CN103209042B - 时刻同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时刻同步系统。其目的在于，即使在数据包集中时，也可以减少网络延迟的波动，提高时刻同步精度。具有：主站，其具有进行时刻同步数据包的通信而进行时刻同步的处理的时刻同步处理部、和进行除了时刻同步以外的处理的主处理部，主站向时刻同步处理部和主处理部赋予不同的IP地址；多个从站，其在与主站中的主处理部进行通信时，向主处理部的IP地址中进行普通数据包的通信，在进行时刻同步的通信时，向时刻同步处理部的IP地址中进行时刻同步数据包的通信；以及中继装置，其将主站和从站之间连接，分配针对每个IP地址进行通信的数据包，在每个IP地址中设有第1缓存器、第2缓存器。

Description

时刻同步系统

技术领域

本发明涉及一种在主站和多个从站之间进行通信时的时刻同步系统。

背景技术

主站和多个从站之间由网络连接，经由该网络，在主站和各从站之间进行数据通信。主站以及多个从站分别内置内部时钟，在主站和各从站之间实现时刻同步很重要。作为进行该时刻同步的协议的一个例子，已知IEEE1588协议（以下称为1588协议）。

在1588协议中，通过在主站和各从站之间，接收/发送记录有以双方的内部时钟为基准的时间戳信息的数据包，从而求出网络延迟和时刻差，使内部时钟同步。作为利用该1588协议的时刻同步系统，例如存在专利文献1中公开的技术。

一般地，在1588协议中，从站将记录有根据自身的内部时钟求出的发送时刻的数据包向主站发送。主站利用自身的内部时钟求出接收时刻。发送时刻和接收时刻之间的差，为两个时钟的时刻差和网络延迟合计计算的结果。从主站向从站发送时刻同步用的数据包时也同样。因此，计算网络延迟和时刻差，将两者的时钟同步。

图5示出现有的时刻同步系统101。该时刻同步系统101具有主站102、4个从站（第1从站103-1～第4从站103-4：总称为从站103）、和中继装置104而构成。主站102和各从站103之间，主要进行除了时刻同步以外的数据包通信，但也进行用于时刻同步的数据包通信。

中继装置104是在主站102和各从站103之间进行通信的网络的中继装置，使用所谓第二层交换机（在图中为L2SW）。在该中继装置104中基于在数据包中设定的IP地址，分配通信目标，由此实现主站102和各从站203之间的数据包通信。

在从多个从站103向主站102进行数据包通信的情况下，在中继装置104中数据包会集中而产生负荷。在作为中继装置104的第二层交换机中，如图6所示，针对每个IP地址设置缓存器105，以向缓存器105输入的顺序，向主站102输出数据包。

图6表示从4个从站103向主站102输出普通数据包（除了时刻同步以外的数据包）P1、P2、P3和向中继装置104输出用于时刻同步的数据包（时刻同步数据包）的状态（第1通信例）。普通数据包P1～P3以及时刻同步数据包是以主站102的IP地址为目标的数据包。另外，在图中，时刻同步数据包作为“1588”而表示。

在图6中，时刻同步数据包为最优先的数据包，从缓存器105的前头开始最先向主站102输出。由此，以最小的等待时间T1输出。由此，不受其它的数据包P1～P3的影响，可以以最小的等待时间T1输出时刻同步数据包。

图7表示第2通信例。虽然时刻同步数据包为最优先，但普通数据包P1已到达缓存器105，开始普通数据包P1的输出。由于普通数据包P1的输出无法在中途中断，因此时刻同步数据包至普通数据包P1的输出结束为止产生等待时间，其成为等待时间T2。并且，在经过等待时间T2后输出时刻同步数据包。

图8表示第3通信例，示出与时刻同步数据包相比普通数据包P1～P3的优先度较高的情况。由此，时刻同步数据包在普通数据包P1～P3的输出结束后向主站102输出。此时在经过最长等待时间T3后，时刻同步数据包向主站102输出。

专利文献1：日本特开2010—4321号公报

时刻同步数据包是用于在主站102和各从站103之间实现时刻同步的数据包，如果该数据包的到达定时产生波动，则无法进行正确的时刻同步。即，如果在从站103发送时刻同步数据包后，至主站102接收时刻同步数据包为止的网络延迟中产生波动，则时刻同步的精度降低。

如图6所示，在首先输出时刻同步数据包的情况下，不会受其它数据包的影响。由此，网络延迟可成为最小的等待时间T1。由于等待时间T1不受其它的普通数据包P1～P3的影响，因此主站102可以基于该时刻同步数据包，进行正确的时刻同步。

另一方面，如图7所示，在时刻同步数据包被设定为最优先，但在已开始普通数据包P1的输出的情况下，在普通数据包P1的输出完成后，开始时刻同步数据包的输出。此时，与普通数据包P1的输出进行至何种程度相对应，等待时间T2发生变化。

例如，在100Mbps下进行通信的情况下，普通数据包P1的数据包长度为1千字节时最大发生80μs的等待时间T2。由此，与普通数据包P1的大小以及输出进行至何种程度相对应，等待时间T2最大变化至80μs。其为事先无法预测的值。

如图8所示，在与时刻同步数据包相比，普通数据包P1～P3的优先度较高的情况下，普通数据包P1～P3的输出结束后，使时刻同步数据包输出。普通数据包P1～P3的数据包长度可变，另外由于无法预测输出进行至何种程度，因此等待时间T3较大地变化。

如上所述，主站102或者从站103基于时刻同步数据包，进行时刻同步。因此，如图7或图8所示，在等待时间变化的情况下，由于在网络延迟中产生波动，因此时刻同步精度下降。特别地，如果从较多的从站103向主站102进行数据包的通信，则会发生数据包的集中。受到该数据包的集中的影响，在网络延迟中产生较大的波动。

发明内容

由此，本发明的目的在于，即使在数据包集中时，也通过使网络延迟的波动减少，从而提高时刻同步精度。

为了解决上述课题，本发明的时刻同步系统的特征在于，具有：主站，其具有进行用于时刻同步的数据包的通信而进行所述时刻同步的处理的时刻同步处理部、和进行除了所述时刻同步以外的处理的主处理部，所述主站向所述时刻同步处理部和所述主处理部赋予不同的IP地址；多个从站，其与该主站中的所述主处理部进行通信时，向所述主处理部的IP地址对除了时刻同步以外的数据包进行通信，在进行所述时刻同步的通信时，向所述时刻同步处理部的IP地址对时刻同步用的数据包进行通信；以及中继装置，其将所述主站和所述从站之间连接，分配针对每个所述IP地址进行通信的数据包，在每个所述IP地址中设有缓存器。

根据该时刻同步系统，在主站中设有主处理部和时刻同步处理部，并赋予不同的IP地址。由此，时刻同步数据包不会受其它普通数据包的影响。由此，在对时刻同步数据包进行通信时，在网络延迟中不会产生延迟，可以进行时刻同步。

另外，具有对对象物的物理量进行测定或者控制的物理量测定设备，所述主站，为进行所述物理量的测定数据的处理或者控制数据的生成的上位装置，所述从站的特征在于，在与所述物理量测定控制设备之间，将所述测定数据或者所述控制数据作为除了所述时刻同步以外的数据包，在所述物理量测定控制设备和所述主站之间进行中继。

物理量测定控制设备所测定出的测定数据，经由从站频繁地向上位装置发送。另外，上位装置将对物理量测定控制设备进行控制的控制数据，经由从站向物理量控制设备发送。由此，容易发生数据包的集中。另一方面，为了期待测定结果的正确性，必须在上位装置和物理量测定控制设备之间进行时刻同步。由此，可以使用时刻同步系统。

另外，所述从站和所述物理量测定控制设备之间的通信的特征在于，可以利用无线通信。

可以适用于下述系统中，即，物理量测定设备和从站之间的通信通过无线通信进行，在从站和主站之间进行数据包通信的系统，可以在该系统中进行时刻同步。

另外，所述无线通信的特征在于，利用时分多路复用通信。

从站和物理量测定控制设备之间的通信，可以利用时分多路访问（时分多路复用通信）进行。

另外，所述物理量测定控制设备的特征在于，从多个所述从站中动态地选择通信品质良好的从站进行通信。

通过在物理量测定控制设备和多个从站之间可以利用无线进行通信，与电波的强度等的电波状况（通信品质的状况）的变化相对应，动态地选择条件良好的从站进行通信，从而可以进行良好的通信。

另外，所述无线通信的特征在于，多个所述从站同步地利用时分多路复用通信进行。

时分多路复用通信通过多个从站同步地进行，从而可以实现良好的通信。此时，在各从站中可以正确地进行时刻同步，因此可以实现良好的时分多路复用通信。

另外，所述从站是对对象物的物理量进行测定或者控制的物理量测定控制设备，所述主站是进行所述物理量的测定数据的处理或者控制数据的生成的上位装置，所述物理量测定控制设备的特征在于，将所述测定数据或者所述控制数据作为除了所述时刻同步以外的数据包，与所述上位装置进行数据包通信。

如上所述，也可以在从站和物理量测定控制设备之间进行无线通信，但从站也可以作为物理量测定控制设备起作用。在该情况下，由于从站本身作为物理量测定控制设备，因此不进行无线通信。

另外，所述时刻同步处理部的特征在于，构成为可以从所述主站拆下，可以将拆下的所述时刻同步处理部安装在所述主站以外的其它主站上。

通过构成为可以将时刻同步处理部拆下，可向其它主站移植的结构，从而可以在不具有时刻同步处理部的系统中简单地构建进行时刻同步的系统。

发明的效果

由于本发明在主站上设置主处理部和时刻同步处理部，赋予不同的IP地址，因此减少网络延迟的波动，时刻同步数据包不受网络延迟的波动的影响而进行通信。由此，可以实现主站和从站之间的正确的时刻同步。

附图说明

图1是表示实施方式的时刻同步系统的概要的图。

图2是表示时刻同步系统中的第1通信例的图。

图3是表示时刻同步系统中的第2通信例的图。

图4是表示时刻同步系统中的第3通信例的图。

图5是表示现有的时刻同步系统的概要的图。

图6是表示现有的时刻同步系统中的第1通信例的图。

图7是表示现有的时刻同步系统中的第2通信例的图。

图8是表示现有的时刻同步系统中的第3通信例的图。

符号的说明

1  时刻同步系统

2  主站

3  从站

4  中继装置

5  现场设备

10 主处理部

11 时刻同步处理部

21 选择器

22 第1缓存器

23 第2缓存器

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的实施方式。下面，对下述情况进行说明，即，从站使用与进行物理量测定的物理量测定控制设备进行通信的装置，主站使用与从站进行通信并进行测定数据的处理以及物理量测定控制设备的控制的装置。当然，主站以及从站不限于此。例如，也可以应用于变电所中的使用时刻服务器的系统中。另外，也可以应用于由IEEE 1588协议连接有多个摄像机的系统或家庭内AV用LAN（Local Area Network）中的时刻同步系统。

作为物理量测定控制设备，例如可以使用现场设备。物理量测定控制设备，除了对压力、温度、流量等物理量进行测定的压力计、温度计、流量计等以外，还作为以使压力、温度、流量等物理量与目标值一致的方式进行控制的压缩机、加热器、阀等的驱动器而使用。

物理量测定控制设备（以下，称为现场设备）可以利用有线或者无线与从站进行通信，将测定到的物理量作为测定数据向从站发送。从站向远程配置的主站发送测定数据。主站可以通过有线或者无线，经由网络与从站进行通信。并且，从从站发送来的测定数据由主站进行规定的处理。

另外，主站发送用于控制现场设备的控制数据。该控制数据经由网络被从站接收，该从站向现场设备发送控制数据，从而进行现场设备的控制。

在主站以及从站中内置有内部时钟，在主站和各从站之间实现时刻同步变得重要。存在下述情况，例如，在某个规定的定时现场设备进行测定，将测定数据向从站发送。从站将测定数据向主站发送，在主站中对测定数据进行比较，进行物理量是否正常的判定。此时，在主站和从站之间实现时刻同步变得极其重要。

特别地，由于从站频繁地将测定数据向主站发送，因此易发生数据包的集中。另一方面，时刻同步用的数据包（时刻同步数据包）每隔一定周期进行通信。由此，由于测定数据的数据包的集中，因此时刻同步数据包受到影响，时刻同步精度下降。如果从站的时刻同步精度下降，则现场设备无法在同一定时对测定对象进行测定，使测定精度大幅度地下降。

图1示出本实施方式的时刻同步系统1。该时刻同步系统1具有主站2、4个从站（第1从站3-1～第4从站3-4：总称从站3）、中继装置4和4个现场设备（第1现场设备5-1～第4现场设备5-4：总称现场设备5）而构成。

从站3的个数不限于4个，只要为多个即可，可以设置任意个从站3。另外，现场设备5的个数也不限于4个，只要多个即可，也可以设置任意个现场设备5。在图1中1个从站3和1个现场设备5进行通信，但也可以是多个现场设备5与1个从站3进行通信。

从站3和现场设备5之间的通信可以通过有线或者无线任一种方式进行，在这里进行无线通信。另一方面，主站2和从站3之间的通信也可以通过有线或者无线任一种方式进行，在这里进行有线通信。主站2、中继装置4和各从站3通过有线进行连接。

主站2是上位装置。各从站3与现场设备5进行通信，现场设备5接收测定出的测定数据，将接收到的测定数据向主站2进行数据包通信。另外，控制数据从主站2向各从站3进行数据包通信，该控制数据从各从站3向各现场设备5进行通信。由此，主站2进行各现场设备5的控制。主站2和各从站3之间由网络连接，在该网络中设置中继装置4。在这里，作为中继装置4，使用第二层交换机（在图中为L2SW）。

主站2具有主处理部10和时刻同步处理部11。主处理部10进行除了时刻同步以外的处理，主要进行测定数据的处理。因此，在主处理部10中使用具有较高处理能力的CPU。时刻同步处理部11是用于进行时刻同步的专用处理部，可以使用CPU，也可以使用用于进行时刻同步处理的电路。另外，在时刻同步处理11中使用CPU的情况下，由于该CPU着重于时刻同步处理，因此可以使用处理能力较低的CPU。

通常，作为主站2，使用一个CPU的1个网络端口，实现主处理部10和时刻同步处理部11这两种功能。即，在主站2中使用具有主处理部10和时刻同步处理部11这两种功能的CPU。由此，主站2进行测定数据的处理等和时刻同步处理。在本实施方式中，主站2分开设置主处理部10的CPU和时刻同步处理部11的CPU（或者处理回路）这两个CPU。另外，1个CPU也可以使用具有多个网络端口的设备。

并且，主处理部10和时刻同步处理部11被赋予不同的IP地址。由此，在从从站3侧发送数据包时，可以区别是与主处理部10进行通信的数据包（普通数据包）、还是与时刻同步处理部11进行通信的数据包（时刻同步数据包）。由此，向与目标IP地址相对应的主处理部10或者时刻同步处理部11进行数据包通信。

在图2中示出中继装置4的详细内容。另外，在图2及之后的附图中，为了简化而省略现场设备5的记载，但在图2及之后的附图中，从站3与现场设备5依然进行无线通信。图2的中继装置4具有选择器21、第1缓存器22和第2缓存器23而构成。选择器21具有将从各从站3发送来的数据包，针对每个IP地址分配通信目标的功能。另外，在图2中，从选择器21开始前端的实线表示向第1缓存器22发送数据包，虚线表示向第2缓存器23发送数据包。

第1缓存器22以及第2缓存器23是针对每个IP地址设置的发送缓存器。第1缓存器22是与主处理部10的IP地址相对应的缓存器，第2缓存器23是与时刻同步处理部11的IP地址相对应的缓存器。IP地址不限于2个，也可以是大于或等于3个，在该情况下，选择器21针对每一个IP地址分配缓存器的输出目标。另外，在这里所谓的缓存器的个数是指逻辑上的数量，通过将物理上的一个存储器分成几个缓存器进行使用，从而可以实现多个缓存器的功能。

因此，作为中继装置4的中继装置，只要具有选择器21、第1缓存器22和第2缓存器23即可，不限于第二层交换机，可以使用任意的中继装置。

下面，对动作进行说明。图2表示第1通信例。从第1现场设备5-1～第4现场设备5-4向第1从站3-1～第4从站3-4通过无线对测定数据进行通信。此时，大约同时地从第1从站3-1～第4从站3-4输出数据包。第1从站3-1～第3从站3-3输出普通数据包P1～P3，第4从站3-4输出时刻同步数据包（在图中为1588）。由此，数据包集中在中继装置4中。

