以太网在1985年成为
IEEE802.3标准后,在1995年将
数据传输速度从10Mb/s提高到100Mb/s的过程中,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题,开发出一种软件方式的
网络时间协议(NTP),提高各
网络设备之间的定时同步能力。1992年NTP版本的同步
准确度可以达到200μs,但是仍然不能满足测量仪器和
工业控制所需的准确度。为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要,具有共同利益的信息技术、
自动控制、人工智能、测试测量的
工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密
时钟同步委员会,2001年中获得
IEEE仪器和测量委员会
美国标准技术研究所(
NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE1588标准。
IEEE1588的全称是“
网络测量和控制系统的精密
时钟同步协议标准”,IEEE1588标准的草案基础来自
惠普公司的1990至1998年的有关成果,换句语说,
安捷伦科技对IEEE1588标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被网络业界视为专家,他的“IEEE1588在测试和
测量系统的应用”,以及“IEEE1588:在测控和通信的应用”两篇论文对IEEE1588协议有精辟和全面的介绍。IEEE1588协议是通用的提升
网络系统定时同步能力的规范,在起草过程中主要参考
以太网来编制,使分布式通信网络能够具有严格的定时同步,并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将
网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步,提供同步
建立时间小于10μs的运用,与未执行IEEE1588协议的以太网
延迟时间1,000μs相比,整个网络的定时
同步指标有显著的改善。
·早期的
网络时间协议(NTP)只有软件,而IEEE1588既使用软件,亦同时使用硬件和软件配合,获得更精确的定时同步;
·GPIB总线没有
同步时钟传送,依靠并行电缆和限制电缆长度(每器件距离)不超过5m来保证延迟小于30μs;
·GPIB的数据线与控制线是分开的,VXI和
PXI两种总线分别在
VME和
PCI计算机总线上扩展,都要增加时钟线。IEEE1588无需额外的时钟线,仍然使用原来
以太网的数据线传送
时钟信号,使组网连接简化和
降低成本;
·
时钟振荡器随时间产生漂移,需要标准
授时系统作校准,
校准过程要缩短和安全可靠。目前常用的有GPS(
全球定位系统)和
IRIG?B(国际通用时间格式码),IRIG?B每秒发送一个帧脉冲和10MHz
基准时钟,实现
主控机/
客户机的
时钟同步。IEEE1588采用
时间分布机制和时间调度概念,客户机可使用普通
振荡器,通过软件调度与主控机的
主时钟保持同步,过程简单可靠,节约大量时钟电缆;
·IEEE1588推出的时间尚短,还有待完善和修正。例如,对
集线器和交换机的透明网络可提供很好的定时同步,但还未克服装有路由器的带有不决定性的网络定时。目前正在设计和试产可测量引入延时和
自动补偿延时的
网络交换芯片。还有,IEEE1588完整芯片还未推出,只有
FPGA基的代用芯片,Intel公司已声称尽快生产可支持
奔腾处理器的IEEE1588完整芯片。
在
工业自动化方面更早采用IEEE1588,发表的文章也比较多,特别是在自动控制和
数据采集方面有所收获。专门供应
网络时间服务器的Symmetricom公司介绍一种涡轮机控制系统,前端的各种传感器连接到数据采集板,板上安装的精确时钟通过IEEE1588协议的
以太网与系统主
时钟同步,使传感器的
同步时间发生在1μs内,每秒钟内要执行200次测量,测量间隔5ms,传感器的轮换时间是1μs。控制系统内的多种测量仪器在时间对准后,按
本地时钟捕捉数据和分析数据,清除了触发产生的延迟。这种利用IEEE1588协议的以太网
数据采集系统,节省大量分别连接每个传感器的线缆,达到精确定时同步,便于远控测量,成本降低,已引起业界的重视。当前工业自动化使用
IRIG-B格式
时间码,具有每天
时间准确度小于1μs。应该看到,IEEE1588具有潜力,再将控制系统的每天时间准确度推进到100ns。原因在于IRIG-B时间码要每秒发送1个
时钟脉冲至每个
测量设备,并且随该脉冲发送每天的时戳,而IEEE1588协议可直接将每天时间信息从主控时钟发送到客户时钟,更具有优势。从
发展趋势来看,采用IEEE1588协议的
以太网将在工业
自动化系统中占有市场。
同样,采用IEEE1588协议 的以太网,解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈,显然在测量仪器系统的应用中将发挥更大作用。事实上,以太网的仪器
扩展接口LXI就是以采用IEEE1588协议的以太网作为骨干的仪器应用,再配备测量仪器系统所需的其它条件,组成吸收了
GPIB到VXI和
PXI的特点而构建的新一代测量仪器接口。