[發明專利]一種實時以太網的微秒級時鐘同步方法

在審

• 申請號: 201410526879.3
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104243079A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 朱松柏;劉治紅;陳濤;王鈐
• 申請（專利權）人: 四川省綿陽西南自動化研究所
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明

技術領域

?本發明涉及一種精確時鐘同步方法，該方法主要用于需要精確時鐘同步控制的網絡系統，特別是對實時性要求高的以太網系統。

背景技術

對于工業自動化系統來說，目前根據不同的應用場合，將實時性要求劃分為三個范圍，它們是：信息集成和較低要求的過程自動化應用場合，實時響應時間要求是100ms或更長；絕大多數的工廠自動化應用場合實時響應時間的要求最少為5-10ms；對于高性能的同步運動控制應用，特別是在多傳感器信息同步采集處理、控制信號同步傳輸處理、多節點的伺服運動控制應用場合，實時響應時間要求低于1ms，同步傳送精度要小于1μs。

目前，工業自動化系統中普遍采用以太網進行信息交互，以太網的通信調度采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制(CSMA/CD)，是一種非確定性的通信調度方式，要將以太網應用到高性能的同步運動控制系統中，必須提高以太網的實時性和確定性，通常從改變網絡架構、通信協議和調度方式、同步方式等提高以太網性能，也就是采用實時以太網系統。一般來說，以太網的同步性能受到三個因素的影響:一是網絡通訊鏈路傳輸延遲時間的不確定性，二是網絡傳輸路徑的不對稱性，三是同步時鐘本身的精度。可以看出，時鐘同步是實現以太網實時性和確定性的重要手段，通過提高時鐘精度和改進時鐘同步算法，可提高設備之間的同步誤差，在工業自動化和武器裝備信息與控制領域都具有廣泛的應用前景。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種實時以太網微秒級時鐘同步方法。

本發明的實時以太網微秒級時鐘同步方法，依次包括如下步驟：

通過采用時鐘源以及時鐘偏差校準方法實現時鐘同步；

各主從通信站點均配置有定時器，系統主通信站點定時廣播系統同步信號，各從通信站點接收主通信站點的同步報文，通過加蓋時間戳的同步報文可計算出從時鐘與主時鐘的偏差，偏差通過時鐘校準模塊進行校準；

當從通信站點時鐘慢于主通信站點時鐘時，增大計數頻率，快于主通信站點時鐘，則減小計數頻率，通過技術頻率調整實現時鐘校準。

所述時鐘源采用微秒級定時器，定時器采用硬件計數，定時精度為1μs；所述時鐘校準模塊由定時器模塊、頻率校準模塊、加蓋時間戳模塊組成；定時器模塊和頻率校準模塊與CPU接口連接，加蓋時間戳模塊直接與以太網物理層連接。

所述時鐘偏差校準方法包括如下步驟：

a?、首先主通信站點向所有相連的從通信站點發同步報文，同時產生一個基于主通信站點的本地時鐘的時間戳，這個時間就是主通信站點發送同步報文的時間，計算完成通過CPU接口傳送至CPU；

b?、從通信站點接收同步報文并產生一個基于從通信站點的本地時鐘的時間戳，這個時間就是從通信站點接收同步報文的時間,計算完成通過CPU接口傳送至CPU；

c?、主通信站點把a)產生的發送同步報文的時間戳放入同步跟隨報文中并發送同步跟隨給從通信站點，發送完成；

d?、從通信站點發送一個延遲請求報文給主通信站點，同時產生一個基于從通信站點的本地時鐘的時間戳，這個時間就是從通信站點發送延遲請求報文的時間，計算完成通過CPU接口傳送至CPU；

e?、主通信站點接收延遲請求報文并產生基于主通信站點的本地間戳，這個時間就是主通信站點接收延遲請求報文的時間,計算完成通過CPU接口傳送至CPU；

f、主通信站點把接收延遲請求報文的時間放入延遲響應報文并發送給從通信站點；

g、在四個時間報文通信以后，從通信站點根據所掌握的四個時間戳來計算從通信站點與主通信站點的時間偏差，可得出，從通信站點與主通信站點的時鐘偏差,?計算完成通過CPU接口傳送至CPU；

h、各從站根據步驟g計算出的參數校準本地時鐘，與主通信站點同步。

本發明的一種實時以太網微秒級時鐘同步方法，能夠克服以太網系統時鐘同步過程中時間戳不穩定、同步精度低的不足，滿足現有工業以太網系統中同步數據采集和控制的實時性要求。

附圖說明

圖1?本發明中的主從通信同步機制原理示意圖；

圖2?本發明中的時鐘校準模塊連接框圖。

具體實施方式

為滿足現有工業以太網系統中同步數據采集和控制的實時性要求，解決時鐘同步過程中時間戳不穩定、同步精度低的問題，本發明提供了一種微秒級時鐘同步方法，通過系統的定時器、主從同步方法、時鐘校準方法實現時鐘同步。

本發明提出的時鐘同步方法采用微秒級定時器作為系統的時鐘源，通過定時器作為系統的定時基準，定時器采用硬件計數實現，定時精度可達1μs。