此时，由于第1从站3-1～第3从站3-3输出普通数据包P1～P3，因此，目标IP地址成为主处理部10的IP地址。由此，选择器21将普通数据包P1～P3依次向第1缓存器22储存。并且，从第1缓存器22中储存的前头的数据包P1向主处理部10输出。

另一方面，第4从站3-4输出时刻同步数据包。该时刻同步数据包的目标IP地址成为时刻同步处理部11的IP地址。由此，选择器21将时刻同步数据包向第2缓存器23储存。并且，在第2缓存器23中储存的时刻同步数据包以最小等待时间T1向时刻同步处理部11输出。

在第2缓存器23中储存的时刻同步数据包不受其它数据包P1～P3的影响。其原因在于，对主处理部10和时刻同步处理部11赋予不同的IP地址，由选择器21针对每个IP地址分配数据包。

图3示出第2通信例，表示第1从站3-1～第3从站3-3的普通数据包P1～P3基于目标IP地址（主处理部10的IP地址），在第1缓存器22中储存的状态。此时，开始前头的数据包P1的输出。

另一方面，第4从站3-4输出的时刻同步数据包的目标IP地址为时刻同步处理部11的IP地址，因此，从第2缓存器23的前头，将时刻同步数据包向时刻同步处理部11输出。此时，时刻同步数据包不受其它普通数据包P1～P3的影响。

即，即使开始了普通数据包P1的输出，也不必等待该普通数据包P1的输出结束，即可以将时刻同步数据包向时刻同步处理部11输出。由此，可以以最小的等待时间T1将时刻同步数据包向时刻同步处理部11输出。

图4示出第3通信例，示出第1从站3-1～第3从站3-3的普通数据包P1～P3基于目标IP地址（主处理部10的IP地址），在第1缓存器22中储存的状态。假设普通数据包P1～P3的优先度高于时刻同步数据包。由此，如果假设在第1缓存器22中储存时刻同步数据包，则在最后才储存时刻同步数据包。

但是，如图4所示，第4从站3-4对目标IP地址指定时刻同步处理部11，由此在第2缓存器23中储存时刻同步数据包。由此，图2和图4的结构以相同的方式示出，可以以最小等待时间T1将时刻同步数据包向时刻同步处理部11输出。

由此，如图2～图4所示，从第4从站3-4输出的时刻同步数据包可以全部以最小的等待时间T1向时刻同步处理部11输出。即，不受其它普通数据包P1～P3的影响，可以总是以相同且固定的等待时间T1向时刻同步处理部11输出时刻同步数据包。

由此，时刻同步数据包从从站3输出至向主站2输入为止的时间（网络延迟量）总是成为一定的值，不会产生波动。由此，可以现实时刻同步精度的提高。并且，由于时刻同步数据包每隔一定周期从从站3向主站2输出，因此时刻同步数据包很少集中。由此，可以以最少的时间进行主站2和从站3的时刻同步。

如以上说明所示，将主站2分为主处理部10和时刻同步处理部11这两个系统，时刻同步处理部11的系统专门用于时刻同步，因此可以抑制网络延迟量的波动，可以提高时刻同步精度。

另外，主站2将主处理部10的CPU和时刻同步处理部11的CPU设置为不同的CPU。由于主处理部10的CPU进行测定数据的运算等的运算处理，因此要求较高的运算能力，但如上所述具有较高运算能力且可以进行时刻同步处理的CPU的选择余地较小。

在本实施方式中，通过对主处理部10和时刻同步处理部11分配各自具有不同功能的CPU，从而主处理部10可以使用特别注重较高运算能力的CPU，CPU的选择余地大。另外，由于时刻同步处理部11为特别注重时刻同步的CPU，因此不要求那么高的处理能力。因此，时刻同步处理部11的CPU的选择余地也大。

