基于i.MX RT1180跨界处理器实现IEEE 1588精确时间协议同步的方案

简介

在前面的文章中介绍了i.MX RT1180跨界的主要应用场景是在与智能制造的测量领域，而这其中时间同步是一个实时系统能够稳定运行的关键。而主流的工业网络协议基本上的同步原理都是一脉相承来自于IEEE 1588标准，今天本文就介绍一下RT1180上如何实现1588同步。

1588基本原理简介

首先来了解一下802.1AS（又叫gPTP）协议本身。gPTP协议最早可以追溯到20世纪90年代，的速度开始从10Mbps往100Mbps发展，而早期的时间同步协议NTP工作在应用层并且由纯软件实现，它通常只能保证毫秒级的同步精度，这无法满足工业自动化，汽车，等应用领域对同步精度的要求。

为了解决这个问题，在2002年,IEEE正式发布了1588协议的V1版本，定义了时间同步的基本原理，此版本的同步精度可以达到亚毫秒级，而在2008年发布的V2版本中引入了硬件时间戳的定义，同步精度由此提升到了亚微秒级。到了2011年第一版的gPTP协议发布，它脱胎于1588V2，但是与之不同的是它对1588V2进行了简化，抛弃了一些特性选项，并且针对性的仅工作在二层网络上以提升精度。再到2020年，IEEE又发布了一版802.1AS-2020协议，创新的加入了多个时间域的支持，使得不同种类的应用可以使用独立的时间域，有效提升了容错及冗余能力。

同步原理方面，从NTP到gPTP，使用的原理都是同样的步骤，如下图所示：

主时钟与从时钟之间通过Sync，Follow_up，Delay_req，Delay_ep四种帧的，让从时钟能够获取与主时钟的偏移以及传输延迟，然后从时钟调整自己以与主时钟同步。

通常来说，在计算偏移与延迟的过程中，时间戳越接近的出口就能够获取越准确的结果，而RT1180就依赖于一个内置的mer模块，能够在MAC的出口获取时间戳，获得相对较为准确的数据。

RT1180 1588 Timer模块

RT1180的Timer模块的基本结构如下图所示：

时钟源的稳定是时钟同步的基础，所以RT1180的Timer可以支持多种时钟源输入作为计数源，可以根据需求选择不同稳定标准的时钟源来作为时基。

这个Timer提供了多个以提供准确的时间戳。包含两个64-bit的counr寄存器TMR_CNT，TMR_OFF。除此以外，还提供了两个32-bit的寄存器TMR_C配合TMR_D寄存器可以用于微调TMR_CNT的值，以让输出的时间戳能够与主时钟同步。

具体到它的调节原理如下，TMR_CNT会按照TMR_CTRL[TCLK_PERIOD]中设定的值每个周期递增，TMR_ACC（累加器）在每个定时器时钟周期都会按照TMR_ADD[ADDEND]的值递增。当TMR_ACC累加到溢出时，TMR_CNT会额外加1，用于补偿时钟频率中的小数部分。调整TCLK_PERIO以及TMR_ADD寄存器的值就可以做到调节Timer的输出时间戳的值而达到调节时钟频率的目的。

同时这个Timer还提供了Al以及Fiper寄存器，Alarm寄存器用以实现到达指定时间时输出脉冲，Fiper模块用以实现周期性的脉冲输出，主要用于1PPS信号的输出。

在实际的1588实现中，在周期性的计算offset的情况下，会使用控制的方法来动态调节TCLK_PERIOD与TMR_ADD的值以实现时钟频率的微调，让offset能够保持在一个稳定的范围以内。

RT1180时钟同步效果

同步的基本原理上面已经介绍过了，而在i.MX RT1180上，提供的GenAVB/TSN软件包也可以用于测量实际的同步效果，下图就是基于两块RT1180-EVK单跳连接下所测量出来的gPTP的同步效果，可以看到offset还是保持在一个较低的值。

在确定性网络和工业自动化的时代，时间不仅是维度，更是协作的基石。i.MX RT1180凭借精准的时钟同步能力，让每一个节点都能“踩准节拍”，实现微秒级甚至纳秒级的协同。

未来，无论是智能工厂、车联网，还是能源系统，这种“魔法”都将成为推动高效、可靠通信的核心力量。时序共律，才能奏响工业互联的完美乐章！