基于白兔时间同步协议的加速器节点时钟同步系统.pdf

年第 期(第 卷总第 期)基于白兔时间同步协议的加速器节点时钟同步系统苏 畅 梁 昊(中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 安徽 合肥 中国科学技术大学 近代物理系 安徽 合肥)摘 要:提出了一种基于白兔时间同步协议 利用 系列现场可编程门阵列()实现多节点亚纳秒级别时间同步 并通过测量触发信号到达时间 根据设置的延迟进行恢复 从而实现高于 时间分辨率 该方法能够精确控制多节点信号发生的绝对时间 具有广泛的应用前景 特别地 该方法可应用于同步辐射加速器中 提高实验数据的准确性和稳定性 有望在材料科学、生物学和化学等领域中得到广泛应用 该研究成果为同步辐射加速器的研究和实验提供了新的解决方案 有望推动同步辐射技术的发展 为科学研究和工程应用提供更多可能关键词:数字电路 白兔时间同步协议 同步辐射加速器 时间数字化中图分类号:文献标识码:/引用格式:苏畅 梁昊.基于白兔时间同步协议的加速器节点时钟同步系统.网络安全与数据治理 ():.():.:引言本文提出了一种基于白兔时间同步协议和 系列 的方法 可实现同步辐射加速器中多节点的触发信号高精度时间同步和数字化 如果没有定时系统就无法精确控制和测量加速器不同节点信号间的时间关系 从而无法获取详细信息 因为粒子以接近光速在加速器中运动 即使是纳秒级别的定时误差都会造成粒子的位置产生几米的误差 因此 定时系统对于同步辐射加速器的运行和实验结果的精确性至关重要 当前 主流的定时系统包括白兔和事件定时系统 相较于事件定时系统 白兔技术易于集成到现有网络和系统中 且作为一个开放硬件和软件项目 可以自由使用和修改以满足特定需求 因此 本文选择白兔技术作为实现方案同时 为了实现精确的定时和触发信号恢复 还必须考行业应用 年第 期(第 卷总第 期)虑温度变化等因素对系统的影响本文方法精确实现了各个加速器节点相对于主节点的优于 精度的时间同步功能 具有广泛的应用前景 本文的研究成果不仅为同步辐射技术的发展提供了新的解决方案 也为科学研究和工程应用提供了更多可能 时钟同步系统介绍同步辐射光源的运行涉及从线性加速器到束注入最终进入储存环的许多不同类型的设备 需要进行精确的高精度定时控制 图 所示为同步辐射加速器结构示意 在该系统中 高精度的定时系统是控制系统不可或缺的重要组件 准确的远距离节点间时间同步与触发信号的时间测量和延迟分配系统至关重要 为此 采用了白兔时间同步协议 该协议建立在/和 标准上 利用以太网完成不同节点间亚纳秒时间同步 以确保所有节点的时间同步图 同步辐射加速器结构示意图 为了准确测量同步辐射光源的触发信号到达时间并将其分配给不同的节点 采用 对信号进行电子收集和数字处理 采用了延时链技术来提高精度 该技术具有定长和低内部延迟的优势 可以充分利用 的能力 当信号进入延时链时 它被引导到每个链条阶段相邻的 触发器中 然后 触发器的输出结果被转换成时间 以实现 的精度 在完成准确的时间测量后 需要根据该时间将触发信号延迟一定的值并采用延时链技术来实现 的可调步长延迟 延迟后的信号将被作为其他节点的触发信号使用本文使用白兔时间同步协议和 的内部进位链结构实现了不同节点之间高于 时间分辨率的时间测量和延迟分配功能 从而保证了各个节点的高精度时间同步 时钟同步系统系统结构设计时钟同步系统中 每个节点都由一块商用 载板及一块包含比较器和电平转换功能的子板组成 它们之间通过以太网连接 在白兔交换机的支持下进行通信同时 一台电脑负责与主节点通信 主节点承担接收触发信号并通过白兔网络将其下发到各个子节点的任务时钟同步系统的结构如图 所示在测试过程中采用以下结构:使用信号发生器产生触发信号 并通过白兔网络发送到子节点 节点生成延迟信号并将其发送到示波器上 如图 所示图 时钟同步系统系统结构图 测试系统结构节点的主要功能如图 所示 主节点与子节点采用相同的设计 外部输入的触发信号通过 型子迷你连接器()接口进入子板 然后进入高速比较器的一端 通过和 控制的数字模拟转投稿网址:年第 期(第 卷总第 期)换器()输出电压比较得到低压差分信号传输()电平标准的数字信号 并传输到 输入引脚中 数字化触发信号的到达时间 通过白兔网络传输到子节点 并通过设定的延时恢复出触发信号其中 延时时间通过与电脑相连的串口在电脑上设置设置完成后通过白兔网络传输到子节点中机箱主要负责固定电路板和提供电源等功能图 电路板的功能框图 时钟同步系统 逻辑设计 的功能模块主要包含以下三个:白兔模块负责通过白兔网络传递时间同步数据帧 以实现不同节点之间的时间同步 数字时间转换()模块则负责将输入的触发信号到达时间数字化可以精确地测量触发信号的时刻 直接数字合成()模块负责定时产生恢复的触发信号 白兔模块白兔()项目由欧洲粒子物理研究所()和德国重离子研究所()于 年发起 该项目通过分布式光纤网络实现高性能同步 精度为亚纳秒级别 抖动精度为皮秒级别 旨在为大型物理实验设备(如加速器设施)的下一代控制、数据采集和时序系统打下基础 由于该项目从底层开始设计 完全兼容 协议 遵循硬件、固件和软件的开源规则因此在全球许多实验室和公司中得到了广泛关注白兔实现的原理可以简单地抽象为以下结构:主节点发送同步帧 其中包含主节点发送的本地时钟信息 该帧通过单模光纤传输到子节点 子节点接收同步帧并记录其接收到该帧时的本地时间 然后完成一个镜像操作将包含之前接收到的同步帧信息以及接收到的本地时间的同步帧发送回主节点 通过这种方式 再结合单模光纤的非对称因子以及全数字双混频鉴相的方式用于测量接收时间 可以精确计算出两个节点本地时钟之间的差异 通过这些手段 白兔网络可以实现亚纳秒级别的同步精度 模块 模块负责将接收到的触发信号的时间进行数字化 为了更精确地测量这个时间 一般有两种主流方式在 中实现:延时链法和多路时钟相移法延时链法的实现利用了 加法器的进位链结构利用每一级延时几乎固定为 左右来实现高精度的数字时间转换多路时钟相移法通过 生成多路等相移的时钟对输入信号进行测量来实现高精度的数字时间转换延时链法和多路时钟相移法在对 资源需求方面存在差异 在 这款 中 要想实现精度高于 的 如果使用多路时钟相移法 则需要多个锁相环()资源需求较大 无法满足需求 因此 只有采用延时链法才能实现高精度 图 为延时链的一种结构图 内延时链 的结构在多个 内部单元的加法器中 进位链结构被级联配置 信号从进位链的第一级逐级传播 每一级的传播延迟大致相同 同时 每一级的进位链输出也连接到同一片单元中的 触发器的输入端 然后所有 触发器的输出被编码并转换为时间表示编码 作为 的精细计数 使用 内部 产生的时钟作为 触发器的输入 的粗略计数是以时钟周期数为基础进行的当进位链的第一级接收到输入信号(即逻辑“”)时 信号通过进位链逐级传播 大约每 逻辑“”会传递到下一级 导致下一级的输出变为“”并使 触发器的输入变为逻辑“”因此 的道宽等于每个 触发器进位链的延迟 即 最小步长 其中 是包括的进位链级数 是单个进位链的延迟时行业应用 年第 期(第 卷总第 期)间 由于 内部布线资源的限制和考虑到时序问题每 个进位链级别连接到一个 触发器 使 道宽为 左右 模块 模块的作用是在接收到主节点通过白兔网络传递的触发信号后 让子节点在指定时间发出恢复的触发信号 这一过程基于本地时间和通过白兔网络发送的设定发射时间进行计算 从而实现对加速器各个节点的精确控制与 结构类似 模块也利用了延时链的结构将延时的精细时间转换为延时链的具体通道后 内部对应通道的多路选通门会将 触发器与加法器的输入相连 因此 当 触发器的输入为“”时 在时钟上升沿到来时 会使该加法器的输出为“”并沿着剩余的延时链传递 从而实现精细的延时 其他逻辑除了上述模块外 逻辑还包含以下功能模块:与上位机通信的逻辑、与温度传感器芯片通信的逻辑以及控制 的逻辑等 上位机实现了子节点选择、延时设置、电平选择、阈值设置、数据显示等功能 因此 逻辑在电路板上也实现了这些功能 如图 所示图 上位机软件界面 系统性能测试与优化 码密度校正由于噪声和时钟偏移以及延时链的非线性等因素 输出可能存在精度问题 导致时间测量结果存在偏差为解决这一问题 在信号发生器上持续生成周期为 的脉冲信号 并进行超过 万次的计数最终结果如图 所示 这些结果显示了 不同通道的实际宽度 将这些结果用于对 逻辑中的结果进行校正 从而提高准确性由于输入信号的时间间隔每次提高 因此可以认为输入信号均匀地遍历了 的所有通道 根据 测量的结果 可以推算出实际的道宽 然后 使用这个实际的道宽对每次测量结果进行修正 从而得到更接近真实的结果图 码密度结果 温度影响校正由于整个系统的准确性严格取决于进位链的延迟而该延迟也取决于温度 因此温度是一个需要实时测量的重要参数 其结果需要用于反馈和校正将电路板放入恒温箱中 将信号发生器的一个输出连接到电路板的输入 将另一个输出连接到示波器上设置延迟 以便可以在示波器上观察到输出脉冲 改变恒温箱的温度 并测量电路板上温度传感器芯片的温度值 同时测量示波器的双向延迟误差 将延迟设置为 对每个温度进行 次以上的测量 测试结果如表 所示表 温度测试结果拟合结果温度/延时/抖动/由表 可以观察到延迟误差随着温度的升高逐渐增大 为了纠正这个误差 可以在 模块的逻辑中添加一个简单的逻辑 根据温度来线性修改结果 通过在电路板上安装温度传感器芯片 可以实时测量温度 并通过将温度值与一个因子相乘来线性修正触发信号的恢复实现温度反馈功能 例如 当温度较高时 可以在触发信号恢复时减少额外的延迟 以保证在温度变化时结果近似不变基于测试结果 在 模块的逻辑中添加了温度反馈函数 允许 实时读取温度传感器芯片的温度 并根据温度对最终结果进行校正 将延迟设置为 重投稿网址:年第 期(第 卷总第 期)复测试并得到表 结果表 测试结果拟合结果温度/延时/抖动/从表 结果可以看出 在 模块添加温度反馈逻辑之后 系统对温度的影响更小了 在此之前 随着每 的变化 延迟会漂移约 添加温度反馈逻辑之后 变化基本上少于 这表明该系统可以在一定的温度变化下正常运行 白兔秒脉冲信号测试在逻辑中 可以设置让电路板输出和本地时钟同相的秒脉冲信号 将这两个节点的秒脉冲信号经过等长的线缆输入到示波器中 通过对两个信号的时间差进行统计拟合并作图 可以判断两者的本地时钟是否符合白兔亚纳秒级同步的精度要求 结果如图 所示图 秒脉冲时间差经高斯拟合得到的结果显示 两个节点的秒脉冲信号平均时间差为 抖动为 可以得出该结果符合白兔亚纳秒级同步的精度要求 模块测试电路板输出一个 周期信号和一个触发恢复信号两个信号都连接到示波器上 通过改变触发恢复信号的精细延迟来逐渐改变两个信号之间的延迟 每次测量至少包含 个事件 测量得到的延迟和抖动值进行线性拟合 测量结果如图 所示经过线性拟合得到的斜率为 为 表明结果的线性程度较好 因此 可以认为测量结果是可靠的根据拟合曲线 可以建立微调延迟和相应通道号之间的映射关系 以提高精细延迟的精度图 精细延时曲线总体而言 通道延迟呈线性变化 但也存在一些不均匀的情况 这是因为当延时必须穿过一个块时 会增加很多额外的延迟 导致最终结果不太均匀 这取决于 资源块中的切片数量 并且是无法避免的 整体测试结果为测试电路板的实际性能 需要设置不同的延迟并分析结果以获得实际误差和时间分辨率在完成前面的工作后 该电路板进行了不同延迟的重新测试 信号发生器频率设置为 每次测量至少包含 个事件 测量得到子节点的实际延迟和延迟抖动如表 所示表 测试结果拟合结果设置延时/延时/抖动/根据最终测试结果 可以发现整个系统的延时误差不超过 抖动不超过 足以满足加速器时间同步以及触发信号生成要求的亚纳秒级同步要求 结论本文成功实现了一种基于 的高精度时间同步触发信号恢复电子学 具有 的时间分辨率 通过使用白兔时间同步协议 实现了远距离节点之间的亚纳秒精度时间同步功能 借助 内部进位链 实现了 和 功能 具有易于实现和便于快速修改的优点 通过对码密度进行测量 并根据结果对 结果进行了修改 成功提高了时间分辨率 同时考虑到温度的影响 对整个电子学的温度依赖性进行了测试 并基于结果在 模块的逻辑中添加了温度反馈模块 修正了温度产生的延时的漂移影响 最后实现了(下转第 页)行业应用 年第 期(第 卷总第 期)李红霞 张焕欣 刘元 等.核电 网络安全防护技术研究.自动化仪表 ():.李实 万佳蓉 林显盛.基于蜜罐的工控网络安全防护技术研究进展.信息技术与网络安全 ():.杨景利 刘元 孟庆军 等.核电厂仪控系统安全防护策略研究及应用.自动化仪表 ():.(收稿日期:)作者简介:李实()男 硕士 高级工程师 主要研究方向:工控系统网络安全李若兰()女 本科 工程师 主要研究方向:工控系统网络安全王颐硕()男 硕士研究生 主要研究方向:工控系统网络安全(上接第 页)时间分辨率优于 的时间同步及触发信号恢复系统综上 本文的技术方案可行 达到了预期目标 实现了加速器不同节点间 时间分辨率的触发信号恢复以及时间同步功能参考文献 何健 董晓浩 殷重先 等.上海光源线站 精度定时系统设计.核电子学与探测技术 ():.盛六四 刘祖平 宫晓构 等 合肥同步辐射光源.中国科学院院刊 ():.:/:./.:/.朱望纯 康博 李恩 等 基于 的亚纳秒时间同步技术研究与实现.光通信技术 ():.刘音华 刘正阳 刘琼瑶 等.进位链实现 的若干关键技术问题.电子测量技术 ():.()./():./.:/.(收稿日期:)作者简介:苏畅()男 硕士研究生 主要研究方向:物理电子学梁昊()男 博士 副教授 主要研究方向:核与粒子物理电子学、量子信息电子学、数据获取与处理投稿网址: