CN102869087B - 工业物联网芯片的硬件时间同步实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护工业物联网芯片的硬件时间同步实现方法，属于工业无线通信技术领域；本发明是基于工业无线ISA100.11a网络与WIA-PA网络的时间同步，将时间同步分为广告帧/信标帧的时间同步和确认帧的时间同步。根据用户配置的广告帧/信标帧中时间戳的偏移，硬件芯片完成开始发送或开始接收时刻本地时钟时间的捕获，时间戳的插入或解析，时钟偏差的计算及本地时钟校准。确认帧时间同步中，由硬件芯片自动完成确认帧时间差，自动校准本地时钟。该实现方法提高了工业物联网时间同步的精确度和可靠性，同时减轻芯片负担。

Description

工业物联网芯片的硬件时间同步实现方法

技术领域

本发明属于工业无线通信技术领域，具体涉及工业物联网中时间同步技术。

背景技术

近些年，无线通信技术取得了突飞猛进的发展，而工业物联网技术作为无线通信技术的一个分支更是在近几年内飞速前进。工业无线传感网络技术是从无线传感器网络技术演化而来，是一种面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，其网络具有低功耗、安装维护成本低等特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势，目前，工业无线标准的制定成为工业物联网技术竞争的焦点。在工业环境下建立高可靠性，高实时性的无线传感网络成为人们迫切的需求。

工业无线ISA100.11a标准是开放的工业无线国际标准，主要针对流程/过程自动化领域，并为其提供报警类应用及非实时性监控的解决方案和系统。ISAl00不仅局限于此，还包括定位与追踪、设备管理、工厂自动化、RFID和过程自动操作等应用。工业无线WIA-PA标准是中国无线工业联盟推出的一个具有自主知识产权技术规范。基于IEEE STD802.15.4-2006标准，用于工业过程测量、监视与控制的无线网络通信标准。

ISA100.11a网络和WIA-PA网络的时间同步技术是具有共性的关键技术之一，是工业物联网网络的一项重要的支撑技术，传感器的数据融合、能量管理、传输调度、节点定位、状态切换等基础性或复杂性的操作都需要网络中的节点保持时间同步，时间同步为整个系统的不同模块提供统一的基准时间，精确的时间同步对于保证工业物联网完成一系列基础性操作至关重要，是工业物联网无线通信实时性与可靠性的前提与保证，正如《一种适用于无线传感器网络的时间同步方法》（王恒、王平、于萌萌、王颋、段未红.一种适用于无线传感器网络的时间同步方法[P].中国专利：201110048982.8）文中所指出的。传统的时间同步均由协议栈软件算法实现，代码移植性较差，尽管已近涌现出大量优秀算法，但各种时间同步算法都有其局限性，并不能适应任何应用场景，其次不能严格的保证同步精度及可靠性，再次复杂的算法还会加大软件的负担，增加网络开销及后期维护成本。本发明针对以上缺点提出时间同步的芯片的硬件实现方法，目的在于提高工业物联网时间同步的精确度及可靠性，保证工业物联网的实时性，同时减轻软件负担。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，针对现有时间同步技术的上述缺陷，根据工业物联网的特点，提出了一种满足工业物联网应用的，能够提高时间同步精度及可靠性同时减轻软件负担的时间同步芯片的硬件实现方法。根据工业无线ISA100.11a和WIA-PA规范，发明了广告帧/信标帧工业物联网芯片的硬件时间同步方法和确认帧工业物联网芯片的硬件时间同步方法。

本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种工业物联网芯片的硬件实现时间同步方法，配置协议选取寄存器PROTOCOL，开启广告帧/信标帧时间同步功能；根据ISA100.11a和WIA-PA标准配置时间戳在广告帧/信标帧中的偏移位置T_Stamp_Offset；若是时间源设备，开启本地时钟时间T_{Local_TX}/T_{Local_RX}自动捕获和时间戳自动装载，同时初始化时间戳发送寄存器，将网络的初始时间值装入该时间戳发送寄存器，时间源设备发送广告帧/信标帧时，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置T_Stamp_Offset在广告帧/信标帧中插入时间戳；若是非时间源设备，开启本地时钟时间T_{Local_TX}/T_{Local_RX}自动捕获和时间戳自动解析，同时初始化广播/信标帧接收时间间隔，接收到广告帧/信标帧时自动捕获T_{Local_RX}时间，解析广告帧/信标帧时间戳信息，完成时间差计算及本地时钟校准。时钟源及非时钟源设备的硬件芯片实现广告帧/信标帧时间同步功能流程如下。

1.配置PROTOCAL寄存器，开启芯片的广告帧/信标帧时间同步功能。即由芯片的硬件寄存器完成广告帧/信标帧时间同步相关操作，寄存器捕获开始发送或接收时产生帧首定界符SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_TX}或T_{Local_RX}，插入及解析时间戳；

