CN101359985A

CN101359985A - 基于lxi设备精密时间同步协议的嵌入式系统

Info

Publication number: CN101359985A
Application number: CNA2008101371766A
Authority: CN
Inventors: 彭宇; 乔立岩; 刘兆庆; 王彪; 罗清华
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-02-04

Abstract

基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，它涉及一种网络化测控设备的嵌入式时间同步系统，以解决现有的以太网同步控制系统存在的控制精度较低和利用专用芯片实现高精度同步带来的系统成本较高的问题。同步消息捕获单元将捕获或提取的同步消息的时间戳信息发送到时钟计算和控制单元；时钟计算和控制单元实现本地时钟的初始化配置和同步调整的控制，对网路线路延迟和时钟偏移实时计算，提供LXI精密时钟偏移信息、触发时间信息和触发控制信号；本地时钟同步单元对本地时钟计时和调整并将结果实时发送到时钟计算和控制单元；触发功能单元对本地设备的触发。本发明提高了同步精度和计时精度、能以较小成本实现纳秒级的同步精度和触发功能。

Description

基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统

技术领域

本发明涉及一种网络化测控设备的嵌入式时间同步系统，用于网络化测控设备的同步与触发。

背景技术

在现代测控领域中，由于控制对象具有多回路性、仪器设备分散性、监控实时性以及数据管理集中性等特点，需要一种分布式实时系统来实现测控任务，网络测控系统正是在这种背景之下产生的。基于以太网的测控系统体现了系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。由于以太网最初不是为测控系统设计的，其自身特点并不能满足测控系统的实时性要求。

精密时间同步协议是为克服以太网实时性不足而规定的一种对时机制。它的主要原理是对网络中所有节点进行对时同步，由一个精确的时间源周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步。协议本身并不能提高测控系统的实时性能，但它可以确定和调整事件而达到更精确的时间间隔，从而获得实时行为。在理论上，该协议可对标准以太网或其它采用多播技术的分布式总线系统中的设备时钟进行亚微秒级同步。

由于LXI(基于局域网的仪器总线)精密时钟同步协议的同步精度受协议栈和操作系统的延迟和抖动、网络线路的延迟和抖动、交换机引入的延迟和抖动、时间戳的精度等方面的影响，在实际软件实现精密时钟同步协议的时候，由于协议栈的运行和时间戳的处理都是通过不稳定的软件处理实现，仅仅能达到几百个微秒到几微秒级的同步精度。尽管LXI精密时钟同步协议专用芯片的硬件实现能达到较高的同步精度，但这样也会带来很高的成本。也有人提出应用FPGA实现，但是由于没有将网络延迟和时钟偏移计算功能用硬件实现，使得同步精度受到一定的影响。

发明内容

本发明为解决现有的以太网同步控制系统存在的控制精度较低和利用专用芯片实现高精度同步带来的系统成本较高的问题，提供一种基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统。本发明包括以下单元：

同步消息捕获单元，用于捕获协议软件单元与网络传输介质之间传输的LXI精密时间同步消息，并对同步消息进行精确时间戳定位及辨别消息类型，根据消息类型，将得到的捕获消息的时间戳信息或者提取的时间戳信息发送到时钟计算和控制单元；

时钟计算和控制单元，用于实现对本地时钟同步单元的初始化配置和同步调整的控制，根据来自同步消息捕获单元的时间戳信息发给协议软件或者进行实时的网路线路延迟和时钟偏移计算，并为本地时钟同步单元提供LXI精密时钟偏移信息，以及根据协议软件单元为触发功能单元提供触发时间信息和触发控制信号；

本地时钟同步单元，用于本地时钟计时和根据来自时钟计算和控制单元的时钟偏移信息实时动态的对本地时钟进行调整，并将计时结果实时发送到时钟计算和控制单元；

触发功能单元，用于根据LXI设备精密时间同步协议和来自时钟计算和控制单元的触发时间和控制信息，实现对本地设备的触发。

有益效果：本发明将同步时间协议嵌入到硬件中实现，使软件上的操作系统和协议栈的延迟和抖动都不会对同步精度造成影响，提高了同步精度，用硬件实现的本地实时时钟，其计时精度也较高；另外，本发明采用实时的网络线路延迟和时钟偏移计算单元，能够实时调整本地时钟，进一步提高了同步精度；本发明通过将LXI精密时钟同步协议和同步硬件合理紧密的配合，用实时的同步硬件实现影响同步精度的关键部分，在两者合理配合工作下，能以较小成本实现纳秒级的同步精度和触发功能，此嵌入式系统既可以用各种处理器(ARM、PC104或POWERPC等)与FPGA(CPLD)组合实现，也可以用SOPC来实现。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的具体实施结构示意图；图3是本发明的协议软件运行流程图；图4是本发明的硬件同步工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1～图4，本实施方式由以下单元组成：

同步消息捕获单元1，用于捕获协议软件单元5与网络传输介质6之间传输的LXI精密时间同步消息，并对同步消息进行精确时间戳定位及辨别消息类型，根据消息类型，将得到的捕获消息的时间戳信息或者提取的时间戳信息发送到时钟计算和控制单元2；

