CN101631016A

CN101631016A - 一种现场总线的时间同步方法

Info

Publication number: CN101631016A
Application number: CN200910061657A
Authority: CN
Inventors: 宋宝; 唐小琦; 陈鹏展; 陈吉红; 周会成; 周向东; 陈天航; 金宏星; 肖志鹏; 唐玉枝; 胡欢
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Huazhong Numerical Control Co Ltd
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Wuhan Huazhong Numerical Control Co Ltd
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: CN101631016B

Abstract

本发明公开了一种现场总线的时间同步方法，包括主站实施过程和从站实施过程。在每个通信周期中，主站将上一个周期的帧发送时刻和帧接收时刻之差以及本数据帧的发送时刻发送给环形网络中。各从站根据二个周期接收数据帧的时间差计算出主站数据帧到本单元的延时时间，再加上主站本数据帧的发送时刻，计算出本站时钟时间，实现时钟同步。本方法在各通信周期中对各从站的时钟进行同步，从站在接收到主站的数据帧后对其时钟进行校正，同步后的时钟偏差决定于通信周期内的晶振漂移误差及处理间隔，因每次通信从站都进行时钟同步，故时钟同步误差不会产生累积。应用本方法同步的系统最大时钟误差为14ns。该方法易于实现，且只占用极小的通信带宽开销。

Description

一种现场总线的时间同步方法

技术领域

本发明涉及现场总线领域，尤其涉及环形现场总线网络通信的时间同步方法。

背景技术

在数控系统中，控制装置向伺服驱动器传输命令的传统方式是采用模拟电压或脉冲串的形式，这种控制方式只适合于数控机床加工速度和控制精度都不太高的场合，难以满足多通道、高速、高精度的加工要求。

为了提高加工速度和加工精度，数控系统控制装置和伺服驱动器之间采用现场总线式的数字通信方式。目前，国外一些高档数控系统大部分都采用现场总线的通信方式用于数控系统内部的通信，如FANUC的FSSB，SIMENS的PROFINET、BECKOFF的EtherCAT等现场总线。与模拟量、脉冲串通信方式相比，现场总线有较高的实时性和可靠性，特别是各个伺服轴易于实现同步控制，能满足数控机床高速、高精度的加工要求。

在这种总线式数控系统中，控制装置和伺服驱动器之间通过现场总线联网形成网络。通常，经由现场总线进行的数据交换按照主从原则执行。在总线网络中，主导总线上的数据传输的单元称为主站，如数控系统中的控制装置。而被动执行数据传输的单元称为从站，即它们只被允许应主站要求确认收到信号或者转发信号，如数控系统中的伺服驱动器。为了避免布线复杂化，具有主从结构的现场总线网络采用环形拓扑结构，所有总线用户都连接到一个环形传输路径，如图1和图2所示。通常，为了提高总线通信的可靠性，采用冗余通信方式，在图1所示的环形网络中，数据是双向流动的，即同一个数据报文Q同时从主站的两个端口发出，依次通过各从站后，又回到主站的两个端口，其中主站的端口a接收从端口b发出的数据，主站的端口b接收从端口a发出的数据，在通信正常情况下，主站在两组数据中取一组，另一组作为备用。若一组数据出现错误，则取另一组的备用数据。

在数控加工过程中，为了保证数控机床的刀具轨迹的运动精度，数控机床各坐标轴的命令执行和状态反馈必须在同一个时刻进行，因此，总线式数控系统中除了必须保证总线数据传输的实时性以外，还必须保证网络中各单元的同步性。由于节点单元的很多操作是在严格的时间表驱动下协同完成的，所以一般通过对各个节点进行精确的时钟同步以实现各个节点单元的同步性。然而，由于各单元时钟的精度受晶体振荡器质量、温度和其它环境因素的影响，时钟偏差不可避免。所以，总线网络通信系统必须对系统中各单元的时钟偏差进行矫正。