2.配置偏移位置寄存器，配置时间戳在广告帧/信标帧中的偏移位置T_Stamp_Offset。根据ISA100.11a和WIA-PA标准配置时间戳在广告帧/信标帧中的偏移位置T_Stamp_Offset；

3.若是时间源设备，开启本地时钟时间T_{Local_TX}/T_{Local_RX}自动捕获和时间戳自动装载，同时初始化时间戳发送寄存器（T_Local_TX），将网络的初始时间值装入该时间戳发送寄存器；时间源设备周期性发送广告帧/信标帧时，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置T_Stamp_Offset，在广告帧/信标帧中插入时间戳；

4.若是非时间源设备，开启T_{Local_TX}/T_{Local_RX}时间自动捕获和时间戳自动解析，同时初始化广播/信标帧接收时间间隔（T_Receive_Interval），接收到广告帧/信标帧时自动捕获T_{Local_RX}时间，然后解析广告帧/信标帧时间戳信息，完成时间差计算及本地时钟校准。

确认帧芯片的硬件时间同步中，完全由芯片的硬件处理时钟偏差计算并完成本地时钟的校准。首先配置协议选取寄存器PROTOCAL，开启确认帧时间同步功能，然后时钟源和非时钟源在数据的收发过程中，自动捕获发送帧时SFD中断时刻及接收帧时SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_TX}及T_{Local_RX}，计算上述本地时钟时间距离时隙起始边界的时间偏移，最后计算时钟偏差并完成校准，时钟源及非时钟源设备实现确认帧时间同步功能流程如下。

广告帧/信标帧工业物联网芯片的硬件时间同步方法和确认帧工业物联网芯片的硬件时间同步方法能够显著的削弱时间同步的实施难度，降低协议栈软件复杂度，大幅简化工业物联网软件及硬件产品开发难度，同时用硬件芯片替代复杂的软件算法，突破了软件实现时间同步的局限性和缺陷，从根本上减小了偏差，保证了时间同步的通用性、可靠性及精确度。

附图说明

图1广告帧/信标帧中时间戳偏移T_Stamp_Offset示意图；

图2 芯片的硬件时间同步使能及配置；

图3广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步示意图；

图4 广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步流程图；

图5 广告帧/信标帧接收方芯片的硬件时钟校准流程图；

图6 确认帧芯片的硬件时间同步示意图；

图7 确认帧芯片的硬件时间同步流程图；

图8确认帧接收方芯片的硬件时钟校准流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明：

1.芯片的硬件时间同步使能及配置

配置PROTOCAL寄存器、开启芯片的广告帧/信标帧时间同步功能。由硬件寄存器捕获发送帧时产生SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_TX}、接收帧时产生SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_RX}、插入及解析时间戳、自动时钟校准；配置PROTOCAL寄存器、使能芯片的硬件确认帧自动收发功能及时间同步功能，由芯片的硬件寄存器计算开始发送时刻及开始接收时刻距离该时隙起始边界的时间偏移、自动装载及解析时间偏移、计算时钟偏差并完成校准；配置PROTECOL寄存器，使能由芯片的硬件寄存器计算从开始接收广告帧/信标帧产生SFD中断时刻至接收完成时刻的接收时间间隔T_Receive_Interval；配置时间戳偏移T_Stamp_Offset寄存器，根据ISA100.11a及WIA-PA规范描述，配置时间戳在广告帧/信标帧中的偏移位置T_Stamp_Offset。

广告帧/信标帧中时间戳偏移位置T_Stamp_Offset示意图如图1所示；广告帧/信标帧中，前导码Preamble之后是帧首定界符SFD，由SFD初偏移T_Stamp_Offset个字节即为时间戳Timestamp起始位置。

芯片时间同步使能及配置流程图如图2所示。首先配置PROTOCAL寄存器，开启广告帧/信标帧时间同步功能，开启确认帧时间同步功能，然后配置T_Stamp_Offset寄存器。如果是时间源设备则自动捕获T_{Local_TX}，使能时间戳自动装载，最后初始化T_Local_TX；如果是非时间源设备则自动捕获T_{Local_RX}，使能时间戳自动解析，最后初始化T_Receive_Interval。初始化配置完成，系统开始工作。

2.广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步实施

广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步示意图如图3所示。Data transmitted OverRadio为广告帧/信标帧发送方，即时钟源设备，Data received OverRadio为广告帧/信标帧接收方，即非时钟源设备，该广告帧/信标帧由Preamble（前导码）、SFD（帧首定界符）、Length（帧长度）、MAC Protocol（媒体介入控制层载荷）、Timestamp（时间戳）、DATA（数据）六个子域构成。

