IEEE1588v2 时间同步以太网网络

EtherSynch™ - 完美的同步

_________________________________________ 降低IEEE1588v2时间同步以太网网络的实现成本

白皮书

作者：Mike Jones

Micrel公司高级产品营销经理

引言

下一代工业自动化系统将更多地围绕具有低消息延时、灵活拓扑和集成式定时功能的分布式高性能网络进行建构。目前市场上已有多种所谓的新兴工业以太网框架，它们的基础是紧密集成了IEEE 1588v2(也称为IEEE 1588-2008)分布式同步功能的标准以太网通信技术。IEEE 1588v2可以提供亚微秒性能和灵活的定时模式，在不断壮大的供应商生态系统中获得了广泛的认同。具有高性价比的IEEE 1588v2正在逐步替代许多特殊的工业互连架构。像Ethernet/IP、Profinet和PowerLink等充分利用了商用现成(COTS)技术的工业以太网标准都在积极地部署集成了IEEE 1588功能的以太网。同样，电源系统自动化行业也制定了一个重要的标准来指导配电站的自动化，即IEC 61850。在为配电站自动化系统(SAS)的成熟通信框架中部署以太网、IEEE 1588和响应容错机制方面，IEC 61850取得了新的突破。还有许多较低端的应用，虽然它们的同步要求远非亚微秒抖动那样严格，但潜在的成本问题却阻碍了IEEE 1588v2标准的实现。

而在高端场合，有一些应用要求的同步性能远超IEEE 1588v2标准的规定值。在工业自动化领域中，已经有EtherCAT和Profinet IRT等事实上的标准，它们的同步精度在10ns数量级，可满足最重要的实时应用要求。EtherCAT和Profinet IRT使用的是私有技术，这些技术不使用标准以太网MAC(虽然两者都采用以太网10/100/100Mbps PHY层)。

不管是什么样的同步需求，推动这种市场的关键是利用现成的高集成度、低成本芯片实现高成本效益。Micrel公司最近推出的EtherSynch™产品系列向系统设计师提供了最高集成度的IEEE 1588v2网络附加器件，它们能显著地减小系统物理尺寸、功耗以及总的BOM成本。本白皮书将讨论在工业自动化系统中集成以太网和IEEE 1588v2的意义、Micrel公司EtherSynch™产品架构以及这些产品给工业以太网网络带来的好处。

时间同步网络的需求

就像大多数成功技术一样，大量低成本的标准化构建模块将进入各种广泛的应用，即使是同步精度要求不那么严格的应用。以太网和IEEE 1588的整合为精密定时的普及铺平了道路，通过发挥商用现成产品、经过验证的通信和同步技术以及生命期成本降低的优势，可进一步促进这种系统的开发。实现这种应用的关键是使用能够简化节点设计的高集成度芯片，并满足不断变化的接口要求，包括：

• 全面支持各种标准，包括IEEE 802.3(以太网)和IEEE 1588/PTPv2分布式定时和同步标准

• 标准化的铜和光纤媒体选项，以适应不同的电缆距离

• 灵活的拓扑：

o 集中式星形拓扑，以便充分利用结构化布线的好处

o 分布式菊花链拓扑(即环形和线性总线)，以便简化布线工程，方便动态修

改网络配置

o 混合拓扑，兼有集中式拓扑和分布式拓扑的好处。

• 可选的网络容错机制，以保持通信的可用性

• 支持分布式同步，这种同步方式可能被扩展到本地连接的器件

• 通信和同步方面的硬件辅助功能，以便最大限度地减少对嵌入式处理器的处理需求

• 丰富的I/O功能集，以适应具有不同工作特性的广泛器件

系统性能取决于上述这些因素的复杂组合，因此很难应用一般的经验进行网络配置。通信延时、同步抖动、环路恢复延时等都是互相交织在一起的。例如，增加环路恢复时间可能会降低同步性能。不管是增加网络带宽还是提高处理速度都无助于解决这种问题。对于更为高端的应用，可以通过前瞻性地解决可能降低同步性能的误差源来增强基于以太网的IEEE 1588v2实现性能。更高精度的振荡器、增强的电源滤波功能等有助于实现远低于100ns的同步性能。

推动如此广泛应用的挑战在于建立一个足够宽的、能够以很低成本涵盖应用需求的网络架构。这样，系统设计师才可能开发出兼具两方面优势的标准化构建模块，即以极具成本效益的价格实现只有芯片才能达到的高性能。

通过提高集成度降低成本

IEEE 1588v2实现还远未普及，一般用FPGA、物理层(PHY)收发器或微控制器实现。将以太网交换功能与IEEE 1588v2(和相关逻辑)集成在一起并不是件简单的事，需要额外的通信与同步处理(在主CPU中提供)。

以高性价比的方式从相对简单的串行互连与总线过渡到以太网/IEEE 1588v2集成式网络极具挑战性。考虑到RS-485接口和以太网端口之间的成本差异，将低端器件直接连接到以太网网络在成本上仍然是不可行的。为了获得与点到点系统相近的价格，以太网/IEEE 1588附加器需要复接多个器件(通过I/O引脚)。过渡到网络可以提供更大的灵活性，并具有许多好处。

以太网/1588v2附加器(假设是分布式拓扑)的成本包括：

• IEEE 1588v2支持

o IEEE 1588v2精密时钟

o 用于PTP数据包的2个时间戳单元(TSU)

o PTP硬件支持

• 三端口10/100以太网交换机

• 2个集成式介质访问控制(MAC)

• 2个10/100BaseTX PHY层收发器

• 精密I/O(同步到精密时钟)

• PTP软件(一般在主CPU上运行)

目前以太网/1588v2附加器是用FPGA实现的，带一对外部以太网PHY收发器，估计成本在20至30美元之间，或更高些。假设4至8个器件共享单个以太网/1588附加器，那么分摊到每个器件的成本在3至5美元左右，是RS-485接口收发器不到1美元成本的好几倍。为了将以太网/IEEE 1588附加器成本降低到与串行互连相当的水平，有必要做进一步的集成。进一步的集成一般可以通过ASIC实现。Micrel半导体公司最近就针对实时应用推出了KSZ84xx EtherSynch™系列支持IEEE 1588v2功能的以太网三端口10/100交换机，如图1所示。

图1：KSZ84xx EtherSynch™系列具有IEEE 1588功能的三端口交换机架构。

这种工业级平台是单芯片、高集成度的1588/以太网附加器的典型代表，可以提供诸多方面的好处：

• 线速、完全可管理的三端口10/100Mbps交换机

• 两个IEEE 1588v2时间戳单元(TSU)、精密时钟和分布式同步机制o 同步性能得到了提升，因为TSU位于MAC和PHY之间

o 支持祖时钟(Grand Master)、主时钟、从时钟和透明时钟模式

• 两个低功耗的10BaseT/100BaseTX PHY

o 最低功耗的100BaseTX PHY收发器(每个端口小于150mW)

o 支持100Base-FX光纤收发器