另外，在主处理部10和时刻同步处理部11由一个CPU实现的情况下，必须选择具有较高的运算能力、且可以进行时刻同步处理的CPU，因此，不仅CPU的选择余地小，而且必须使用高价的CPU。在本实施方式中，由于主处理部10和时刻同步处理部11分为不同的CPU，因此可以不使用高价的CPU，因此可以实现成本降低。

另外，如果构成为可以将时刻同步处理部11从主站2中拆下的结构，则在使用其它主站时，该拆下的时刻同步处理部11可以应用于其它主站中。由此，通过移植时刻同步处理部11，从而在其它机种的系统中也可以使用本实施方式。

另外，在图1至图4中，经由一个中继装置4将主站2和从站3连接，但也存在经由多个中继装置4将主站2和从站3连接的情况。在该情况下，多个中继装置4之间由2个系统连接，将其中一个系统作为时刻同步数据包的专用系统而使用。

另外，在图1至图4中，示出了主站2和中继装置4分离的结构，但也可以将主站2和中继装置4作为一体的硬件而构成。

另外，在以上说明的例子中构成为，在一个从站3与1个或者多个现场设置5之间进行无线通信，但也可以构成为一个现场设备5与多个从站3进行无线通信。根据现场设备5和从站3之间的位置关系，也可以存在一个现场设备5与多个从站3进行无线通信的情况。

根据现场设备5所设置的环境，存在电波强度等的电波状况（通信品质的状况）发生变化的情况。因此，在现场设备5与进行无线通信的从站3之间的电波状况恶化的情况下，无线通信可以动态地向电波状况良好的从站3切换。在动态地切换从站3的情况下，多个从站3必须同步。由此，可以在现场设备5和从站3之间实现良好的无线通信。

另外，在图1至图4中，示出了从站3和现场设备5进行无线通信的例子，但从站3本身也可以作为现场设备5、即物理量测定控制设备起作用。即，从站3也可以进行物理量的测定，将测定数据向主站2通信。在该情况下，主站2向从站3发送控制数据，进行从站3的测定控制。

Claims (8)

1.一种时刻同步系统，其特征在于，具有：

主站，其具有被赋予第一IP地址的主处理部、和被赋予与所述第一IP地址不同的第二IP地址的时刻同步处理部；

多个从站，它们构成为，将以所述第一IP地址为目标的第一数据包和以所述第二IP地址为目标的第二数据包向所述主站发送，所述第二数据包是所述主站与所述多个从站中的一个从站之间的时刻同步用数据包，所述第一数据包是与所述第二数据包不同的数据包；以及

中继装置，其设置在所述主站和所述从站之间，对从所述从站发送来的所述第一数据包和第二数据包向所述主站进行中继，

所述中继装置构成为，将所述第一数据包向所述主处理部发送，将所述第二数据包向所述时刻同步处理部发送，

所述主处理部构成为，从所述中继装置接收所述第一数据包，对所述第一数据包进行规定的处理，

所述时刻同步处理部构成为，从所述中继装置接收所述第二数据包，基于所述第二数据包，进行所述主站与所述多个从站中的一个从站之间的时刻同步处理。

2.根据权利要求1所述的时刻同步系统，其特征在于，

还具有多个现场设备，其构成为对对象物的物理量进行测定或者控制，该现场设备通过与所述从站进行通信，从而将所述对象物的物理量的测定数据或者控制数据向所述从站发送，

所述第一数据包是所述对象物的物理量的测定数据或者控制数据。

3.根据权利要求2所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述现场设备构成为，通过无线通信与所述从站进行通信。

4.根据权利要求3所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述现场设备构成为，通过利用时分多路复用通信的无线通信与所述从站进行通信。

5.根据权利要求3所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述现场设备构成为，从所述多个从站中动态地选择通信品质良好的从站，与所述选择的从站进行通信。

6.根据权利要求3所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述各从站具有内部时钟，在所述从站的内部时钟彼此同步时，所述现场设备通过利用时分多路复用通信的无线通信与所述从站进行通信。

7.根据权利要求1所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述从站构成为，对对象物的物理量进行测定或者控制，

所述第一数据包是所述对象物的物理量的测定数据或者控制数据。

8.根据权利要求7所述的时刻同步系统，其特征在于，

所述时刻同步处理部可以从所述主站拆下。