目前，数控系统实现网络时间同步技术主要采用精确时间协议，如IEEE1588标准的精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)。

IEEE1588有两种类型的时钟，一类是参考时钟源，称为主时钟；另一类是客户时钟，称为从时钟。从时钟通过和主时钟交换同步信息来完成时间同步。同步过程分为两个步骤。首先是偏差测量和偏差矫正过程。如图4所示，在这个过程中，主时钟按所定义的时间间隔周期性地向所有从时钟发送同步报文，同步报文中携带该报文发送时刻的估计值。主时钟记录同步报文发出的精确时刻T_m1，从时钟记录接收同步报文的精确时刻T_s1。主时钟紧接着发送一个携带着T_m1的跟随报文，在接收到跟随报文后，从时钟计算偏差值Offset：

Offset＝T_s1-T_m1-delay (1)

并将时钟矫正为T：

T＝T_s1-offset (2)

如果忽略传输线路上的延迟delay，这时从时钟就和主时钟已经同步。

第2步是延迟测量，用于测量主时钟到从时钟的传输延迟。测量过程如图5所示。从时钟向主时钟发送一个延迟测量请求报文，并记录发送该报文的精确时刻T_s3，主时钟接收该请求报文并记录接收到的精确时刻T_m3，然后向从时钟发送携带T_m3的延迟测量响应报文，从时钟收到该响应报文后，可以根据下面公式计算延迟delay：

delay＝(T_s2-T_m2)+(T_m3-T_s3)/2 (3)

由此可以看出，IEEE 1588采取的是一对一的同步方式，操作时比较费时，且占用了一定的网络资源，它比较适合于星形网络，而不太适合于环形网络。

发明内容

本发明的目的在于提供一种现场总线的时间同步方法，该方法易于实现，能够使环形网络中各站点的时间同步，且只占用较小的通信带宽开销。

本发明提供的现场总线的时间同步方法，包括主站实施过程和从站实施过程，其中，主站实施过程为：

第A1步将待发送数据和通信延迟Tdelay填入对应的数据帧，通信延迟Tdelay的初始值设为0，待定时中断时，记录发送时刻Tmain，并该发送时刻Tmain填入到数据帧中，然后同时从两个端口发送出去；

第A2步等待数据帧返回，并记录数据帧的返回时刻；

第A3步计算数据帧的返回时刻与发送时刻的时间差，作为通信延迟Tdelay；

第A4步转入步骤第A1步；

各从站的实施过程均为：

第B1步等待接收主站发送的数据帧；

第B2步接收到达的数据帧，记录到达时刻Tb1，将接收的数据帧移入缓冲区，并从该数据帧中提取发送时刻Tmain和通信延迟Tdelay；

第B3步接收到达的下一个数据帧，记录到达时刻Tb2，并判断该下一个数据帧与第B2步中接收到的数据帧是否为主站的两个端口同时发送的数据帧；如果是，转入第B4步，否则直接转入第B1步；

第B4步计算同一数据帧的到达时间差T_Δ＝Tb2-Tb1；

第B5步根据到达时间差T_Δ和通信延迟Tdelay计算传输延迟Td＝(Tdelay-T_Δ)/2；

第B6步根据提取的主站发送时刻Tmain和计算得到的传输延迟Td计算从站当前的时刻Ts＝Tmain+Td，对从站时钟进行校准；

第B7步返回第B1步。

本方法在每个通信周期中对系统中的各个从站的时钟进行同步，从站在接收到主站的数据帧后就会对自己的时钟进行校正，同步后的时钟偏差决定于通信周期内的晶振漂移误差以及处理间隔，又由于每次通信从站都进行时钟同步，故时钟同步误差不会产生累积。应用本发明方法进行同步后，系统最大时钟误差为14ns。

