CN104135359B - 一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，包括以下步骤，1)将级联系统划分为四个层次；2)确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道；3)依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的对同步采样和同步传输及链路管理的各层装置；4)计算各层的信道延迟量；5)重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号；6)以采样周期T_s为节拍控制数据传输。本发明解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，同步精度和实时性高，通道建设成本和施工工作量低，具有良好的应用前景。

Description

一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法

技术领域

本发明涉及适用于在分散距离较远的多个关联节点之间的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，属于电力系统保护和工业控制技术领域。

背景技术

在电力系统广域保护和广域过程控制领域，为精确地保留信号的相位信息，或对异步发生的事件进行精确时序分析，需要对某一组过程量进行严格异地同步等间隔采集。为了提高系统实时处理能力和异步事件响应速度需要各个过程量采集控制装置的采样数据能够实时上送，并且处理装置的命令设置信息需要实时地发往执行机构或调节机构，一些标准对同步采样和数据传输抖动更是提出近乎严苛的要求，如IEC61850-5就定义了3个等级的采样值同步准确度：T₃、T₄和T₅，其中用于计量T₅等级，则要求为1μs。

对广域测量和控制系统来说，系统规模大、测控节点物理分布较远、组网成本高，如何保证全系统的严格等间隔同步采样和实时数据的同步低抖动回传就成为难题。针对这类应用，还没有统一的实现方法，现有的同步采样控制方法主要包括以下四种方法：

(1)遵循IEC61850体系结构，由一个精确时钟源同步多个合并器，再由合并器产生控制ADC的启动信号，实现多节点采样；

(2)基于IEEE1588精确时间协议PTP(Precision Time Protoco1)的同步采样系统，通过对满足多点通信的分布式控制系统采用多播技术终端设备的时钟进行微秒级同步，进而根据绝对时间实现采样同步；

(3)基于卫星时钟同步法，利用GPS或北斗模块为不同物理分布节点提供秒脉冲，各节点采样同步于GPS或北斗模块输出的秒脉冲实现全局同步采样；

(4)由一个通信装置产生同步命令帧，过程量采集控制装置在同步命令帧的控制下启动本地数据转换，同时回传上一个采样间隔的采样数据和协议数据，在一对通信链路上实现同步控制和数据传输。

上述的同步采样控制方法的均存在不足之处：

对于方法(1)，IEC61850体系结构需要独立的同步通道，普遍采用秒脉冲同步合并器，这种体系结构没有考虑传输链路长度影响，而且数据传输的方向是单向的，在需要主从节点交互信息时不适用，对同步钟源和本地时钟要求高，且本地需要执行复杂的时钟驯服算法。此外，由于引入了专门的同步接口和同步网络，实际上增加了系统成本和复杂性。

对于方法(2)，基于IEEE1588的同步采样方法，需要支持IEEE1588协议的网络硬件接口和交换设备，增加额外的成本。而且，由于IEEE802.3对以太网传输距离和网络传输延时有要求，使之不适用物理上分布较远的多个节点之间的同步采集和控制，IEEE1588每秒启动一次同步过程，在时钟校同步失败后，再次同步需要反复计算两侧时钟的相对误差Δt，同步延时较长。此外，在高速多节点采集控制装置连接到同一个主控节点时，重载时网络冲突加剧，影响实时数据传输，不能保证每个采样数据在固定的时延下传输到数据处理终端。

对于方法(3)，GPS和北斗同步法受捕获卫星数量影响，以及自然环境和社会环境等因素的制约，并且需要相应的硬件支持，对天线的安装位置要求较高，需要额外的数据传输通道，成本较高。

对于方法(4)，基于非级联通信装置控制同步采样和数据传输的方法在系统规模扩大且距离很远时，需要连接多个点对点的链路，增加工程施工成本且系统容量扩充困难。

以上几种方法虽可解决同步采样问题，但都没有涉及广域数据同步传输问题，尤其是对传输的实时性有严格要求的场合。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足及缺陷，本发明的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，同步精度和实时性高，通道建设成本和施工工作量低，具有良好的应用前景。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；

步骤(2)，确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；

步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，

(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；

(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息编码的信号连接采集控制装置；

(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；

(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；

步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：

(a)数据交换和通信管理装置的端口在T₁时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T₂时刻接收到该报文，并在T₃时刻发回测距应答报文，该报文在T₄时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间T_{pkt_correct}后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟T_{mu_delay}和时钟偏差T_{mu_offset}，

T_{mu_delay}＝{[(T₄-T_{pkt_correct})-T₁]-(T₂-T₃)}/2 (1)

T_{mu_offset}＝{(T₂-T₁)+[T₃-(T₄-T_{pkt_correct})]}/2 (2)

(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T₅时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T₆时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T₇时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟T_{dae_delay}为，

T_{dae_delay}＝(T₇-T₅)/2 (3)；

步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，

(a)第二层的数据交换和通信管理装置以T_s为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；

(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号，再将该信号超前移相T_s-T_{mu_delay}作为本地同步信号(以下简称MSYN)；超前移相T_s-2T_{mu_delay}后作为本地实时数据发送的触发信号(以下简称MU_TX_SYN)，其中T_{mu_delay}为数据合并和转发装置根路径延迟；

(c)第三层的数据合并和转发装置在本地同步信号MSYN的触发下向各下级的第四层的数据采集和控制终端发送间隔T_s的背景扫描控制报文，为第四层的数据采集和控制终端提供同步参考；

(d)第四层的数据采集和控制终端从第三层的数据合并和转发装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号(以下简称DSYN)，再将该信号超前移相T_s-T_{dae_delay}作为本地同步信号，T_{dae_delay}为第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟；

(e)第四层的数据采集和控制终端在恢复出的本地同步信号(DSYN)的触发下控制本地的模拟量或数字量的采集，完成系统级同步采样控制；

步骤(6)，本地同步信号建立以后，以采样周期T_s为节拍控制数据传输，每个节拍传送的数据的过程如下，

(a)第三层的数据合并和转发装置，将一个节拍划分前后两部分T_w和T_p，实时窗口T_w传递实时业务，数据窗口T_p传输普通业务，按照第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口划分传输域，每个下行端口对应一个独立传输域，按第二层的数据交换和通信管理装置的每个传输域挂接的第三层的数据合并和转发装置的数量，将实时窗口T_w划分成多个时隙，时隙的宽度T_slot，根据公式(4)得到，

T_slot＝pkt_size*8*T_B (4)

其中，pkt_size为每级的数据量，T_B为网络发送每个比特的时间；

(b)第三层的数据合并和转发装置在本地实时发送触发信号(MU_TX_SYN)的触发下产生传输节拍，将本地采集的实时数据进行合并后安排在对应的时隙中发送，在其他的时隙向上直通转发来自其他第三层的数据合并和转发装置的实时业务数据；

(c)第四层的数据采集和控制终端在外同步信号的触发下在一个节拍内续传两次上一间隔所采集到测量数据，以完成控制命令和同步信息传输。

前述的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征是：所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置及第四层的数据采集和控制终端之间采用有源中继和下行多路同步直通转发策略传送下行背景扫描控制报文，实现数据同步传输和同步采样并保证下行延时固定且总延时最小。

前述的一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：所述第三层的数据合并和转发装置对本地和来自下一级数据合并和转发装置的上行实时数据采用基于时隙的直通转发策略,对本地和来自下一级数据合并和转发装置的链路管理报文和普通网络数据采取存储转发策略。

前述的一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置的实时业务端口都采用基于带宽保留的硬件优先级网络数据转发机制，实现实时业务报文总的延时抖动最小。

前述的一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置之间通过采用硬件标记的包含原始时间、接收时间、发送时间字段的报文在级联的非实时信道中实现二层设备和三层设备间物理路径延迟测量，利用报文中累计的修正时间字段消除软件转发的驻留时间对测量值的影响。

前述的一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：中间级联的第三层的数据合并和转发装置接收到需要转发的测距报文时，首先读取由MAC硬件标记的接收时间T_rcv和报文中携带的修正时间字段T_{pkt_correct}，然后计算差值T_{bd_correct}＝T_rcv-T_{pkt_correct}，并将T_{bd_correct}写入MAC控制器的发送描述符，利用描述符指示MAC控制器当该报文被转发时读取当前时间T_current通过公式(5)计算新的修正时间T_{new_pkt_correct}并替换测距报文中的修正时间字段，

T_{new_pkt_correct}＝T_current-T_{bd_correct}＝(T_current-T_rcv)+T_{pkt_correct}(5)。

本发明的有益效果是：本发明的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，具有以下优点，

(1)利用一对数据链路实现数据传输和同步采样，每个采样周期内完成数据传输，传输时刻固定，传输时延固定；

(2)自动计算多个信道传输延迟并调整每个信道同步信号，保证多个节点之间精确同步，消除了系统各级因传输或晶体老化、频率漂移带来的同步抖动；

(3)采样数据续传两遍，提高信道纠错能力，又减少高层请求重发的开销；

(4)同步精度不受信道物理长度影响，也不受外界条件影响，可达到纳秒级；

(5)信道延时量算法和传输及差错控制规则简单有效，适合基于FPGA硬件设计实现，通过并行处理提高系统性能；

(6)在级联的网络链路上利用带宽保留的方法实现了实时多业务，保证信道占用最小的情况下实时业务延时要求同时在剩余带宽传递非实时业务；

(7)通过有源级联、实时业务直通转发和非实时业务存储转发的方法既延长了通信距离又保证多业务共网传输时实时业务的延时最小；

(8)采用包含原始时间、接收时间、发送时间、修正时间等字段报文，延迟测量算法不需要记忆原始的发送时间，而修正时间字段的引入则消除了软件转发的驻留时间对测量值的影响。

(9)采用的级联式拓扑结构有效简化通道建设成本和施工工作量。

附图说明

图1是本发明的级联式多节点同步采样系统实现流程图。

图2是本发明的级联式多节点同步采样控制系统结构图。

图3是本发明的信道共享方式及冲突域示意图。

图4是本发明的DCE-SWITCH和DCE-MU链路测距时序图。

图5是本发明的DCE-MU和DAE间编码传送及同步恢复时序图。

图6是本发明的硬件优先级MAC控制器状态变迁图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，如图1及图2所示，具体包括以下步骤：

步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备(以下简称DPE)和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置(以下简称DCE-SWITCH)、位于系统第三层的数据合并和转发装置(以下简称DCE-MU)，位于系统第四层的是数据采集和控制终端(以下简称DAE)；

步骤(2)，确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；

步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，

(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置(DCE-SWITCH)，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；

(b)构建第三层的数据合并和转发装置(DCE-MU)，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息编码的信号连接采集控制装置；

(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端(DAE)，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；

(d)如图3所示，以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；

步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：

(a)如图4所示，数据交换和通信管理装置的端口在T₁时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T₂时刻接收到该报文，并在T₃时刻发回测距应答报文，该报文在T₄时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间T_{pkt_correct}后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟T_{mu_delay}和时钟偏差T_{mu_offset}，

T_{mu_delay}＝{[(T₄-T_{pkt_correct})-T₁]-(T₂-T₃)}/2 (1)

T_{mu_offset}＝{(T₂-T₁)+[T₃-(T₄-T_{pkt_correct})]}/2 (2)

(b)如图5所示，第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T₅时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T₆时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T₇时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟T_{dae_delay}为，

T_{dae_delay}＝(T₇-T₅)/2 (3)

步骤(5)，根据步骤4测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，

(a)第二层的数据交换和通信管理装置以T_s为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；

(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号，再将该信号超前移相T_s-T_{mu_delay}作为本地同步信号(以下简称MSYN)；超前移相T_s-2T_{mu_delay}后作为本地实时数据发送的触发信号(以下简称MU_TX_SYN)，其中T_{mu_delay}为数据合并和转发装置根路径延迟；

(c)第三层的数据合并和转发装置在本地同步信号(MSYN)的触发下向各下级的第四层的数据采集和控制终端发送间隔T_s的背景扫描控制报文，为第四层的数据采集和控制终端提供同步参考；

(d)第四层的数据采集和控制终端从第三层的数据合并和转发装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号，再将该信号超前移相T_s-T_{dae_delay}作为本地同步信号(以下简称DSYN)，T_{dae_delay}为第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟；

(e)第四层的数据采集和控制终端在恢复出的本地同步信号(DSYN)的触发下控制本地的模拟量或数字量的采集，完成系统级同步采样控制；

步骤(6)，本地同步信号建立以后，以采样周期T_s为节拍控制数据传输，每个节拍传送的数据的过程如下，

(a)第三层的数据合并和转发装置，将一个节拍划分前后两部分T_w和T_p，实时窗口T_w传递实时业务，数据窗口T_p传输普通业务，按照第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口划分传输域，每个下行端口对应一个独立传输域，按第二层的数据交换和通信管理装置的每个传输域挂接的第三层的数据合并和转发装置的数量，将实时窗口T_w划分成多个时隙，时隙的宽度T_slot，根据公式(4)得到，

T_slot＝pkt_size*8*T_B (4)

其中，pkt_size为每级的数据量，T_B为网络发送每个比特的时间；

(b)第三层的数据合并和转发装置在本地实时发送触发信号的触发下产生传输节拍，将本地采集的实时数据进行合并后安排在对应的时隙中发送，在其他的时隙向上直通转发来自其他第三层的数据合并和转发装置的实时业务数据；

(c)第四层的数据采集和控制终端在外同步信号的触发下在一个节拍内续传两次上一间隔所采集到测量数据，以完成控制命令和同步信息传输。

所述的多节点同步采样及传输系统的信道如图3所示划分冲突域，其中DCE-SWTICH的一个下行端口及其下级联的DCE-MU为一个冲突域，一个冲突域中上行信道为共享信道，下行信道为广播信道。其传输规则为：当DCE-SWTICH通过某个下行端口发布数据时，其下级联的DCE-MU采用硬件直通转发的策略向各个级联端口同步转发数据；当MU从各下行端口收集到的上行实时业务采用分时的方式直通转发，即在DCE-SWITCH的一个冲突域中由管理员为每一个DCE-MU的级联端口依所需带宽分配一个时隙，该端口的数据只有在该时隙才被允许发送；而所有MU级联的普通业务数据采用存储转发的方式由DCE-MU上的CPU先行接收缓冲，排队至上行非实时数据窗口时传输。

所述第二层的数据交换和通信管理装置(DCE-SWITCH)和特定的三层的数据合并和转发装置(DCE-MU)之间的延迟测量采用端到端的测量方法，在测量路径之间的DCE-MU节点则通过硬件标记时间戳并测量本地驻留时间，然后累计到DCE-MU的上行报文的修正时间字段中。其中DCE-SWITCH的下行延迟测量报文中包含有硬件标记的发送时间，而DCE-MU上行的延迟响应报文中包含有DCE-SWITCH下行原始发送时间和硬件标记本地接收时间、本地发送时间、修正时间等字段，中间节点修正时间字段的引入将有效消除软件处理抖动和转发抖动对测量精度的影响。

所述中间级联的第三层的数据合并和转发装置(DCE-MU)接收到需要转发的测距报文时，首先读取由MAC硬件标记的接收时间T_rcv和报文中携带的修正时间字段T_{pkt_correct}，然后计算差值T_{bd_correct}＝T_rcv-T_{pkt_correct}，并将T_{bd_correct}写入MAC控制器的发送描述符，利用描述符指示MAC控制器当该报文被转发时读取当前时间T_current通过公式(5)，计算新的修正时间T_{new_pkt_correct}并替换测距报文中的修正时间字段，

T_{new_pkt_correct}＝T_current-T_{bd_correct}＝(T_current-T_rcv)+T_{pkt_correct}(5)

如此修正补偿测距报文的本地驻留时间对路径测量的影响。

所述第二层的数据交换和通信管理装置(DCE-SWITCH)按采样间隔T_s为节拍，并将一个节拍划分为实时数据窗口T_w和普通业务数据窗口T_p，并将下行的背景扫描控制安排在每个节拍的T_w窗口，而普通网络数据包括链路延迟测量管理报文则安排在T_p窗口排队传输，且下行报文采用直通转发的策略，保证控制命令下行延时固定且总延时最小。

所述第三层的数据合并和转发装置(DCE-MU)对本地和来自下一级数据合并和转发装置的上行实时数据采用基于时隙的直通转发策略,对本地和来自下一级数据合并和转发装置的链路管理报文和普通网络数据采取存储转发策略，既保证实时业务数据的转发延时确定性也最大限度减小了全链路传输总延时；

所述第二层的数据交换和通信管理装置(DCE-SWITCH)、第三层的数据合并和转发装置(DCE-MU)的实时业务端口都采用基于带宽保留的硬件优先级网络数据转发机制，实现实时业务报文总的延时抖动最小。

