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基于STM32F407的IEEE1588从时钟设计与实现

唐雪松  
【摘要】:为了满足数字化变电站数据实时采集准确性,故障录波一致性的要求,站中各个监控保护设备,控制设备必须运行在统一的时间基准下,近年来随着网络化系统与分布式设备在变电站中的应用日趋广泛,数字变电站系统对站内各个设备节点间的时钟同步精度要求越来越高,但目前应用于电力系统中的各种时钟同步技术无法同时满足未来智能变电站对时高精度,高可靠性,低成本的要求。2002年提出的IEEE1588时钟同步协议,能以较低的开销达到亚微秒级的时钟同步精度,尤其适用于智能化变电站这样的局域网时钟同步系统。 本文首先阐述了IEEE1588v2时钟同步协议的基本原理,详细介绍了PTP协议的同步机制,最佳主时钟算法,边界时钟与透明时钟的工作原理,然后进一步深入介绍PTP时钟属性,PTP时钟协议引擎状态机,PTP报文格式。 本文提出并实现了基于STM32F407微处理器的IEEE1588从时钟系统的软硬件设计方案。其中硬件设计包括:处理器以及PHY芯片的选择;STM32F407处理器与DP83640芯片以及PL2303HX芯片的硬件电路接线设计。软件设计包括:MAC层报文收发驱动程序设计;MAC层硬件获取时间戳驱动程序设计;Lwip轻型TCP/IP协议栈的移植与应用;PTP协议引擎状态机程序设计;报文收发处理程序设计;最佳主时钟算法程序设计;IEEE1588本地时钟频率同步与向量同步的实现;上位机通信程序设计。 最后,对本文提出的IEEE1588从时钟的设计方案进行同步精度测试。分别测试从时钟采用向量同步与采用频率同步时的时钟同步精度,经实际测量,采用向量同步时,从时钟同步精度仅能达到微秒级别;采用频率同步加向量同步时,从时钟同步精度可达±200ns以内,满足智能变电站对时钟同步精度的要求。同时,通过实验验证了频率同步可以有效的消除从时钟晶振频率偏差对时钟同步精度造成的不良影响,进一步证明了在IEEE1588系统中,从时钟晶振稳定度对从时钟的同步精度影响较大。


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