时钟计算和控制单元2，用于实现对本地时钟同步单元3的初始化配置和同步调整的控制，根据来自同步消息捕获单元1的时间戳信息发给协议软件或者进行实时的网路线路延迟和时钟偏移计算，并为本地时钟同步单元3提供LXI精密时钟偏移信息，以及根据协议软件单元5为触发功能单元4提供触发时间信息和触发控制信号；

本地时钟同步单元3，用于本地时钟计时和根据来自时钟计算和控制单元2的时钟偏移信息实时动态的对本地时钟进行调整，并将计时结果实时发送到时钟计算和控制单元2；

触发功能单元4，用于根据LXI设备精密时间同步协议和来自时钟计算和控制单元2的触发时间和控制信息，实现对本地设备的触发。

如图2所示，在该硬件同步模块中，借助高速实时并行处理的硬件同步消息捕获单元1而不是通过软件来实现对同步消息的捕获，提高了同步的精度。软件协议单元5的主要任务有：LXI精密时间同步协议运行；发送与接收同步消息；软件复位硬件单元；初始化本地硬件时钟；配置硬件单元工作状态；处理硬件单元的中断申请，读取信息；向硬件单元提供识别当前LXI精密时间同步协议有效的信息；软件系统时钟的同步，特定条件下同步本地硬件单元时钟；每次同步信息的获取与输出。软件协议单元5的工作流程如图3所示，首先系统上电初始化，协议软件配置同步硬件时钟，然后是协议软件运行LXI精密时间同步协议的初始化，如果初始化成功，就进入监听状态；根据接收到的消息和工作状态，进入相应的工作状态并执行对应的工作；如果初始化不成功，直接跳转到错误状态，然后进行相应的处理。

硬件同步模块的工作时序如图4所示：首先LXI精密时间协议软件根据工作状态配置同步硬件(包括配置本地时钟)，在主时钟工作状态时，同步消息捕获单元1对发送的SYNC消息和接收的Delay_req消息进行捕获，并做精确时间戳定位，通过时钟计算和控制单元2产生中断信号，通知软件来读取信息，软件用这些信息组包，发送同步消息；在从时钟工作状态时，首先配置同步硬件，同步消息捕获单元1对接收的SYN消息进行捕获，对其进行精密时间戳定时，捕获接收的Follow_up消息，从其中提取出时间戳信息；在从时钟工作状态时，本地时钟同步单元3能够动态的初始化配置本地时钟以及根据时钟计算和控制单元2发送的时钟偏移对本地时钟进行实时调整。如果本次周期不发送Delay_req消息，计算单元利用上次计算的延迟，来计算时钟偏移，并实时调整本地时钟。如果本次周期发送Delay_req消息时，对发送的Delay_req消息进行精密定时，对接收的Delay_resp消息进行捕获，从中提取出时间戳信息。然后计算单元根据这个四个时间戳信息计算网络延迟和时钟偏移，并实时调整本地时钟，产生中断信号，通知协议软件来读取信息。触发功能单元4能够实现精密定时协议的LXI触发功能。

Claims

1、基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，其特征在于它包括以下单元：

同步消息捕获单元(1)，用于捕获协议软件单元(5)与网络传输介质(6)之间传输的LXI精密时间同步消息，并对同步消息进行精确时间戳定位及辨别消息类型，根据消息类型，将得到的捕获消息的时间戳信息或者提取的时间戳信息发送到时钟计算和控制单元(2)；

时钟计算和控制单元(2)，用于实现对本地时钟同步单元(3)的初始化配置和同步调整的控制，根据来自同步消息捕获单元(1)的时间戳信息发给协议软件或者进行实时的网路线路延迟和时钟偏移计算，并为本地时钟同步单元(3)提供LXI精密时钟偏移信息，以及根据协议软件单元(5)为触发功能单元(4)提供触发时间信息和触发控制信号；

本地时钟同步单元(3)，用于本地时钟计时和根据来自时钟计算和控制单元(2)的时钟偏移信息实时动态的对本地时钟进行调整，并将计时结果实时发送到时钟计算和控制单元(2)；

触发功能单元(4)，用于根据LXI设备精密时间同步协议和来自时钟计算和控制单元(2)的触发时间和控制信息，实现对本地设备的触发。

2、根据权利要求1所述的基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，其特征在于所述同步消息捕获单元(1)用于在主时钟工作状态下对发送的SYNC消息和接收到的Delay_req消息进行精密时间戳定位，在从时钟工作状态下对接收的SYNC消息和发送的Delay_req消息进行精确时间戳定位，并且从接收到的Follow_up和Delay_resp消息中提取出时间戳信息。

3、根据权利要求1所述的基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，其特征在于所述时钟计算和控制单元(2)用于在从时钟工作状态下实时地计算网络线路延迟和时钟偏移，在不发送Delay_req消息时根据上次计算的延迟，计算本次的时钟延迟，在发送Delay_req消息时根据Delay_req消息精密时间戳定位信息和Delay_resp消息内的时间戳信息，实时计算网络延迟和主从时钟间的偏移。

4、根据权利要求1所述的基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，其特征在于所述本地时钟同步单元(3)用于根据时钟计算和控制单元(2)发送的时钟偏移对本地时钟进行实时调整。

5、根据权利要求1所述的基于LXI设备精密时间同步协议的嵌入式系统，其特征在于所述触发功能单元(4)用于实现精密定时协议的LXI触发功能。