附图说明

图1为双环形串行现场总线拓扑示意图；

图2为单环形串行现场总线拓扑示意图；

图3为环形总线数据帧格式(其中第2行为数据字节长度)；

图4为IEEE 1588PTP协议的偏差测量；

图5为IEEE 1588PTP协议的延迟测量；

图6为从站同步过程流程框图；

图7为主站同步过程流程框图；

图8为双环形串行现场总线同步数据计算示意图；

图9为单环形串行现场总线同步数据计算示意图。

具体实现方式

数控系统中所采用现场总线网络拓扑结构形式一般为双环形网络，如图1所示，而一旦网络中有一条连接线出现故障，网络可自动切换为单环形网络，如图2所示。

在通信过程中，采用如图3所示的数据报文格式，每帧数据中均包含7个同步位，1个分隔位，2个字节的帧类型，2个字节的上周期主站帧发送和接收时刻差，4个字节的主站帧发送时刻，4个字节的校验位。从图3中可以看出，虽然每次从主站发出的数据帧长度是可变的，但每帧发送数据的数据报文头长度是固定的，本发明只占用报文头中固定6个字节的数据长度，在一次通信过程后就可以实现系统中所有的从站的时钟同步。对于1个主站10个从站构成的网络系统，数据帧长度为173字节，时间同步数据占用的通信带宽为3.4％；而对于1个主站100个从站构成的网络系统，数据帧长度为1613字节，时间同步数据占用的通信带宽为0.37％，因此，通过本方法实现网络中各个站点的精确时钟同步，只需要用极小的通信带宽开销。

在数控加工中，主站发送每帧数据之间的时间间隔一般是固定的，为1ms，晶振的精度＜1ppm，所以在1ms内因晶振漂移导致产生的时钟差异为ΔTc＜1ns；从站处理器频率＞150M，从站处理器的同步过程处理最大延迟为2个时钟周期，因处理过程产生的时钟差异为ΔTs＜13ns，因此，在每帧数据通信中由于上述因素导致的时钟同步误差ΔT≤(ΔTc+ΔTs)，即ΔT≤14ns。

对于图1所示的双环形网络，其时钟同步原理如下：

主站1的端口b在时刻T_b发送周期性数据帧Q_m1，经从站2.1到2.n后回到主站的端口a。从站2.1接收到Q_m1的时刻为Tb1，从站2.2接收到Q_m1的时刻为Tb2，依此类推，从站2.n接收到Q_m1的时刻为Tbn。同时，主站1的端口a在时刻T_a发送周期性数据帧Q_m2，经从站2.n到2.1后回到主站的端口b。从站2.n接收到Q_m2的时刻为Tan，从站2.n-1接收到Q_m2的时刻为Tan-1，依此类推，从站2.1接收到Q_m2的时刻为Ta1。各从站接收到数据帧Q_m1和Q_m2的时间差分别为ΔT1、ΔT2，......、ΔTn，如图6所示。

所述的主站端口b发送Q_m1的时刻为T_b，接收到Q_m2的时刻为T_ab，那么在一个周期内，主站端口b发送数据帧和接收到数据帧的时间差为ΔTba＝Tb-Tab。

同理，主站端口a发送Q_m2的时刻为T_a，接收到Q_m1的时刻为T_ba，那么在一个周期内，主站端口a发送数据帧和接收到数据帧的时间差为ΔTab＝Ta-Tba。

由图6可知，在同一个通信周期内，通过计算主站各端口发送和接收到数据帧的时间差以及各从站分别接收主站1不同端口发来的数据帧的时间差，就可以得到主站1两个端口数据帧分别到各个从站的延时时间，数据帧

从主站1端口b到各从站的延时时间：

从主站1端口b到从站2.1的延时时间为：

Δ T_{b 1} = \frac{1}{2} (Δ T_{ba} - Δ T_{1});

从主站1端口b到从站2.2的延时时间为：

Δ T_{b 2} = \frac{1}{2} (Δ T_{ba} - Δ T_{2});

......

从主站1端口b到从站2.n的延时时间为：

Δ T_{bn} = \frac{1}{2} (Δ T_{ba} - Δ T_{n}) .

同理，可以计算数据帧从主站1端口a到各从站的延时时间：

从主站1端口a到从站2.n的延时时间为：

Δ T_{an} = \frac{1}{2} (Δ T_{ab} - Δ T_{n});

从主站1端口a到从站2.n-1的延时时间为：

Δ T_{an - 1} = \frac{1}{2} (Δ T_{ab} - Δ T_{n - 1});

......

从主站1端口a到从站2.1的延时时间为：

Δ T_{a 1} = \frac{1}{2} (Δ T_{ab} - Δ T_{1}) .

对于所述的图2所示的线形网络，其时间同步原理如下：

主站1的端口b在时刻T_b发送数据帧Q_m1，称发送帧Q_m1，发送帧经从站2.1到2.n后折返，称返回帧Q_m1，返回帧再经从站2.n-1到2.1回到主站1的端口b的接收端。从站2.1接收到发送帧Q_m1的时刻为Tb1，从站2.2接收到发送帧Q_m1的时刻为Tb2，依此类推，从站2.n接收到发送帧Q_m1的时刻为Tbn。对于从从站2.n返回的数据帧Q_m1，从站2.n发出的时间为T`bn，从站2.n-1接收到返回帧Q_m1的时刻为T`bn-1，依此类推，从站2.1接收到返回帧Q_m1的时刻为T`b1。各从站接收到发送帧Q_m1和接收到返回帧Q_m1的的时间差分别为ΔT1、ΔT2，......、ΔTn，如图7所示。

所述的主站1端口b发送发送帧Q_m1的时刻为T_b，接收到返回帧Q_m1的时刻为T`_b，那么在一个周期内，主站1端口b发送数据帧和接收到返回帧的时间差为ΔTb＝Tb-T`b。

由图7可知，在同一个通信周期内，通过计算主站1端口b发送发送帧Q_m1和接收到返回帧的时间差以及各从站分别接收到主站1端口b的发出发送帧Q_m1和返回帧Q_m1的时间差，就可以得到从主站1端口b数据帧分别到各个从站的延时时间：

从主站1端口b到从站2.1的延时时间为：

Δ T_{b 1} = \frac{1}{2} (Δ T_{b}^{'} - Δ T_{1});

从主站1端口b到从站2.2的延时时间为：

Δ T_{b 2} = \frac{1}{2} (Δ T_{b}^{'} - Δ T_{2})

......

从主站1端口b到从站2.n的延时时间为：

Δ T_{bn} = \frac{1}{2} (Δ T_{b}^{'} - Δ T_{n}) .

具体实现方式是：在每一个通信周期中，主站将上一个周期的帧发送时刻和帧接收时刻之差以及本数据帧的发送时刻发送给环形网络中，如图4所示。各从站根据前一个周期中接收到数据帧Qm1和Qm2的时间差就可以计算出主站数据帧到本单元的延时时间，再加上主站本数据帧的发送时刻，计算出本单元的时钟时间，从而实现了时钟的同步。

在这种环形结构中，主站将需要发送给各从站的数据信息按照一定的规则打成一个如图3所示的数据包发送给环形传输路径，环形网络中各从站在数据包经过时，无需接收全部数据包，而是在报文经过其节点时只下载属于本单元的编址数据，并将需要上传的数据插入至报文相应的位置之中，并将数据包转发给与其相连的下一个单元，数据包最后返回主站。

主站和从站的实施步骤分别如图8和图9所示。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1、一种现场总线的时间同步方法，包括主站实施过程和从站实施过程，其中，主站实施过程为：

第A2步等待数据帧返回，并记录数据帧的返回时刻；

第A4步转入步骤第A1步；各从站的实施过程均为：

第B1步等待接收主站发送的数据帧；

第B4步计算同一数据帧的到达时间差T_Δ＝Tb2-Tb1；

第B7步返回第B1步。