Master's Thesis

PTP-based tiem sychronization over Single Pair Ethernet

Final Thesis 19.54 MB Appendix 4.72 MB

Author of thesis: Bc. Dušan Kvasničák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Reviewer: Ing. František Rusnák

Abstract:

IEEE 1588, PTP, gPTP, Single Pair Ethernet, 100BASE-T1, STM32F439, time synchronization

Keywords:

Single Pair Ethernet, Precision Time Protocol, IEEE 1588, 10BASE-T1L, 10BASE-T1S, time synchronization

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student obhájil diplomovou práci s výhradami. V rámci obhajoby dokázal přesvědčit komisi o správnosti svých postupů a navrženého řešení. V průběhu odborné rozpravy reagoval na dotazy oponenta ohledně přesnosti krystalu a výběru procesoru. Zodpověděl otázku na použitý regulátor.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Alexandr Štefek, Dr. (předseda)
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Tomáš Macho, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Pikula, Ph.D. (člen)
Ing. Soňa Šedivá, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Štohl, Ph.D. (člen)
Ing. et Ing. Lukáš Zezula, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá aktuální a technicky náročnou problematikou časové synchronizace v sítích Single Pair Ethernet. Student zpracoval řešení od návrhu hardwarové platformy a firmware až po ověření funkce, přičemž práce má logickou strukturu a odpovídající rozsah.

Po formální stránce je práce na dobré úrovni. Text je psán ve slovenštině, místy se sice objevují stylisticky méně obratné formulace, ty však zásadně nesnižují celkovou kvalitu technické zprávy. 

Student pracoval s relevantní literaturou a technickou dokumentací, zejména se standardy IEEE, datasheety a aplikačními podklady výrobců. Tyto zdroje byly pro řešené téma zvoleny vhodně a byly účelně využity při návrhu i implementaci.

Z pohledu vedoucího považuji za důležité, že student pracoval průběžně a po celou dobu řešení vykazoval vysoké pracovní nasazení. Zadání se navíc ukázalo jako mimořádně náročné, protože oproti původnímu předpokladu využití dostupných kitů bylo nakonec přistoupeno k vývoji vlastního hardware, navíc v kombinaci s technologiemi, jejichž podpora není běžná.

Přes vzniklý skluz a komplikace v závěrečné fázi, které pravděpodobně přispěly k poškození hardware, považuji toto nadprůměrně náročné zadání  za splněné v celém rozsahu. Student prokázal schopnost samostatně řešit odborně náročný úkol, schopnost aktivně řešit vzniklé problémy a dospěl ke kvalitnímu výsledku, Diplomovou práci jednoznačně doporučuji k obhajobě s hodnocením B/80 bodů. Points proposed by supervisor: 80

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. František Rusnák

Student se ve své práci zabývá vlastním návrhem desky plošných spojů určené pro ověření funkčnosti protokolu PTP (Precission Time Protocol) implementovaného pro Single-Pair Ethernet. Práce je přehledně rozdělena do šesti hlavních kapitol a svým rozsahem je vyhovující. Práce obsahuje teoretický úvod obsahující stěžejní teorii problematiky. Student provedl rešerši a srovnání tří mikroprocesorů a čtyř převodníků fyzického rozhraní. Následně si student vybral komponenty pro návrh vlastního schématu a plošného spoje. Práce popisuje návrh firmware a převzaté knihovny, se kterými student pracoval. V textu se zaměřuje na popis kritických částí kódu, např.: DMA, hardwarové časové značky, korekce vnitřních hodin a PPS výstup, které jsou relevantní pro dané téma. Dále je ověřena funkčnost firmwaru pro master i slave zařízení. Vývojová deska byla připojena pomocí konvertoru k PC a měření bylo provedeno pomocí programu Wireshark. Student uvedl, že si je vědom časové nepřesnosti synchronizace kvůli softwarovému generování časových značek počítačem. Dále ovšem chybí měření osciloskopem PPS signálů mezi dvěma platformami vlastního návrhu, které by lépe ověřilo přesnost vlastního softwaru. V rámci šesté kapitoly student uvádí komplikace spojené s oživením vlastního hardwaru. Student uvádí, že kvůli nefunkčnímu komponentu TJA110 nebylo možné desku zprovoznit. Komponent TJA1100 je zásadní pro finální měření časové synchronizace mezi zařízeními připojenými pomocí Single-Pair Ethernetu. Student navrhuje možný budoucí postup, jak problém vyřešit. Předpokládám, že kvůli časovým důvodům nebyl student schopný reagovat na tuto nečekanou poruchu. Z formálního hlediska je tištěná verze práce na horší úrovni. Práce obsahuje prázdné stránky, pravděpodobně proto, že je zdrojový dokument nastaven pro oboustranný tisk, ačkoli byla práce vytištěna jednostranně.  Práce obsahuje seznam algoritmů, který je prázdný, a zbytečně tak zabírá jednu stranu.  V textu se nachází neodborný výraz „rozběhnutím kryštálu“.  Obrázky 1.3 a 4.3 mají nevhodnou velikost a v tištěné podobě jsou obtížně čitelné. Chybějí křížové odkazy na některé obrázky. V kapitole 3.1.2 se student věnuje výpočtu kompenzačních kapacit pro krystal mikroprocesoru a čipu PHY, avšak opomíjí důležitý parametr frekvenční přesnosti obou krystalů, který je zásadní pro časově synchronizovaná zařízení. Chybí zde zdůvodnění volby i rešerše vhodných krystalů.  V kapitole 5.2.2 je průměrný periodický interval zpráv Sync uveden v nesprávném formátu desetinných míst. Některé webové odkazy v citacích přetékají za okraj stránky. V kapitole 6 se vyskytuje tučný text přesahující hranice odstavce.  Není vysvětlena zkratka MDI. Formální úprava napovídá, že byla práce psaná ve spěchu. Na druhou stranu, z technické stránky považuji práci za přínosnou. Student musel vyřešit návrh schématu, návrh DPS, a firmwaru, který vyžaduje hlubší pochopení fungování mikroprocesoru, efektivní práci s převzatými knihovnami a programátorské zkušenosti. Student byl schopný detekovat poruchu vlastního návrhu, a zdůvodnit ji. Student splnil všechny body zadání. Diskutabilní je ovšem šestý bod „Vyhodnoťte parametry časové synchronizace“, kvůli předpokladu vyhodnocení synchronizace SPE. Student vzhledem k nastalé situaci nemohl měření realizovat a uvádí alespoň orientační měření Ethernetu na obrázku 5.10 a 5.11.
Vzhledem k uvedeným poznámkám, práci doporučuji k obhajobě a hodnotím D (65 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Krystal procesoru ABM10AIG s parametrem „4Z“ má podle datasheetu výrobce toleranci frekvence ±30 ppm a stabilitu frekvence ±50 ppm. Zdůvodněte volbu obou krystalů procesoru i PHY a zhodnoťte, jaký vliv má frekvenční nepřesnost krystalu na vaši aplikaci.
  2. Popište, jak jste navrhl regulátor pro korekci systémového času.
Points proposed by reviewer: 65

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová