RU2713629C1

RU2713629C1 - Device for recording time labels of outgoing packets of wireless communication standard ieee 802.11 and method of synchronizing control device with integrated wireless microchip standard ieee 802.11 based on it

Info

Publication number: RU2713629C1
Application number: RU2019123384A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Романов
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2020-02-05

Abstract

FIELD: wireless communication equipment.SUBSTANCE: group of inventions relates to real-time wireless communication systems. Device for recording timestamps of outgoing packets of wireless communication standard IEEE 802.11 includes a high-speed comparator connected to input of radio receiver of integrated microcircuit wireless communication standard IEEE 802.11, which is also connected to output of receiving-transmitting front-end module of IEEE 802.11 standard networks, wherein output of high-speed comparator is connected to detector of negative front and to detector of positive front, outputs of which are connected to control terminal automaton, to inputs of which are also connected output of built-in timer-counter of control device and controlled timer-counter, which is controlled by signal of control finite state machine, wherein the output of the control state machine is the output of the device for registering timestamps of outgoing wireless communication packages of IEEE 802.11 standard.EFFECT: technical result is higher accuracy of synchronization.2 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Группа изобретений относится к области беспроводных систем связи реального времени и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании устройств управления и распределенных систем ввода/вывода.The group of inventions relates to the field of real-time wireless communication systems and can be used in various fields of science and industry to create control devices and distributed input / output systems.

Уровень техникиState of the art

Из существующего уровня техники известны методы синхронизации устройств при помощи беспроводной связи за счет обмена информацией о моментах времени приема и отправки пакетов между ними [Karl H., Willig A. Protocols and architectures for wireless sensor networks. - John Wiley & Sons, 2007. - 524 pages; Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N. 2, pp. 907-922; заявка на патент ЕР 2451100 A2, дата публикации: 09.05.2012].The prior art methods for synchronizing devices using wireless communications by exchanging information about the time of receipt and sending packets between them [Karl H., Willig A. Protocols and architectures for wireless sensor networks. - John Wiley & Sons, 2007 .-- 524 pages; Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N. 2, pp. 907-922; patent application EP 2451100 A2, publication date: 05/09/2012].

Данные методы требуют формирования на каждом из устройств точных меток времени для моментов приема и отправки пакетов беспроводной связи.These methods require the formation of exact time stamps on each of the devices for the moments of receiving and sending wireless packets.

Из уровня техники известно, что для получения точной метки времени для моментов приема и отправки пакетов в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11, ее регистрация должна производится непосредственно на входе/выходе модуля PHY устройства беспроводной связи, отвечающего за модуляцию/демодуляцию и усиление передаваемых и принимаемых радио сигналов. Однако современные микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 в подавляющем большинстве случаев представляют собой интегрированные системы-на-кристалле, в которых цифроаналоговый модуль PHY подключен непосредственно к цифровому модулю MAC, отвечающему за кодирование/декодирование пакетов. Использование интегрированных микросхем позволяет снизить стоимость и повысить надежность устройств беспроводной связи, однако в таких микросхемах невозможно произвести регистрацию меток времени непосредственно на выходе модуля PHY. А использование меток времени, сформированных на основании выхода MAC ухудшает точность синхронизации устройств более чем в 600 раз [Kannisto J. et al. Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages].It is known from the prior art that in order to obtain an accurate time stamp for the moments of receiving and sending packets in wireless networks of IEEE 802.11 standard, it must be registered directly at the input / output of the PHY module of the wireless device responsible for modulating / demodulating and amplifying the transmitted and received radios signals. However, modern IEEE 802.11 wireless microcircuits in the vast majority of cases are integrated on-chip systems in which the PHY digital-to-analog module is connected directly to the MAC digital module, which is responsible for encoding / decoding packets. Using integrated circuits allows you to reduce the cost and increase the reliability of wireless devices, however, in such circuits it is impossible to register time stamps directly at the output of the PHY module. And the use of time stamps formed on the basis of the MAC output degrades the accuracy of device synchronization by more than 600 times [Kannisto J. et al. Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages].

Из уровня техники известны устройства, в которых для регистрации времени отправки/приема пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 используются программируемые логические схемы (ПЛИС), на которых реализуется полный функционал модуля MAC, и которые подключаются к внешней микросхеме приемопередатчика радиосигнала [Kannisto J. et al. Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages; Exel R. Clock synchronization in IEEE 802.11 wireless LANs using physical layer timestamps / 2012 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication Proceedings. - IEEE, 2012. - pp. 1-6].The prior art devices in which for recording the time of sending / receiving wireless packets of IEEE 802.11 standard are used programmable logic circuits (FPGAs), which implement the full functionality of the MAC module, and which are connected to an external microcircuit of the radio transceiver [Kannisto J. et al . Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages; Exel R. Clock synchronization in IEEE 802.11 wireless LANs using physical layer timestamps / 2012 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication Proceedings. - IEEE, 2012 .-- pp. 1-6].

Недостатком данных устройств является необходимость реализации на базе ПЛИС большей части функционала, регламентированного стандартом IEEE 802.11, что требует применения дорогостоящих микросхем с объемом логической емкости не менее 71244 6-ти входовых логических ячеек [Электронный ресурс: http://mangocomm.com/802.11] или не менее 133498 4-х входовых логических ячеек [Agnes Fain, Wolfgang Meryk. Implementing Wireless LAN Interface in an FPGA / Xcell Journal, 2009, N. 69, pp. 34-37].The disadvantage of these devices is the need to implement on the basis of FPGA most of the functionality regulated by the IEEE 802.11 standard, which requires the use of expensive microcircuits with a logical capacity of at least 71244 6 input logic cells [Electronic resource: http://mangocomm.com/802.11] or at least 133498 4 input logic cells [Agnes Fain, Wolfgang Meryk. Implementing Wireless LAN Interface in an FPGA / Xcell Journal, 2009, N. 69, pp. 34-37].

Также из уровня техники известны интегрированные микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, имеющие встроенный функционал регистрации времени входящих и исходящих пакетов (например, Broadcom ВСМ4712, Broadcom ВСМ43438, Cypress CYW43455). Он позволяет регистрировать метки времени с точностью 1 мкс, а при соответствующих изменениях встроенного программного обеспечения с точность до 45,4 нс [Facchi N. et al. Emitter localisation from reception timestamps in asynchronous networks / Computer Networks, 2015, V. 88, pp. 202-217].Integrated wireless circuits of the IEEE 802.11 standard are also known from the prior art, having built-in functionality for recording the time of incoming and outgoing packets (for example, Broadcom BCM4712, Broadcom BCM43438, Cypress CYW43455). It allows the registration of time stamps with an accuracy of 1 μs, and with corresponding changes in the firmware with an accuracy of up to 45.4 ns [Facchi N. et al. Emitter localization from reception timestamps in asynchronous networks / Computer Networks, 2015, V. 88, pp. 202-217].

Недостатком таких микросхем и модулей беспроводной связи является отсутствие интерфейса, позволяющего точно синхронизировать таймер счетчик интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, по которому формируются метки времени в моменты приема и отправки пакетов с встроенным таймером счетчиком устройства управления. При использовании для этих целей стандартного интерфейса для связи модуля MAC интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 с внешними устройствами максимальная ошибка синхронизации достигает 8,5 мс [Rhee J.K. et al. Timestamp jitter consideration for 802.11 n / IEEE 802.1 (avb) Interim. - 2008]. Это не позволяет использовать метки времени, получаемые интегрированными микросхемами беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 для синхронизации нескольких устройств управления между собой с точностью не хуже 1 мс, необходимой для систем управления движением и технологическими процессами [Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N2, pp. 907-922].The disadvantage of such microcircuits and wireless modules is the lack of an interface that allows you to accurately synchronize the timer counter of the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard, according to which time stamps are generated at the moments of receiving and sending packets with a built-in timer counter of the control device. When using the standard interface for communication of the MAC module of an integrated IEEE 802.11 wireless communication chip with external devices, the maximum synchronization error reaches 8.5 ms [Rhee J.K. et al. Timestamp jitter consideration for 802.11 n / IEEE 802.1 (avb) Interim. - 2008]. This does not allow the use of timestamps obtained by integrated wireless communication chips of the IEEE 802.11 standard for synchronizing several control devices with each other with an accuracy of at least 1 ms, which is necessary for motion control systems and technological processes [Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N2, pp. 907-922].

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Предлагаемая группа изобретений направлена на решение технической задачи по устранению указанных недостатков уровня техники.The proposed group of inventions is aimed at solving the technical problem of eliminating these disadvantages of the prior art.

Достигаемый при этом технический результат заключается в синхронизации таймер счетчика интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11, обладающей функционалом для регистрации меток времени входящих и исходящих пакетов, с встроенным таймером счетчиком устройства управления с точностью не хуже 10 мкс, с возможностью реализации цифровых компонент устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящего в состав предлагаемой группы изобретений, на базе ПЛИС с логической емкостью не более 1000 6-ти входовых логических ячеек.The technical result achieved in this case consists in synchronizing the counter timer of an integrated 802.11 wireless microcircuit, which has functionality for registering time stamps of incoming and outgoing packets, with a built-in timer counter of the control device with an accuracy of no worse than 10 μs, with the possibility of implementing digital components of the time stamp registration device outgoing wireless packets of IEEE 802.11 standard, which is part of the proposed group of inventions, based on FPGAs with logical capacity no more than 1000 6 input logic cells.

Технический результат достигается тем, что устройство регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 включает в себя быстродействующий компаратор, подключенный на вход радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, который также подключен к выходу приемо-передающего фронтально-оконечного модуля сетей стандарта IEEE 802.11, причем выход быстродействующего компаратора подключен к детектору отрицательного фронта и к детектору положительного фронта, выходы которых подключены к управляющему конечному автомату, на входы которого также подключены выход встроенного таймер счетчика устройства управления и управляемый таймер счетчик, который управляется сигналом управляющего конечного автомата, при этом выход управляющего конечного автомата является выходом устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11.The technical result is achieved by the fact that the device for recording time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard includes a high-speed comparator connected to the input of the radio receiver of the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard, which is also connected to the output of the transceiver front-end module of IEEE standard networks 802.11, and the output of the high-speed comparator is connected to a negative edge detector and to a positive edge detector, the outputs of which are connected s to the control state machine, whose inputs are also connected to output embedded timer counter control device and controlled timer counter, which is controlled by the control signal of the finite state machine, wherein the output control state machine is the output registration device timestamps outgoing packets IEEE 802.11 wireless communication standard.

Технический результат также достигается способом синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11. Указанный способ характеризуется тем, что устройство управления циклически отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 на отправку сверхкороткого пакета, время отправки которого регистрируется при помощи метки времени, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, и метки времени, полученной при помощи предлагаемого в настоящем изобретении устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, к которой прибавляется значение коррекции, сумма с которым умножается на коэффициент расхождения таймер счетчиков, вычисляемый как угловой коэффициент прямой аппроксимирующей зависимости меток времени, полученных при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, от меток времени, полученных при помощи предлагаемого в настоящем изобретении устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, по последовательно полученным меткам времени, при этом результат произведения является выходом встроенного таймер счетчика устройства управления, синхронизированного с таймер счетчиком интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11, который предназначен для решения задачи синхронизации нескольких устройств управления между собой, также результат произведения вычитается из метки времени, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, полученная разность делится на коэффициент расхождения таймер счетчиков и прибавляется к значению коррекции, которое будет использовано на следующем цикле синхронизации.The technical result is also achieved by the method of synchronizing the control device with an integrated wireless chip standard IEEE 802.11. This method is characterized in that the control device cyclically gives instructions to the integrated IEEE 802.11 wireless communication chip to send an ultra-short packet, the sending time of which is recorded using the timestamp obtained using the built-in functionality of the integrated IEEE 802.11 wireless communication chip, and the timestamp received using the proposed in the present invention, a device for recording timestamps of outgoing wireless packets of IEEE 802.11 standard, to The correction value is added, the sum of which is multiplied by the coefficient of divergence of the timer of the counters, calculated as the angular coefficient of the direct approximating dependence of the time stamps obtained using the built-in functionality of the integrated IEEE 802.11 wireless chip from the time stamps obtained using the device proposed in the present invention registration of time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard, according to successively received time stamps, while the result of the work is the output of the built-in timer of the counter of the control device synchronized with the timer of the counter of the integrated 802.11 wireless microcircuit, which is designed to solve the problem of synchronizing several control devices with each other, the result of the work is subtracted from the time stamp obtained using the built-in functionality of the integrated wireless microcircuit IEEE 802.11 standard, the resulting difference is divided by the coefficient of divergence of the timer counters and is added to the correction value, which will be used in the next synchronization cycle.

Указанные признаки изобретения являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.These features of the invention are essential and the combination of these features is sufficient to obtain the desired technical result.

Осуществление изобретения и описание чертежейThe implementation of the invention and the description of the drawings

Сущность группы изобретений поясняется чертежами.The essence of the group of inventions is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана блок-схема заявляемого изобретения. Она содержит устройство управления 1, интегрированную микросхему беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2, приемо-передающий фронтально-оконечный модуль сетей стандарта IEEE 802.11 3, быстродействующий компаратор 4, детектор отрицательного фронта 5, управляемый таймер счетчик 6, управляющий конечный автомат 7, детектор положительного фронта 8. Совокупность блоков 4-8 является устройством регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9.In FIG. 1 shows a block diagram of the claimed invention. It contains a control device 1, an integrated IEEE 802.11 2 wireless communication chip, a front-end IEEE 802.11 3 networks front-end module, a high-speed comparator 4, a negative edge detector 5, a controlled timer counter 6, a control state machine 7, a positive edge detector 8. The combination of blocks 4-8 is a device for registering time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard.

Предлагаемое устройство регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 работает следующим образом. Устройство управления 1 циклически отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 на отправку сверхкороткого пакета длительностью, например, 13,178 мкс. В момент отправки интегрированная микросхема беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 изменяет потенциал входа радиоприемника в значение близкое к 0В, в то время как потенциал входа радиоприемника в режиме приема составляет около 600 мВ. Пример осциллограммы изменения потенциала на входе радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 в момент передачи исходящего пакета представлен на фиг. 2. Изменение потенциала на входе радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 приводит к изменению выходного сигнала быстродействующего компаратора 4, уровень переключения которого настроен на 300 мВ. Выход быстродействующего компаратора 4 поступает на детектор отрицательного фронта 5 и детектор положительного фронта 7. Детектор отрицательного фронта 5 на своем выходе формирует импульс в момент возникновения отрицательного фронта на выходе быстродействующего компаратора 4. Детектор положительного фронта 8 на своем выходе формирует импульс в момент возникновения положительного фронта на выходе быстродействующего компаратора 4. Выход детекторов отрицательного (5) и положительного (8) фронтов поступают на управляющий конечный автомат 7, который имеет два состояния: ожидание I и измерение II (фиг. 3). В начальный момент времени управляющий конечный автомат 7 находится в режиме ожидания I. При возникновении импульса на выходе детектора отрицательного фронта 5 он сбрасывает управляемый таймер счетчик 6, фиксирует в отдельном регистре метки времени текущее состояние встроенного таймер счетчика устройства управления, поступающее на вход устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9, и переходит в режим измерения II. В режиме измерения II управляемый таймер счетчик 6 непрерывно инкрементируется. В случае, если в режиме измерения II возникает импульс на выходе детектора положительного фронта 8, управляющий конечный автомат 7 осуществляет сравнение текущего значения управляемого таймер счетчика 6 и ожидаемой длительности сверхкороткого пакета (например, 13,178 мкс), умноженной на частоту изменения управляемого таймер счетчика 6. Если текущее состояние управляемого таймер счетчика 6 отличается от произведения ожидаемой длительности сверхкороткого пакета менее чем на 1%, то значение из отдельного регистра метки времени копируется на выход управляющего конечного автомата 7, а сам управляющий конечный автомат 7 переходит в состояние ожидания I. Выход управляющего конечного автомата 7 поступает на вход устройства управления 1 и в дальнейшем используется в способе синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящем в состав предлагаемой группы изобретений.The proposed device for registering time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard works as follows. The control unit 1 cyclically sends commands to the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard 2 to send an ultra-short packet with a duration of, for example, 13.178 μs. At the time of sending, the integrated wireless communication chip of the IEEE 802.11 2 standard changes the input potential of the radio receiver to a value close to 0V, while the input potential of the radio receiver in the receive mode is about 600 mV. An example of a potential waveform at the input of a radio receiver of an integrated IEEE 802.11 2 wireless microcircuit at the time of transmission of an outgoing packet is shown in FIG. 2. The potential change at the input of the radio receiver of the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard leads to a change in the output signal of the high-speed comparator 4, the switching level of which is set to 300 mV. The output of the high-speed comparator 4 goes to the negative edge detector 5 and the positive edge detector 7. The negative-edge detector 5 generates an impulse at the output of the negative edge at the output of the high-speed comparator 4. The positive edge detector 8 generates an impulse at the moment of the positive edge at the output of a high-speed comparator 4. The output of the detectors of negative (5) and positive (8) fronts go to the control state machine 7, which has two states: expectation I and measurement II (Fig. 3). At the initial moment of time, the control state machine 7 is in standby mode I. When a pulse occurs at the output of the negative edge detector 5, it resets the controlled timer counter 6, fixes in a separate time stamp register the current state of the built-in counter timer of the control device received at the input of the mark registration device time of outgoing wireless packets of IEEE 802.11 9 standard, and enters measurement mode II. In measurement mode II, the controlled timer counter 6 is continuously incremented. In the event that a measurement pulse II arises at the output of the positive edge detector 8, the controlling state machine 7 compares the current value of the controlled timer of counter 6 and the expected duration of an ultrashort packet (for example, 13.178 μs) multiplied by the change frequency of the controlled timer of counter 6. If the current state of the controlled timer of counter 6 differs from the product of the expected duration of an ultrashort packet by less than 1%, then the value from a separate register of the timestamp is copied to the control state machine 7, and the control state machine 7 enters the standby state I. The output of the control state machine 7 goes to the input of the control device 1 and is further used in the method of synchronizing the control device with the integrated wireless communication chip of IEEE 802.11 standard, which is part of the proposed group of inventions.