时间源设备在产生SFD中断之后自动捕获此时本地时间T_{Local_TX}，记为T1，同时插入偏移T_Stamp_Offset后的时间戳位置处，将帧发出。非时间源设备在产生SFD中断之后自动捕获本地时间T_{Local_TX},记为T2，并在接收完成后芯片的硬件寄存器解析出帧中时间戳信息T1。由于接收帧也会损耗一定时间，非时间源设备芯片的硬件寄存器自动记录T2至接收完成时刻的时间间隔T_Receive_Interval，用作时钟校准补偿。最后按照广告帧/信标帧时间同步流程图进行时间同步。

广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步流程图如图4所示，其中时钟源设备自动捕获及装载时间戳，实现芯片时间同步过程如下：

1.用户配置ISA100.11a或者WIA-PA协议芯片的硬件寄存器，开启芯片的硬件广告帧/信标帧时间同步功能，时间戳由芯片的硬件寄存器自动插入或解析，根据用户需求设置广告帧/信标帧中时间戳偏移；

2.时钟源设备判断是否到达广告帧/信标帧发送时隙边界；

3.如果到达，则开始发送广播帧/信标帧，当产生SFD中断时，芯片的硬件自动捕获此时本地时间T_{Local_TX}，记为T1；

4.将T1自动插入到预先配置的时间戳偏移位置并发送；

5.时钟源设备广告帧/信标帧芯片的硬件时间同步过程结束。

广告帧/信标帧芯片的硬件时间非时钟源方，自动捕获及解析时间戳，计算时钟偏差，完成时钟校准，其同步过程如下：

1.配置芯片的硬件寄存器，使能芯片的硬件广告帧/信标帧时间同步；

2.接收方收到广告帧/信标帧；

3.开始接收，当产生SFD中断时，芯片的硬件寄存器自动捕获此时本地时间T_{Local_TX}，记为T2，并使能芯片的硬件自动计算从开始接收到接收完成的时间间隔记为T3，该时间间隔会对最后的时钟校准结果进行补偿，保证发送及接收方的时钟是在SFD中断发生时刻对准；

4.接收完成，芯片的硬件寄存器解析出广告帧/信标帧中的时间戳信息T1；

5.接收方根据T1、T2和T3由芯片的硬件寄存器计算出时钟偏差(T_Clock_Offset)并完成本地时钟校准；

6.接收方广告帧/信标帧芯片的硬件寄存器时间同步过程结束。芯片的硬件寄存器时钟校准过程如图5所示。非时钟源设备芯片的硬件寄存器按照上述过程得到T1、T2、T3，然后芯片的硬件寄存器根据T1和T2计算T_Clock_Offset，最后芯片的硬件寄存器根据以下算法自动校准本地时钟。

接收方时钟偏差为T_Clovk_Offset，

T_{Clock_}Offset=|T1-T2|(1)

校准后本地时钟时间为T，

T=T2±T_{Clock_}Offset+T3(2)

最终完成本地时钟校准。

3.确认帧的时间同步实施

确认帧芯片的硬件时间同步过程示意图如图6所示。Clock recipient为非时钟源设备，即数据发送方、确认帧接收方，Clock source为时钟源设备，即数据接收方、确认帧发送方。图示为一个时隙的完整的时隙模板，Start of timeslot为时隙起始边界，End of timeslot为时隙终止边界，该时隙主要由TX DPDU（数据发送时间）或RX DPDU（数据接收时间）和RX ACK（ACK接收时间）或TX ACK（确认帧发送时间）组成。

非时钟源设备在开始发送数据产生SFD中断时刻，芯片的硬件寄存器会自动捕获此SFD中断时刻时间T_{Local_TX}，记为T4，同时由芯片的硬件寄存器计算得T4距离该时隙起始边界的时间偏移Offset_X。

时钟源设备在开始接收数据产生SFD中断时刻，芯片的硬件寄存器会自动捕获此SFD中断时刻时间T_{Local_RX}，记为时间T5，同时芯片的硬件寄存器计算得T5距离该时隙起始边界的时间偏移Offset_Y。最后按照确认帧时间同步流程进行时间同步。

确认帧芯片的硬件时间同步过程如图7所示，其中，时钟源设备计算接收时刻时间偏移，并自动装载返回确认帧，其时间同步过程如下：

1.开始接收数据帧，产生SFD中断，同时芯片的硬件寄存器自动捕获此SFD中断时刻时间T_{Local_RX}，记为T5，并计算出T5与该时隙起始边界的时间偏移Offset_Y，如图8所示；

2.将Offset_Y装入确认帧中，芯片的硬件寄存器判断数据发送方是否需要EUI-64（64位长地址），如果需要，将EUI-64及网络标识（PANID）装入确认帧中，立即返回给数据发送方；

