WR自动刻度装置设计
 
叶一锰，龚光华，李鸿明
（清华大学工程物理系，北京 100084）
 
摘要：WR是一种新型的精密时钟同步技术。它能够实现上万个分布式节点高精度频率源广播和亚纳秒时间同步，在大型天文射电望远镜阵列与高能粒子探测器阵列有着极好的运用。本文整理了WR网络的原理，介绍了WR网络同步中的重要参数以及WR节点的标定流程，分析并指出其在大型探测器阵列中应用中标定过程繁琐耗时的不足。
针对该不足，本文提出了WR自动刻度装置的方案，设计了一款以树莓派和Cute-WR板为核心的自动化标定设备。利用Cute-WR进行时钟同步、基于FPGA实现TDC数据采集、树莓派进行控制与数据处理，实现了自动化标定WR节点的功能，并将其整合为一个完整独立的设备。初步实验结果表明该自动标定装置符合工程精度要求，且缩短了标定时间，简化了操作流程，在WR网络布局中有极好的应用前景。
关键词：时钟同步；WR网络；自动标定

一、	引言
在高能物理领域领域，物理信号探测是一项极其重要的工作。与常规物理信号探测不同，高能物理所探测的信号具有速度快、信号弱、分布广的特点，往往需要大型的探测器阵列。而在大型探测器阵列中，时钟同步是一项极其重要的工作，分布式节点的时间同步精度标志着该阵列物理时间信息的准确程度。而WR是高能物理领域时间同步的优秀解决方案。
White Rabbit(WR)是CERN在2009开始提出的，针对大型高能物理加速器控制，基于以太网技术而改进的精密时钟同步技术，能够实现上万个分布式节点高精度频率源广播和亚纳秒时间同步。其硬件软件都是完全开源的，时钟同步的过程兼容以太网协议，能够同时支持千兆网的数据传输[1]。
目前，世界上有包括欧洲核子研究组织CERN、德国GSI重离子研究中心等机构采用WR作为控制和时钟系统，我国的LHAASO项目也使用该方案实现探测器阵列的定时同步。
二、	WR网络同步原理
WR网络利用同步以太网技术、PTP协议和DMTD算法，实现时钟的频率和相位的同步。其网络传输模型中存在多种延迟[2]。

图 2 WR网络延迟模型示意图
如图2中链路延迟模型所示，回路的总延迟delayMM包含
，即

其中是链路的传输延迟，是电路布局引起的数据收发固定延迟。同步以太网将时钟编码到数据流上，另一节点通过解码恢复时钟，是节点恢复时钟与数据流前端对齐产生的延迟。
如图2.4所示，若要使得Slave时钟与Master之间得到同步，我们需要得到Master到Slave之间的时间差。

但是由于不同频率的数据在光纤上的数据传输速率不一致，因此不相等。在此引入光纤的不对称系数。

因此有

其中
, 
以上所述的延迟中，可以通过WR硬件读出，需要人为标定，α需要实验测量，在此基础上才能通过WRPTP计算出Master到Slave之间的延迟。
三、	装置设计
3.1 需求
	与其它定时系统类似，WR网络在使用前需要进行标定，标定的精度决定了时钟网络的同步精度，目前采用的标定方法为人工手动标定。通过示波器测量已标定节点和待标定节点之间的秒脉冲(PPS)偏差（本文各实验为了增大统计量，使用毫秒脉冲mPPS），经过补偿计算，利用进行串口通讯对待标定节点收发延迟进行补偿，迭代几次后能够提升同步精度[3]。
	但是在实际工程LHAASO中，我们需要对方圆1km2内的上千节点进行标定或者验证[4]。手动标定需要耗费大量人力物力，且难以带着示波器和电脑在阵列中标定或者验证。因此自动化且便携的WR自动刻度装置显得尤为必要。
3.2 硬件实现
	根据实际项目的需求，除了实现标定的功能外，WR自动刻度装置需要具有自动化、便携的特点。基于这些特点我们设计了WR自动刻度装置。
	作为WR自动刻度装置，需要在设备上集成一个WR节点作为已标定节点，以此标定其它待标定节点。除此之外，还需要一个TDC装置测量待标定节点与标定器之间的时钟偏差，最后需要一个控制器对数据进行处理，对设备进行补偿以及与外界通讯。外界通过与控制器通讯将结果进行可视化显示出来。

图 3 WR硬件结构示意图
经过调研，我们利用Cute-WR作为设备的WR节点，采用树莓派作为设备的控制器。设备结构如图3所示。
3.2.1 WR节点
本装置采用的由清华大学工程物理系自主设计开发的WR设备——Compact Universal Timing Endpoint based on WR(Cute-WR)装置。Cute-WR板是目前国际上最精简的WR系统的实现[5]。WR-PTP核内部集成了Lattice Mico 32软核，通过whisbone总线控制WR-PTP内核的各个模块。在计算机上可以经由串口与LM32进行通讯，配置WR-PTP核上各个模块的参数，也可读取相关的状态参数[6][7]。
Cute-WR在WR-PTP的基础上，集成了双通道进位链TDC，能够实现双端口脉冲的时间测量，也可通过串口进行控制。在Cute-WR上实现的TDC精度约为40ps[8]。
为了实现标定器所需的功能，在此基础上添加了FIFO模块、数据转换模块和SPI通讯模块。
TDC实时输出脉冲时间数据，需要模块存储其产生的信息。FIFO模块采用双通道40bits宽FIFO模块存储TDC采集数据。
树莓派与Cute-WR节点之间采用SPI通讯模式。树莓派上集成了SPI通讯master端的功能，可以直接通过python函数调用。由于树莓派的时钟远小于WR内部时钟，因此SPI通讯模块设计成为从机模式，利用高频时钟对SCK进行采样，获得SPI主机时钟。由于树莓派的标准python函数库spidev内置函数只支持8bits的SPI通讯，因此每次WR内SPI模块通讯也设计为8bits宽。
TDC数据位宽位40bits，因此还需要一个数据转换模块对将数据从40bits转化为8bits，之后再经由SPI传输到树莓派上。
综上，Cute-WR节点经过复用与补充，主要功能实现了充当普通WR节点功能的同时，又能够测量双路脉冲信号时间偏差的功能。通过SPI通讯能够进行TDC数据的读取，其操作接口为UART串口、SPI接口。
3.2.2 树莓派
Raspberry Pi是一款微型计算机，面积和身份证面积相近。树莓派外设接口多，可运行Linux系统，在系统层次上可直接使用python等高级语言。相比于传统单片机芯片，树莓派具有操作简单、扩展性强、数据处理方便等特点。且树莓派自带串口与SPI通讯引脚，内置WIFI模块，因此选用树莓派作为WR自动刻度装置数据处理与控制的工具。
通过在树莓派上运行python脚本，树莓派可利用串口与SPI接口对Cute-WR进行控制，读取相关参数计算待标定节点的延迟补偿，对待标定节点进行补偿。同时，树莓派可以配置WIFI模块，在该局域网内建立一个http服务器。外界设备通过该服务器的接口可以操作树莓派，从而达到控制Cute-WR设备的功能。
综上，树莓派在WR设备中起到的作用是接收简单命令，完成包括读取、计算、补偿等步骤的自动化标定过程。将较为复杂的程序通过python脚本固化在硬件中，简化人工操作。
3.2.3 底层供电板
树莓派与cute-WR均是留有扩展接口的开发板，他们若要协同工作需要进行供电与电气连线。由于树莓派采取5V直流电源供电，而cute-WR节点采用3.3V直流供电，因此底板上利用RT8004PCP芯片进行5V到3.3V的电平转换。为了方便探测器阵列现场校验，在底板上添加了ac-dc电源转换模块，方便现场直接供电。该部分直接购买相应市场上成熟的模块，可以直接使用光电复合缆供220V交流市电。
除了供电，底板还需要实现树莓派与cute-WR节点之间的SPI通讯、串口通讯以及相关功能的硬连线。
3.3 设备闭环控制
	在硬件的基础上，通过脚本对设备的控制实现标定的自动化。根据工程上的需求，装置设计了两种工作模式，分别为校准模式和校验模式。
3.3.1校准
	校准模式可以对待标定的节点进行标定，使之接入网络后能够满足同步精度的要求。

图 4 校准模式流程图					图 5 校准模式硬件连接图
图4为校准模式标定流程图，将待标定节点与WR自动刻度装置按照图5连接完成后，通过手机可以控制其开始校准。树莓派上的脚本会根据图4流程进行标定，并且将中间状态反馈给手机端。
3.3.2 校验
节点长时间工作后，时钟可能会产生漂移。校验模式则是在现场与主时钟通过光电复合缆进行同步，测量子节点与自动刻度装置的时间偏差，以此判断节点是否正常工作。