Предлагаемый способ синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 работает следующим образом. Устройство управления 1 циклически с периодом не реже 1 раза в секунду отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 на отправку сверхкороткого пакета длительностью, например, 13,178 мкс, время отправки которого регистрируется при помощи метки времени T_d, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2, и метки времени Т_ƒ, полученной при помощи устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9. Если по каким-либо причинам интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 не удалось осуществить отправку сверхкороткого пакета, то устройство управления 1 повторяет команды на отправку с периодичностью не более 1 раза в секунду до успешного завершения процедуры отправки и регистрации пары меток времени T_d и T_ƒ. На основании последовательно зарегистрированных пар меток времени T_d и Т_ƒ (например, в количестве 100 штук) находятся значения k (коэффициент расхождения таймер счетчиков) и b, являющиеся параметрами аппроксимации зависимости T_d(T_ƒ) линейной функцией k⋅T_ƒ+b. Далее на каждом цикле синхронизации вычисляется значение Т_ƒd=k⋅(T_ƒ+T_c), где Т_с - значение коррекции, равное 0 в момент начала процедуры синхронизации и вычисляемое на каждом ее цикле. T_ƒd является выходом встроенного таймер счетчика устройства управления 1, синхронизированного с таймер счетчиком интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11 2, который предназначен для решения задачи синхронизации нескольких устройств управления между собой. В завершение цикла синхронизации вычисляется новое значение коррекции по формуле:The proposed method for synchronizing a control device with an integrated wireless chip IEEE 802.11 works as follows. The control unit 1 cyclically with a period of at least 1 time per second gives commands to the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard to send an ultrashort packet of duration, for example, 13.178 μs, the sending time of which is recorded using the time stamp T _d obtained using the integrated integrated function chip wireless communication standard IEEE 802.11 2 and timestamp T _ƒ, obtained using the device registration timestamps outgoing packets wireless IEEE 802.11 standard 9. If n for some reason, the IEEE 802.11 2 integrated wireless microcircuit failed to send an ultrashort packet, the control unit 1 repeats the sending commands with a frequency of not more than 1 time per second until the successful completion of the procedure for sending and registering a pair of timestamps T _d and T _ƒ . Based on sequentially recorded pairs of time stamps T _d and T _ƒ (for example, in the amount of 100 pieces), the values k (coefficient of discrepancy of the timer of the counters) and b are found, which are approximation parameters of the dependence T _d (T _ƒ ) by the linear function k⋅T _ƒ + b . Then, on each synchronization cycle, the value T _ƒd = k⋅ (T _ƒ + T _c ) is calculated, where T _c is the correction value equal to 0 at the time the synchronization procedure begins and calculated on each of its cycles. T _ƒd is the output of the built-in timer of the counter of the control device 1, synchronized with the timer of the counter of the integrated wireless communication standard 802.11 2, which is designed to solve the problem of synchronizing several control devices with each other. At the end of the synchronization cycle, a new correction value is calculated by the formula:

Данное значение Т_с будет использовано на следующем цикле синхронизации для вычисления нового значения T_ƒd.This value of T _c will be used in the next synchronization cycle to calculate the new value of T _{ƒ d} .

Работоспособность группы изобретений была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата. Макет включал в себя устройство управления на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3 v1.2, оснащенного микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 Broadcom ВСМ43438, имеющей встроенный функционал регистрации времени входящих и исходящих пакетов. В качестве быстродействующего компаратора была использована микросхема Analog Devices AD8611ARZ. Детектор отрицательного фронта, управляемый таймер счетчик, управляющий конечный автомат и детектор положительного фронта были реализованы на базе ПЛИС Xilinx Artix-7. Связь между управляющим конечным автоматом и устройством управления осуществлялась по интерфейсу Fast Ethernet и протоколу UDP. Полная ресурсоемкость реализации всех цифровых компонентов устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, а также интерфейса связи его с устройством управления по протоколу UDP составила 938 6-ти входовых логических ячеек.The efficiency of the group of inventions was tested on the layout, which clearly demonstrated the receipt of the required technical result. The layout included a control device based on a single-board computer Raspberry Pi 3 v1.2, equipped with an IEEE 802.11 Broadcom BCM43438 wireless communication chip, which has built-in functionality for recording the time of incoming and outgoing packets. As a high-speed comparator, the Analog Devices AD8611ARZ chip was used. A negative edge detector, a controllable timer counter, a controlling state machine, and a positive edge detector were implemented on the basis of the Xilinx Artix-7 FPGA. Communication between the controlling state machine and the control device was carried out via Fast Ethernet interface and UDP protocol. The total resource-intensive implementation of all the digital components of the device for registering time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard, as well as its communication interface with the control device via UDP protocol, amounted to 938 6 input logic cells.

