時間同步:這是使用PTPv2協(xié)議的結(jié)果,該協(xié)議不僅可測量鏈路傳播時間,而且還可提供全局時間概念。此外,“大白兔”還考慮了因在雙向光纖中為每次通信傳輸(在環(huán)路中向前和向后)使用不同波長而產(chǎn)生的有關(guān)傳播時間的不對稱性,從而可提高標(biāo)準(zhǔn)PTP協(xié)議的精度。由于頻率和相位之前已經(jīng)同步,因此我們可以在”大白兔”網(wǎng)絡(luò)中確保所有設(shè)備的全局時間概念。
所有這些工作均可在“大白兔”內(nèi)核中實現(xiàn),一部分使用適當(dāng)?shù)腇PGA門控件,一部分使用嵌入式軟件內(nèi)核?!按蟀淄谩碑a(chǎn)品包括執(zhí)行這些不同時鐘工作所需的適當(dāng)振蕩器、PLL和時序電子產(chǎn)品。
作為案例研究,下面我們將更詳細了解ZEN電路板。該電路板采用雙路“大白兔”內(nèi)核(D-WRC),這是Seven Solutions用我們最新系列賽靈思7系列產(chǎn)品開發(fā)的原始“大白兔”內(nèi)核的修訂版。D-WRC能夠同步兩個“大白兔”節(jié)點,也可作為菊花鏈網(wǎng)絡(luò)中的中間鏈路。此外,ZEN電路板還包含由D-WRC控制的高精度、低抖動、溫度補償時鐘資源。
圖2 — 基于Xilinx Zynq SoC器件的“大白兔”門控組份
圖3 —“大白兔”LEN電路板(上圖)和ZEN(右圖)電路板。它們分別由Artix FPGA和Zynq SoC器件提出支持,采用支持工業(yè)應(yīng)用的適當(dāng)外殼。
此外,Zynq SoC在Linux操作系統(tǒng)下運行的雙核ARM? Cortex?-A9處理器可促進用戶應(yīng)用的開發(fā)。板載提供Linux,有助于使用令人關(guān)注的全新特性,例如適用于配置的Web服務(wù)、狀態(tài)監(jiān)控的SNMP支持以及遠程固件加載與更新。
ZEN電路板旨在用作提供高精度時間,它可提供多樣化連接與擴展帶來的大量可能性:
IRIG-B I/O是ZEN電路板使用的當(dāng)日時間,它既可作為主設(shè)備,也可作為從設(shè)備。
兩個連接至ARM處理器的10/100/1000以太網(wǎng)端口可用于各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和協(xié)議(NTP、sNTP、PTPv2 以及管理等)。
提供兩個SFP模塊,用于插接符合”大白兔”規(guī)范的鏈路。
SMA連接器可讓ZEN電路板與更精確的時鐘同步(例如GPS源或高穩(wěn)定振蕩器),提供由“大白兔”同步的各類時鐘。
FMC連接器可插入一款采用“大白兔”項目框架開發(fā)的夾層板,或是市場現(xiàn)有的任何其它工業(yè)電路板。這些FMC卡不僅可增強ZEN的發(fā)展?jié)撃埽疫€可實現(xiàn)大量的產(chǎn)品配置。
存儲器資源包括SD、DDR3和閃存。
包含兩個UART-USB連接器,可在D-WRC和Cortex處理器中進行管理和調(diào)試。
簡言之,ZEN電路板可為最終用戶提供一個節(jié)點,其不僅可實現(xiàn)亞納秒同步并以菊花鏈方式工作,同時還可盡其所能地提供最佳的Zynq SoC與全新水平的系統(tǒng)設(shè)計功能。
“大白兔”設(shè)備
“大白兔”技術(shù)肇始于CERN提倡的開放式硬件社區(qū)(開放式硬件庫,OHWR)。為加速該技術(shù)的學(xué)習(xí)進程,Seven Solutions開發(fā)出了一款由兩片名為SPEC的Spartan?-6電路板組成的“大白兔”入門套件。其中一個可配置為主設(shè)備,另一個則可配置為從設(shè)備。目的是鼓勵用戶執(zhí)行幾個早期評估實驗。
這項技術(shù)最復(fù)雜的組份是交換機。我們通過與CERN、GSI以及其他合作伙伴合作,共同開發(fā)了18端口“大白兔”交換機,從而設(shè)計了采用MicroTC尺寸規(guī)格的主板。核心組份是一款Virtex?-6 (LX240T) FPGA。我們將該器件與一款運行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的外部處理器(ARM926E)進行配對,執(zhí)行了系統(tǒng)更新和文件管理等各項高級工作。該交換機使用了18個針對SFP的GTX鏈路以及40個面向通用任務(wù)(LEDS、SFP檢測等)的GPIO。這是一種非常復(fù)雜的產(chǎn)品,既能分配時間,也能在使用標(biāo)準(zhǔn)電信工具的同時處理數(shù)據(jù)包。
近期,Seven Solutions將“大白兔”內(nèi)核移植到了LEN電路板中的賽靈思Artix? FPGA系列中(圖3),實現(xiàn)了比現(xiàn)有OHWR器件成本更低、能效更高的解決方案。此外,我們剛剛開發(fā)出了一款基于Zynq SoC器件的“大白兔”產(chǎn)品。該WR-ZEN節(jié)點(之前的名稱)代表一個完整的通用片上系統(tǒng)方法,其中節(jié)點和計算機都整合在同一電路板中。該解決方案可在降低成本,改善系統(tǒng)靈活性的同時,實現(xiàn)更便捷的維護。
