IEEE 1588標準的設想是要在乙太網路的連網設計中增加定時同步。該協定通常用於資料通訊和無線基地台,透過網路實現同步定時。現在,同步網路定時在廣泛的工業和發電市場日益普遍。可編程邏輯控制器(PLC)、無刷馬達、機器人、同步相量(synchrophasor)、裝配線控制等領域正尋求採用IEEE 1588同步定時方案。

一項設計的定時準確性取決於設計要求以及連接的網路。使IEEE 1588變得複雜的原因,是任何IEEE 1588設計的定時準確性與精確性均取決於許多因素,包括網路配置類型、節點數量和網路的其他特點。一般來說,網路上IEEE 1588感知點越多,定時越準確。為了幫助定時精確,IEEE 1588標準建立了許多設定檔來幫助提高定時精確性。每個設定檔設計用於支援不同應用的要求。例如,電力設定檔用於支援發配電應用。當實施一項設計時,必須支援適當的設定檔。

IEEE1588網路可以由乙太網路交換機、閘道和接取點以及主從/客戶端點設備組成。主從/客戶端點僅需要單個乙太網路埠。大多數需要IEEE1588的工業設備,如智慧電網繼電器僅需要一個乙太網路埠。雖然主從/客戶設備僅需要一個埠,但在設計中增加IEEE 1588卻並非容易的事。

在IEEE 1588設計中需要實施以下四項關鍵功能:

  • 透過乙太網路PHY或其他設備支援時間戳記;
  • 需要支援的設定檔必須包括在處理器運行的軟體程式中;
  • 一個在軟體程式運行的演算法,必須能夠根據IEEE 1588設定檔輸出以調節PLL;
  • 可動態調節以輸出網路定時時脈的PLL。

圖1是完整的IEEE1588解決方案方塊圖。

20171031_Microsemi_NT41P1 圖1:完整的1588主從/客戶解決方案

可以利用多種設計方法來實施IEEE 1588功能。例如,如果你的設計已經有一個主處理器和作業系統(OS),你是否會把設定檔軟體程式與你的其他軟體程式碼整合在一起?主機板運行的OS是否可運行你的設定檔程式?或者你是否採用低階處理器來實施整個解決方案,如同圖1所述?

當然,對現有主處理器增加設定檔軟體程式並不會增加元件成本,但會增加軟體工程成本。如果現有OS擁有適用的設定檔程式,還必須確保IEEE 1588程式的運行速度足夠快,及主處理器的各種中斷不會導致程式運行失敗。由於軟體工程師通常並不瞭解設定檔程式的臨界回應時間,因此,這是一項不容易克服的挑戰。

替代方法是整個解決方案採用專用外部處理器。雖然這會增加單板成本,也可能會增大板面積,但是,這樣做有幾個重大益處。

首先,不需要進行昂貴的軟體整合和驗證工作。僅採用外部處理器,驗證工作將大幅減少,這樣做還有上市時間優勢。此外,如果這個專用處理器已經證明可以運行IEEE 1588設定檔,那麼性能就能得到保證。最後,採用專用處理器,由於只需要驗證IEEE 1588設定檔軟體,而不必驗證整個主處理器和OS軟體,因此,現場更新速度更快。

當需要實施單埠IEEE 1588主從/客戶設計時,有許多權衡因素需要考慮。用戶應該考慮自己公司內部所能夠支援這個標準的專業技術能力。如果使用者的組織對IEEE 1588的瞭解很透徹,則整合式軟體可能是正確的選擇。而對IEEE 1588瞭解不深的用戶,應採用提供完整解決方案的外部處理器。