一种可实现高精度时间同步的数据传输方法

doi:10.19678/j.issn.1000-3428.0054138

计算机工程 ›› 2020, Vol. 46 ›› Issue (2): 118-125,133. doi: 10.19678/j.issn.1000-3428.0054138

一种可实现高精度时间同步的数据传输方法

杨冯帆^1,2, 常劲帆^1,2, 王铮^1,2

1. 中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室, 北京 100049;
2. 中国科学院大学物理科学学院, 北京 100049

收稿日期:2019-03-07 修回日期:2019-04-29 发布日期:2019-06-03
作者简介:杨冯帆(1992-),男,博士研究生,主研方向为核电子学与探测技术;常劲帆,高级工程师、博士;王铮,研究员、博士。
基金资助:
国家自然科学基金（11390385）。

A Data Transmission Method for High Precision of Time Synchronization

YANG Fengfan^1,2, CHANG Jinfan^1,2, WANG Zheng^1,2

1. State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
2. School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2019-03-07 Revised:2019-04-29 Published:2019-06-03

摘要/Abstract

摘要： KM2A探测器阵列是高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的主体探测器阵列之一，近7 000个探测器平均分布在1.3 km²的实验范围内。针对大面积分布式布局的高能物理实验中读出电子学系统的时间同步和数据传输问题，提出一种可实现高精度时间同步的数据传输方法。借助TCP/IP协议栈和White Rabbit时钟同步技术融合时钟网络与数据网络，TCP/IP协议栈在仅保留PC通信协议的基础上，无需增加额外硬件，即可实现高效可靠的数据传输和高精度时钟同步。测试结果表明，该方法可以实现探测器阵列内LHAASO KM2A读出电子学插件间时间同步精度优于1 ns，同时保证了数据传输的可靠性。

关键词: 高海拔宇宙线观测站, 时间同步, TCP/IP协议, 现场可编程门阵列, 硬件描述语言

Abstract: KM2A is one of the main detector arrays of Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO).Nearly 7 000 detectors are evenly distributed in the experimental area of 1.3 km².To address problems in time synchronization and data transmission for readout electronics in such a large-scale distributed high energy physical experiment,this paper proposes a data transmission method for high precision of time synchronization.This method uses TCP/IP protocol stack and White Rabbit technology to integrate clock network with data network.TCP/IP protocol stack is slimmed down to its PC communication protocol here,and can realize efficient and reliable data transmission and high-precision clock synchronization without any extra hardware added.Test results show that this method improves time synchronization precision of LHAASO KM2A readout electronics module to less than 1 ns,and ensures the reliability of data transmission.

Key words: Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO), time synchronization, TCP/IP protocol, Field Programmable Gate Array(FPGA), Hardware Description Language(HDL)

中图分类号:

TN919

杨冯帆, 常劲帆, 王铮. 一种可实现高精度时间同步的数据传输方法[J]. 计算机工程, 2020, 46(2): 118-125,133.

YANG Fengfan, CHANG Jinfan, WANG Zheng. A Data Transmission Method for High Precision of Time Synchronization[J]. Computer Engineering, 2020, 46(2): 118-125,133.

http://www.ecice06.com/CN/Y2020/V46/I2/118

图/表 18

20200218142105

20200218142108

20200218142111

20200218142114

20200218142117

20200218142121

20200218142125

20200218142128

20200218142131

20200218142137

20200218142140

20200218142143

20200218142146

20200218142149

20200218142154

20200218142157

20200218142201

20200218142204

参考文献

[1] CAO Zhen,LIU Jiali,BAI Yunxiang.Unsolved physics puzzle in the last century:what are sources of high energy cosmic rays[J].Bulletin of National Natural Science Foundation of China,2009,23(6):223-230.(in Chinese) 曹臻,刘加丽,白云翔.物理学中的世纪难题:高能宇宙线的起源之"谜"[J].中国科学基金,2009,23(6):223-230.
[2] HE Huihai.Review and prospects of cosmic ray studies[J].Physics,2013,42(1):33-39.(in Chinese) 何会海.宇宙线研究进展评述与展望[J].物理,2013,42(1):33-39.
[3] LIU Xiang,CHANG Jingfan,WANG Zheng,et al.Prototype of readout electronics for the LHAASO KM2A electromagnetic particle detectors[J].Chinese Physics C,2016,40(7):1-6.
[4] LIU Xiang.The electronics readout system for the LHAASO electromagnetic particle detector array[D].Beijing:Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences,2016.(in Chinese) 刘湘.LHAASO电磁粒子探测器读出电子学系统[D].北京:中国科学院高能物理研究所,2016.
[5] WANG Wei,CHANG Jinfan,LIU Xiang,et al.The design of electronics readout system for LHAASO KM2A muon detector[J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2015,35(5):452-456.(in Chinese) 王炜,常劲帆,刘湘,等.LHAASO缪子探测器阵列读出电子学系统研制[J].核电子学与探测技术,2015,35(5):452-456.
[6] HUANG Zhanhua,LIAO Ke,CAI Huaiyu.Method of hardware clock synchronization with high precision for wireless sensor network[J].Computer Engineering,2013,39(12):97-101.(in Chinese) 黄战华,廖可,蔡怀宇.无线传感器网络高精度硬件时钟同步方法[J].计算机工程,2013,39(12):97-101.
[7] DONGARE A,LAZIK P,RAJAGOPAL N,et al.Pulsar:a wireless propagation-aware clock synchronization platform[C]//Proceedings of 2017 IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2017:18-21.
[8] LI H,LIU S,FENG C,et al.TOF clock system for BES III[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2010,57(2):442-445.
[9] LIPINSKI M,WŁOSTOWSKI T,SERRANO J,et al.White Rabbit:a PTP application for robust sub-nanosecond synchroniza-tion[C]//Proceedings of ISPCS'11.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2011:1-8.
[10] STEVENS W R.TCP IP illustrated volume 1:the protocols[M].New York,USA:Addison-Wesley Reading,1994.
[11] WU Xu,ZHAO Lei,CHU Shaoping,et al.TCP/IP data transfer interface based on embedded system in the WCDA of LHAASO[J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2014,34(6):684-688.(in Chinese) 吴旭,赵雷,褚少平,等.基于嵌入式系统的LHAASO WCDA中TCP IP数据传输接口设计[J].核电子学与探测技术,2014,34(6):684-688.
[12] UCHIDA T.Hardware-based TCP processor for Gigabit Ethernet[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2008,55(3):1631-1637.
[13] PAN Weibin.Research on the high precision time measurement system for the LHAASO project[D].Beijing:Tsinghua University,2014.(in Chinese) 潘维斌.LHAASO实验高精度时间测量系统研究[D].北京:清华大学,2014.
[14] WLOSTOWSKI T.Precise time and frequency transfer in a WR network[D].Warsaw,Poland:Warsaw University of Technology,2011.
[15] DANILUK G.White Rabbit calibration procedure[EB/OL].[2019-02-11]. https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/uploads/76cdbdbadccc9d6c54d5caf246550fbf/WR_Calibration-v1.1-20151109.pdf.
[16] LI H,GONG G,LI J.Portable calibration node for LHAASO-KM2A detector array[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2017,64(6):1363-1366.
[17] XIE Xiren.Computer Network[M].7th ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2017.(in Chinese) 谢希仁.计算机网络[M].7版.北京:电子工业出版社,2017.
[19] POSTEL J.Transmission control protocol[EB/OL].[2019-02-11].https://www.rfc-editor.org/pdfrfc/rfc793.txt.pdf.
[20] WANG Lisheng,MEI Yan,CAO Nanyang.Design of light-weight TCP/IP stack in embedded system[J].Computer Engineering,2007,33(2):246-248.(in Chinese) 王力生,梅岩,曹南洋.轻量级嵌入式TCP/IP协议栈的设计[J].计算机工程,2007,33(2):246-248.
[21] POSTEL J.User datagram protocol[EB/OL].[2019-02-11].https://www.rfc-editor.org/pdfrfc/rfc768.txt.pdf.
[22] DANILUK G.White Rabbit PTP core HDL specification version 1.0[EB/OL].[2019-02-11].https://www.ohwr.org/attachments/1931/wrpc_hdl.pdf.
[23] LI Hongming.High precision timing distribution technology and its application in LHAASO project[D].Beijing:Tsinghua University,2018.(in Chinese) 李鸿明.高精度时钟分配技术及其在LHAASO实验中的应用[D].北京:清华大学,2018.
[18] HORNIG C.A standard for the transmission of IP datagrams over Ethernet networks[EB/OL].[2019-02-11].https://www.rfc-editor.org/pdfrfc/rfc894.txt.pdf.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

一种可实现高精度时间同步的数据传输方法

A Data Transmission Method for High Precision of Time Synchronization

RichHTML

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 18

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	黄正伟, 刘宏伟, 徐渊. 用于IToF传感器的极低功耗RISC-V专用处理器设计[J]. 计算机工程, 2022, 48(9): 146-154.
[2]	奚智雯, 蔡晶晶, 阳文敏, 柴志雷. 基于微服务架构FPGA云平台的并发请求调度机制[J]. 计算机工程, 2022, 48(7): 206-213.
[3]	巩杰, 赵烁, 何虎, 邓宁. 基于FPGA的量化CNN加速系统设计[J]. 计算机工程, 2022, 48(3): 170-174,196.
[4]	黄瑞, 金光浩, 李磊, 姜文超, 宋庆增. 轻量化神经网络加速器的设计与实现[J]. 计算机工程, 2021, 47(9): 185-190,196.
[5]	赵晨园, 李文新, 张庆熙. 一种改进的实时半全局立体匹配算法及硬件实现[J]. 计算机工程, 2021, 47(9): 162-170.
[6]	狄新凯, 杨海钢. 基于FPGA的稀疏化卷积神经网络加速器[J]. 计算机工程, 2021, 47(7): 189-195,204.
[7]	姚宇婕, 刘广钟, 孔维全. 基于多普勒测速的水下传感器时间同步算法[J]. 计算机工程, 2021, 47(4): 147-152.
[8]	石永泉, 景乃锋. 基于FPGA模拟的阻变神经网络加速器评估方法[J]. 计算机工程, 2021, 47(12): 209-214.
[9]	吴健凤, 郑博文, 聂一, 柴志雷. 基于OpenCL的3DES算法FPGA加速器[J]. 计算机工程, 2021, 47(12): 147-155,162.
[10]	何向栋, 孙靖国, 陈长胜, 王建宇, 贾世伟. SAE AS6802协议研究及模块化仿真平台设计[J]. 计算机工程, 2021, 47(1): 203-209.
[11]	张浩, 魏敬和. 高效率PLB2AXI总线桥的设计与验证[J]. 计算机工程, 2020, 46(8): 228-234.
[12]	宋安, 王琴, 谷大武, 郭筝, 刘军荣, 张驰. 基于FPGA的时钟同步功耗信息采集方法[J]. 计算机工程, 2020, 46(6): 115-121.
[13]	孔飞跃, 蒋学芹, 万雪芬, 陈思井, 崔剑, 杨义. 基于GPU的LDPC增强准最大似然译码器并行实现[J]. 计算机工程, 2020, 46(5): 207-215.
[14]	孔维全, 刘广钟. 基于分簇的双簇首水下传感器网络时间同步算法[J]. 计算机工程, 2020, 46(2): 214-220,229.
[15]	李超, 李波, 丁洪伟, 杨志军, 柳虔林. 基于FPGA的战术数据链协议设计与实现[J]. 计算机工程, 2020, 46(10): 173-181.

模态框（Modal）标题

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

一种可实现高精度时间同步的数据传输方法

A Data Transmission Method for High Precision of Time Synchronization

RichHTML

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 18

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价