图 6 校验模式流程图					图 7 校验模式硬件连接图
图6为校验模式标定流程图，将待标定节点与WR自动刻度装置按照图7连接完成后，通过手机可以控制其开始校验。树莓派上的脚本程序会图6流程进行标定，并且将中间状态反馈给手机端。
四、	系统性能
硬件实现后，我们手动标定好WR自动刻度装置，之后我们针对WR自动刻度装置的性能进行了检测。测试分为两部分：单一节点标定测试、标定后主节点与从节点偏差测试。采用的方法是通过示波器测量被标定WR自动刻度装置与WR节点在标定完成后的mPPS上升沿1V处的时间差。
4.1 单一节点的标定测试
由于TDC精度有限，实验设定WR自动刻度装置的阈值为75ps，分别使用WR自动刻度装置的Master端和Slave端对通用WR节点进行标定，标定完成后利用示波器测量WR自动刻度装置与WR节点之间的mPPS信号偏差，结果如图8和图9所示（Master端时钟在前为正）。
      
图 8 WR自动刻度装置主节点标定效果图		图 9 WR自动刻度装置从节点标定效果图
可见对于WR自动刻度装置设定的75ps阈值，WR很好地完成了标定，标定后的时钟偏差均在阈值之内。
4.2 master节点与slave节点标定测试
本节利用一对校准好的WR自动刻度装置标定通用WR设备，再对通用WR设备进行链接，测量通用WR设备mPPS之间的偏差，以此验证WR自动刻度装置在WR网络中的可靠性。
实验序号	1	2	3	4	5	6	7	8	
偏差(ps)	54.83	18.44	-7.92	8.13	112.02	91.78	45.55	135.37	
如表4.2所示，WR自动刻度装置标定的两个WR设备之间最大偏差为135ps。对于一对阈值为75ps的WR自动刻度装置，标定的理论最大偏差为150ps，该装置满足阈值要求。
五、	总结
本文介绍了WR自动刻度装置的设计思路与性能测试结果，该装置通过利用WR节点、树莓派，实现了对WR节点的自动标定，简化了标定过程，操作简单，节省了结点标定所需的大量时间；设备简洁便携，初步试验结果证明精度能够满足实际工程需求。

参考文献：
1.	Serrano J, Lipinski M, Wlostowski T, et al. The white rabbit project[J]. CERN,2013.
2.	李鸿明,分布式TDC研究[D], 清华大学, 2013.
3.	Grzegorz Daniluk. White Rabbit calibration proposal:Draft for Comments[S]. http://www.ohwr.org/documents/213 , 2012.
4.	Gong G, Chen S, Du Q, et al. Sub-nanosecond timing system design and development for LHAASO project[J]. Proceedings of ICALEPCS2011, Grenoble, France, 2011.
5.	Pan W, Du Q, Gong G. Development of a White Rabbit interface for synchronous data acquisition and timing control[C]//Real Time Conference (RT), 2012 18th IEEE-NPSS. IEEE, 2012: 1-3. 
6.	Grzegorz Daniluk, White Rabbit calibration procedure[S], CERN, 2015.9.
7.	Grzegorz Daniluk, Dimitrios Lampridis, Adam Wujek. White Rabbit PTP Core User’s Manual[S]. CERN, 2017.3.
8.	潘维斌, LHAASO实验高精度时间测量系统研究[D], 清华大学, 2014.

论文作者简介：
叶一锰，23岁，清华大学工物系本科生，硬件设计开发。
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WR Automatic Calibrator 
Yimeng Ye , Guanghua Gong ,Hongming Li 
(DEP of Tsinghua University, Peking 100084)
 
Abstract: White Rabbit network, based on the synchronous Ethernet technology, is a new type of precision clock synchronization technology. It can achieve ten thousands of distributed nodes high-precision frequency source broadcast and sub-nanosecond time synchronization, which can be excellently used in large-scale astronomical radio telescope array and the high-energy particle detector array. This paper summarizes the principle of WR network, and introduces the important parameters in WR network and the calibration process of WR node. And then it points out the problem that the calibration process in the large detector array is cumbersome and time consuming.
To deal with this deficiency, a scheme of WR automatic scale device is put forward in this paper, and an automated calibration equipment with raspberry and Cute-WR board as the core is designed. By using Cute-WR to synchronize, using TDC to acquisition data, and using raspberry to control and process data, it achieves the automatic calibration of WR node. The results meet the engineering accuracy requirements, and it simplify the operation process. It has an excellent application prospects in WR network project.

Keywords: synchronization; White Rabbit network; automatic calibration