3.时钟源确认帧芯片的硬件时间同步过程结束。

非时间源设备计算发送时刻的时间偏移、解析确认帧中的时间偏移，按照下文中设计的算法校准时钟，其时间同步过程如下：

1.数据发送方发送时隙边界到达；

2.开始发送数据帧，当产生SFD中断时，芯片的硬件寄存器记录此SFD中断时刻时间T_{Local_TX}，记为T4，计算T4与该时隙起始边界的时间偏移Offset_X；

3.判断是否接收到确认帧；

4.如果接收到，芯片的硬件寄存器解析出确认帧中的Offset_Y,并计算出时钟偏差（T_Clock_Offset）完成本地时钟校准；

5.数据发送方确认帧芯片的硬件时间同步过程结束。非时钟源设备芯片的硬件时钟校准过程如图8所示。芯片的硬件寄存器将自动获得Offset_X和Offset_Y，判断两者是否相等，若不等则说明收发方时钟有偏差，根据计算的T_Clock_Offset校准本地时钟。

收发方时钟偏差为T_Clock_Offset，

T_{Clock_}Offset=|Offset_X-Offset_Y|(3)

校准后本地时钟时间为T，

T=T4±T_{Clock_}Offset(4)

完成本地时钟校准。

以上所述的具体实施过程，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明全芯片的硬件寄存器实现广告帧/信标帧时间同步，芯片的硬件寄存器实现确认帧时间同步过程，并不用于限制本发明。本发明的保护范围基于本领域技术人员的理解结合权利要求进行限定。

Claims (3)

1.工业物联网芯片的硬件实现时间同步方法，其特征在于，配置协议选取寄存器PROTOCOL，开启广告帧/信标帧时间同步功能，由寄存器完成确认帧时间同步，寄存器捕获发送帧时产生帧首定界符SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_TX}、接收帧时产生SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_RX}，配置PROTOCAL寄存器、使能芯片的硬件确认帧自动收发功能及时间同步功能，寄存器计算开始发送时刻及开始接收时刻距离时隙起始边界的时间偏移、自动装载及解析时间偏移、计算时间偏差并完成校准，寄存器计算从开始接收广告帧/信标帧产生SFD中断时刻至接收完成时刻的接收时间间隔T_Receive_Interval，配置时间戳偏移位置T_Stamp_Offset寄存器；根据ISA100.11a和WIA-PA标准配置时间戳在广告帧/信标帧中的偏移位置T_Stamp_Offset；若是时间源设备，开启发送或接收帧时产生帧首定界符SFD中断时刻本地时钟时间T_{Local_TX}/T_{Local_RX}的自动捕获和时间戳自动装载功能，同时初始化时间戳发送寄存器，将网络的初始时间值装入该时间戳发送寄存器，时间源设备发送广告帧/信标帧时，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置T_Stamp_Offset在广告帧/信标帧中插入时间戳，时钟源设备在开始接收数据产生SFD中断时刻，芯片的寄存器自动捕获此SFD中断时刻时间T_{Local_RX}，记为时间T5，同时芯片的寄存器计算T5距离该时隙起始边界的时间偏移Offset_Y，将Offset_Y装入确认帧中，寄存器判断非时间源设备是否需要64位长地址EUI-64，如果需要，将EUI-64及网络标识PANID装入确认帧中，返回给非时间源设备；若是非时间源设备，开启本地时钟时间自动捕获和时间戳自动解析功能，同时初始化广告帧/信标帧接收时间间隔，非时钟源设备在开始发送数据产生SFD中断时刻，芯片的寄存器自动捕获此SFD中断时刻时间T_{Local_TX}，记为T4，同时由芯片的寄存器计算T4距离该时隙起始边界的时间偏移Offset_X，判断是否接收到确认帧，如果接收到，寄存器解析出确认帧中的Offset_Y,如果Offset_X与Offset_Y不相等则收发方时钟有偏差，根据公式：T_Clock_Offset＝|Offset_X-Offset_Y|，T＝T4±T_Clock_Offset，计算本地时钟时间为T。

2.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，非时间源设备计算时钟偏差，完成时钟校准，具体包括如下步骤：非时间源设备收到广告帧/信标帧，当产生SFD中断时，寄存器自动捕获此时本地时间T_{Local_RX}，记为T2，计算从开始接收广告帧/信标帧到接收完成的时间间隔记为T3，接收完成，寄存器解析出广告帧/信标帧中的时间戳信息T1，寄存器调用公式：T_Clock_Offset＝|T1-T2|计算非时间源设备时钟偏差为T_Clock_Offset，根据公式T＝T2±T_Clock_Offset+T3计算校准后本地时钟时间为T，完成本地时钟校准。

3.根据权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，非时间源设备寄存器记录从开始接收广告帧/信标帧产生SFD中断时刻，到接收完成时刻的时间间隔TAI_Receive，用于最终时钟的校准补偿，保证收发方时钟在SFD中断时刻对齐。