Алгоритм предложенного способа синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 был реализован в среде Octave и запущен на устройстве управления. Длительность сверхкоротких пакетов, использованных для реализации предложенного способа синхронизации составляла 13,178 мкс. На основании 100 последовательно зарегистрированных пар меток времени T_dи Т_ƒ при аппроксимации методом наименьших квадратов получен коэффициент расхождения таймер счетчиков k, который составил 0,0200000315515486866424499368122269515879452228546142578125. Далее с использованием этого значения k были проведены 20000 последовательных циклов синхронизации, в каждом из которых вычислялась ошибка синхронизации (фиг. 4), накопившаяся за время между регистрацией меток времени T_d и Т_ƒ.The algorithm of the proposed method for synchronizing a control device with an integrated IEEE 802.11 wireless microcircuit was implemented in the Octave environment and launched on the control device. The duration of ultrashort packets used to implement the proposed synchronization method was 13.178 μs. Based on 100 consecutively registered pairs of timestamps T _d and T _ƒ , the divergence coefficient of the counter timer k, which was 0.0200000315515486866424499368122269515879452228546142578125, was obtained by the least-square approximation. Further, using this value of 20,000 k consecutive sync cycles were conducted in each of which the synchronization error was calculated (Fig. 4) accumulated during the time between registration marks time T _d and T _ƒ.

Как видно, ошибка синхронизации за все 20000 измерений, полученных в ходе более чем 6 часового эксперимента, не превышает 6 мкс, а ресурсоемкость цифровых компонент реализованного на макете устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящего в состав предлагаемой группы изобретений составила менее 1000 6-ти входовых логических ячеек, что свидетельствует о достижении заявленного технического результата.As you can see, the synchronization error for all 20,000 measurements obtained during more than 6 hours of the experiment does not exceed 6 μs, and the resource consumption of the digital components of the IEEE 802.11 standard outgoing wireless packet registration device for the time stamp of the outgoing wireless communication packets included in the proposed group of inventions was less than 1000 6 input logic cells, which indicates the achievement of the claimed technical result.

Claims

1. The device for registering time stamps of outgoing wireless packets of the IEEE 802.11 standard, including a high-speed comparator connected to the input of the radio receiver of the integrated wireless communication chip of IEEE 802.11 standard, which is also connected to the output of the transceiver front-end module of IEEE 802.11 networks, and the output of the high-speed comparator is connected to a negative edge detector and to a positive edge detector, the outputs of which are connected to the controlling state machine, whose inputs are also connected to output counter-timer control device and controlled by a timer-counter, which is controlled by the control signal of the finite state machine, wherein the output control state machine is the output registration device timestamps outgoing packets IEEE 802.11 wireless communication standard.

2. A method for synchronizing a control device with an integrated IEEE 802.11 standard wireless chip, characterized in that the control device cyclically gives instructions to the IEEE 802.11 standard wireless integrated circuit to send an ultra-short packet, the sending time of which is recorded using a time stamp obtained using the built-in functionality an integrated IEEE 802.11 wireless chip, and the timestamp obtained using the device of claim 1, to which I added the correction value is calculated, the sum with which is multiplied by the coefficient of divergence of the timer-counters, calculated as the angular coefficient of the direct approximating dependence of the timestamps obtained using the built-in functionality of the integrated IEEE 802.11 wireless chip from the timestamps obtained using the device according to claim 1 , according to the successively obtained time stamps, while the result of the product is the output of the built-in timer-counter of the control device synchronized with the timer-s with an integrated 802.11 wireless chip, which is designed to solve the problem of synchronizing several control devices with each other, the result is also subtracted from the time stamp obtained using the built-in functionality of the integrated wireless chip of the IEEE 802.11 standard, the resulting difference is divided by the difference of the timers-counters and is added to the correction value, which will be used in the next synchronization cycle.