Seven Solutions目前開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品可為管理、配置和監(jiān)控提供標(biāo)準(zhǔn)接口,不僅能充分利用“大白兔”技術(shù)的各項優(yōu)勢,同時還可提供更強大的特性、支持和文檔。
“大白兔”應(yīng)用
“大白兔”技術(shù)的第一個目標(biāo)是科學(xué)應(yīng)用。近期該技術(shù)已經(jīng)在一些設(shè)備及研究項目中整合,用于高能物理及分布式射電天文設(shè)施的框架中?!按蟀淄谩奔夹g(shù)已經(jīng)在多個粒子加速器(CERN、GSI以及其他機構(gòu))中使用,而且KM3NeT與HISCORE等國際科研計劃也正在考慮使用該技術(shù)。因此,“大白兔”方法已在各種要求嚴格的應(yīng)用中得到驗證,這類應(yīng)用要求通過大型設(shè)施上的分布式儀器實現(xiàn)精確的時序與頻率轉(zhuǎn)移。
2014年,“大白兔”還由荷蘭VSL進行了125km的遠距離鏈路測試,并由芬蘭MIKES進行了1,000km的遠距離鏈路測試。
在科研領(lǐng)域之外的廣泛應(yīng)用中也需要精確時序。智能電網(wǎng)要求準(zhǔn)確可靠的時序,而高頻率交易也離不開經(jīng)過認證的精確時序。
許多此類應(yīng)用領(lǐng)域目前依賴的是GPS時序信號,這種信號生來就容易受到影響(由于環(huán)境條件或者由于意外或惡意阻塞及電子欺騙)。GPS不應(yīng)該用于安全關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施(2010年1月20日《美國空軍首腦對過度依賴GPS的警告》,摘自《Inside GNSS》雜志新聞)。在這一點上,“大白兔”代表著一種替代性解決方案,其可實現(xiàn)通過地面光纖進行高精度時序及頻率傳輸??赏ㄟ^部署標(biāo)準(zhǔn)電信網(wǎng)絡(luò)來降低這種方法的成本。
除“大白兔”的功能特性外,Seven Solutions還正在面向要求高可用性的重要應(yīng)用開發(fā)全新工業(yè)產(chǎn)品。冗余電源、熱插拔風(fēng)扇、延期振蕩器以及其它技術(shù)允許其部署于不能承受系統(tǒng)故障或長時間維修過程的設(shè)施。
圖4 — 為不同節(jié)點提供精確時序的“大白兔”網(wǎng)絡(luò)。
菊花鏈配置允許通過WR-LEN節(jié)點。
圖4是如何將WR-LEN用作分布式機制,以簡單低成本的方式提供時序信息。該系統(tǒng)能夠以類似GPS的方式分配時序。它使用適用于電網(wǎng)應(yīng)用的IRIG-B輸出格式提供時序。此外,PTPv2也是一種可用的接口,是一種有效選項,因為它能夠與現(xiàn)代電網(wǎng)設(shè)施上使用的PTP網(wǎng)絡(luò)集成。
圖5是基于ZEN時間提供技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置。該實例中顯示了更多功能強大的特性。關(guān)鍵組份上的冗余電源、冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲及延期CSAC振蕩器都可實現(xiàn)。此外,F(xiàn)MC擴展端口還可實現(xiàn)添加夾層卡,進一步開發(fā)更多傳感與控制應(yīng)用。
未來發(fā)展
“大白兔”是一項前景光明的技術(shù),能夠解決智能電網(wǎng)、電信以及高頻率交易等各類終端應(yīng)用領(lǐng)域的同步需求問題?!按蟀淄谩辈粌H能解決相位同步等問題,同時還能以亞納秒精度為分布在遙遠距離(數(shù)百公里)的數(shù)以萬計的設(shè)備同步時鐘。因此,“大白兔”還能實現(xiàn)超高精度時間傳輸以及無損的全面數(shù)據(jù)傳輸。
這些特性加上“大白兔”的可擴展性,將有助于開發(fā)整個世界范圍的地面同步機制,其不僅可用作GPS解決方案(基于地面衛(wèi)星接收站天線)的后臺技術(shù),而且還能開啟自動駕駛汽車或室內(nèi)導(dǎo)航等全新應(yīng)用的大門。即將來臨的100G電信網(wǎng)絡(luò)將通過高精度服務(wù)質(zhì)量評估機制獲得巨大優(yōu)勢,而5G無線技術(shù)則可使用“大白兔”解決眾所周知的相位同步問題。
這些只是“大白兔”可能會在其中產(chǎn)生巨大影響的未來應(yīng)用的部分示例。此外,由于“大白兔”可能會在IEEE-1588v3配置文件(目前正在考慮)中得到標(biāo)準(zhǔn)化,因此它將非常容易適應(yīng)多家廠商。而且我們認為最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用還未出現(xiàn)。
Seven Solutions正在提供第一批基于“大白兔”技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品。我們的交鑰匙解決方案不僅可便捷集成在基于標(biāo)準(zhǔn)電信接口的用戶應(yīng)用中,而且只需使用Web服務(wù)或SNMP等標(biāo)準(zhǔn)軟件便可完成配置/讀取。下一步我們將針對分配RF生成(無需發(fā)送參考頻率)或觸發(fā)事件采集整合各種特性,提供大量電信應(yīng)用所需的高精度。
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