network card ,then carries on the clock synchronization according to the clock synchronous protocol IEEE1588algorithm.However ,the delay of operating system and card slot and the displacement of crystal oscillator result the clock synchronization precision only to be able to a 2chieve a microsecond level.T o reach the requirement of the industry control bus ,we design the precise clock synchronization ,the clock compensation and the best master clock algorithm based on FPG A ,so that increased the clock synchronization precision.Though building the platform of test ,the final sys 2tem clock synchronization precision has achieved a nanosecond level.K eyw ords :IEEE1588;FP GA ;clock compensation ;t he best master clock0 引 言随着网络技术的发展,分布式控制系统中对时间同步的要求越来越高。
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机械与电气工程Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ
而实现主时钟Ｍ１对本子网内其它时钟（如时钟ＭＩ＿Ｓ１等）的同步；子网＃２内运行ＩＥＥＥｌ５８８协议从而实现主时钟Ｍ２对本子网内其它时钟（如时钟Ｍ２＿Ｓ１等）的同步，即实现了整个网络的同步。
图１ＧＰＳ授时和ＩＥＥＥｌ５８８协议相结合的时钟同步方式
该时钟同步方式有有如下优点：
１．不需要在每个测量节点上安装ＧＰＳ授时模块，大大减少了ＧＰＳ授时模块的使用数量。
２．可以满足电力系统时钟通对精度的要求，并保留了网络时钟同步方式自身可守时的优点。
３．系统相ｘ，－ｔ灵活，且有很好的扩展性。
二、系统的模块划分
按照系统的要求，得到系统的整体设计框架。
接下来的工作就是将整个系统按照自身功能上的特点和设计者的经验进行模块划分，然后每个功能模块相对独立地进行开发设计，最后再进行整体调试。
根据本文在图ｌ给出的系统设计方案，ＦＰＧＡ内部逻辑系统的模块划分如网２所示。
圈２ＦＰＧＡ内部电路系统功能模块划分
根据图２所示，整个ＦＰＧＡ内部逻辑分为以下几个部分，分别是网络监听模块、ＩＥＥＥｌ５８８协议模块、本地时钟模块、ＧＰＳ信号解析模块、时间格式转换模块和外部接口，各个模块的功能简述如下：
１．网络监听模块：监听ＭＩＩ总线上的以太网上的数据信息，判断并处理ＩＥＥＥｌ５８８协议报文，产生时间戳控制信号。
２．ＩＥＥＥｌ５８８协议模块：根据ＩＥＥＥｌ５８８协议，解析和产生ＩＥＥＥｌ５８８报文，同时产生本地时钟修正所需要的数据信息。
３．本地时钟模块：符合ＩＥＥＥｌ５８８协议接口规范的时钟模块，它是整个系统运行的纽带。
４．ＧＰＳ信号解析模块：接收ＧＰＳ授时模块发送出来的ＣＰＳ信息，解析其中的有效时钟信息。
５．时钟格式转换模块：将ＧＰＳ信号解析模块得到的时间信息转换成系统要求的数据格式。
６．外部接口：提供给用户的控制接口和通信接口，如用于读取本地时钟的数据通道和模拟ＰＰＳ信号（秒脉冲信号，周期为１ｓ，且只在整秒时刻产生的脉冲信号）信号，以及上层ＣＰＵ）读取报文的接口等。
（一）精确时钟模块的设计
本地时钟模块是整个系统设计的核心部件，主要包括精确计时、时间修正和通信接口几个部分，如图３所示。
图３本地时钟模块结构
整个本地时钟模块采用同步逻辑设计，即共用统
一的时钟信号ＳＹＳ—ＣＬＫ，和统一的复位信号ｒｓｔｎ。
精确计时器，实际上是由两个计数器组成：整秒计数器和小数计数器。
前者记录的是自２０００年１月１日整至此刻的整秒数（以ｓ为单位），后者记录的是此刻距离上一次整秒的时间，（以ＳＹＳ—ＣＬＫ的周期为一个单位）。
时间修正模块根据ＩＥＥＥｌ５８８协议模块计算得到的时问偏差数据ｏｆｆｓｅｔ，通过某种时间修正策略对精确计时器进行修正，修正主要分为两种：直接加减修正和连续修正。
前者通过产生ＣＮＴ＿ｅｎ信号作为精确计时器的计时使能型号来控制精确计时器的计时快慢从而达到修正时间的效果，后者通过将精确计时器的当前时间和ｏｆｆｓｅｔ直接相加减从而达到修正时间的效果。
同时，精确计时器计时过程还受到ＧＰＳ秒脉冲信号ｐＰＳ的摔制，在设计中，ＰＰＳ信号作为精确时钟小数计数器的清零信号。
本地时钟必须对其他功能模块和外部电路提供必要的接口。
用于读取当前时间的接口：当ｒｅａｄ信号有效时（电平为高）精确计时器就立刻“锁住”当前时间数据
方
（分为整秒和小数两部分）。
转换为特定格式的数据形式（ｔｖ）输出。
Ｆ＿ＰＰＳ信号为本地时钟模块产生的整秒脉冲信号。
（二）ＧＰＳ信息接收及处理模块的设计
ＧＰＳ信息接收和时间数据的处理模块的基本结构如图４所示。
图４信息接收和时间数据的处理模块
ＧＰＳ授时模块是按照ＮＭＥＡ０８１３协议发送ＧＰＳ信息报文的。
ＮＭＥＡ０１８３的语句非常的丰富，其中常用的语句有：￥ＧＰＣ．ＧＡ语句：输出ＧＰＳ的定位信息；￥ＧＰｚＤＡ语句：输出ＵＴＣ时间信息；￥ＧＰＧＳＶ语句：输出可见的卫星信息；￥ＧＰＧＬＬ语句：输出大地坐标信息；ＳＧＰＧＳＴ语句：输出定位标准差信息；￥ＧＰＡＬＭ语句：输出卫星星历信息等。
本文选择使用￥ＧＰｚＤＡ语句。
原因有二：第一，该语句只包含时间信息，且时间系统完整；第二，该语句和秒脉冲信号ＧＰｓ＿ＰＰｓ是同步的，即ＧＰｓ—ＰＰＳ信号为￥ＧＰｚＤＡ语句内的时间的提供了一个参考点，从而实现更高精度的时钟同步。
根据ＮＭＥＡ０８１３协议的描述，时间数据解析过程如下：不问断地接收、判断ＧＰＳ授时模块串口发送出来的串行数据，若连续检测到“￥ＧＰＺＤＡ”这六个字符的ＡＳＣＩＩ码，则将该语句数据全部存人ＦＰＧＡ内部的ＦＩ—ＦＯ中，进行ＣＲＣｌ６校验，若校验正确则按照￥ＧＰＺＤＡ语句格式提取时间信息，否则丢弃该语句，并不断重复整个过程。
（三）ＩＥＥＥ１５８８协议模块的设计
ＩＥＥＥｌ５８８协议的实现以及相关的网络监听模块的设计结构，它们的实现的主要功能是从ＭＩＩ总线上监听网络上的数据，截获ＩＥＥＥｌ５８８协议报文并解析，最终产生供时间修正用的时间偏差（ｏｆｆｓｅｔ），基本结构如图５所示。
图５ＩＥＥＥｌ５８８协议的实现以及相关的网络监昕模块
机械与电气工程
Ｍａｅｈａｔｒｏｎｉｅｓ如图５所示，ＩＥＥＥｌ５８８协议的实现以及相关的网
络监听主要分为４个部分醐：
１．报文接收和报文检测：从ＭＩＩ总线上截获网络
上的报文，根据网络报文的报头结构检测出ＩＥＥＥｌ５８８
协议报文，将原报文格式（４位并行，小端方式组装）转
换为８位并行数据格式，同时产生读取时间戳的信号。
２．ＦＩＦＯ：即队列。
采用ＦＩＦＯ存储ＩＥＥＥｌ５８８报文数
据，可以大大简化电路的结构。
３．ＣＲＣ：根据ＩＥＥＥ８０２．３标准，以太网传输数据采
用ＣＲＣ３２（３２位ＣＲＣ）进行差错校验该部分对接收到
的所以ＩＥＥＥｌ５８８报文进行校验。
该部分对接收到的
ＩＥＥＥｌ５８８协议报文进行ＣＲＣ３２校验，丢弃错误报文。
４．ＩＥＥＥｌ５８８协议控制：负责整个ＩＥＥＥｌ５８８协议
的运行，它包括解析ＩＥＥＥｌ５８８协议报文、产生
ＩＥＥＥｌ５８８协议报文并供上层ＣＰＵ读取发送到网络上、
计算时间偏差ｏｆｆｓｅｔ用于时间修正等。
通过分析ＩＥＥＥｌ５８８协议的运行原理，本文得出以
下的结论：时间戳的获取直接影响时钟同步的精度，获
取时间戳的地方越接近网络物理媒介，所能够达到的
同步精度就越高。
因此，在ＭＡＣ层和物理层获取时间
戳是最佳的方法，即在独立媒体接口总线上获取时间
戳。
三、误差分析
为了检测该时钟同步系统的实际同步效果，本文
采取了如下的间接测试方案：按照本文提出的方式，设
计一个时钟同步系统（为了简化测试过程，该系统只有
两个节点），如图６所示，其中，Ａ安装有ＧＰＳ授时模块
为主时钟，Ｂ为从时钟。
该系统各个节点（Ａ节点和Ｂ
节点）通过各个的控制电力参数测量和计算装置同时
对同一个白炽灯测量电压一电流的相位差，通过比较
Ａ节点和Ｂ节点的结果，从而分析出该系统的时钟同
步效果。
图６测试方案示意图
在网络稳定的情况下，可得到如图７的测试结果，
其中横坐标为时间，纵坐标为白炽灯的电压一电流相
位差。
可以看出在网络稳定的情况下，两个节点时钟同
步精度在２０微秒内，当然这是一种较为理想的情况，
在实际情况下，节点数目会更多，同步精度会有所下
降，条件所限，这里不详细论述。
方。