所述数据交换和通信管理装置(DCE-SWITCH)，位于系统中第二层，它向上为数据处理设备提供收集到的过程量，同时分解来自上层设备的控制命令向下转发，该装置本地生成全局同步信号GSYN，周期为系统采样间隔T_s,在外同步信号稳定可靠时也可以同步到外部参考，在同步信号GSYN的触发下，DCE-SWITCH为各个下行端口生成周期性地背景扫描报文，并在扫描报文中封装来自上层的控制命令，通过支持硬件优先级的MAC的实时控制端口发往下级级联的DCE-MU；同时DCE-SWITCH周期性地产生注册许可报文，并接收来自下级级联的MU的注册请求报文，并根据报文中携带的时间戳完成延迟测量，而来自DCE-SWITCH的IP业务端口的普通网络数据注册许可报文则通过MAC的非实时端口发送到下级级联的DCE-MU；

此外，DCE-SWITCH将接收来自下级DCE-MU的数据报文，将实时数据按端口和DCE-MU逻辑地址分类存放在内部的高速缓冲中，再经过数据分配器接受上层数据处理设备(DPE)的订阅，来自下级DCE-MU的非实时数据报文将在DCE-SWTICH的IP业务端口排队并择机发送。

所述数据合并和转发设备(DCE-MU)，数据合并和转发设备通过响应DCE-SWITCH的周期性注册许可报文,并在注册请求报文中携带本地定时信息来配合DCE-SWITCH完成链路延迟测量。在获得链路延迟后,从DCE-SWITCH下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号MU_XSYN，再通过移相获得本地同步信号MSYN及实时数据发送的触发信号MU_TX_SYN；DCE-MU在信号MSYN的触发下向各下级DAE发送周期为T_s的背景扫描控制报文，为DAE提供同步参考，同时在信号MU_TX_SYN的触发下启动传输节拍和实时数据的各个时隙，DCE-MU还负责本地挂接的DAE的数据合并和向上转发数据，同时负责直通转发其下级级联的MU的实时业务数据并存储转发本地IP业务数据。

所述第四层的数据采集和控制终端(DAE)，数据采集和控制终端主要负责采集系统所需要的过程量并执行来自高层的控制或调节命令。DCE-MU根据系统配置把来自数据处理终端DPE的下行控制命令按DAE进行分解,同时将控制命令与同步信息进行编码后在本地同步信号MSYN触发下向下级DAE连续传送两次，以增强下行数据抗干扰能力。DAE从DCE_MU下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环恢复出周期为T_s的本地同步参考信号DSYN，在本地同步信号的触发下完成过程量采集，同时将本地采集到数据进行编码并在DSYN信号的触发下连续向上级DCE-MU传送两次以增强上行数据的抗干扰能力。

所述第二层DCE-SWITCH和三层的DCE-MU均采用基于硬件优先级MAC，MAC由图6所示的状态机控制实时优先级数据(以下简称LV1数据)和普通优先级数据(以下简称LV0数据)报文传送过程，其中MAC保证在系统同步脉冲(SYN)触发下启动优先级数据发送，如果触发到达时没有实时数据需要发送，则转为检查普通优先级(LV0)的描述符队列。在每次发送LV0数据之前检查发送窗口，如果没有足够的窗口则暂停发送，确保普通优先级分组在实时优先级分组的发送间隙发送且不影响实时优先级报文的发送。所述MAC的发送状态转换图如附图6所示，各状态转换条件分述如下：

IDLE状态:空闲状态，MAC等待发送的状态，在外部LV1触发信号(SYN)或内部输出比较定时器触发下转入SendCheckLV1状态检查LV1的数据包；

SendCheckLV1状态:LV1数据包检查状态，检查LV1发送描述符队列，若有待发送的分组则转PreSendLV1状态准备发送数据，否则转SendCheckLV0状态检查LV0数据描述符队列；

SendCheckLV0状态:LV0数据包检查状态，检查LV0描述符队列，若发送窗口小于最短帧发送时间(T_w＜T_wmin)或不足以发送当前帧(T_w＜T_p)则转IDLE状态，否则转PreSendLV0状态准备发送LV0数据；

PreSendLV1状态:LV1数据准备状态，根据LV1描述符配置发送逻辑后转SendWait状态；

PreSendLV0状态:LV0数据准备状态，根据LV0描述符配置发送逻辑后转SendWait状态；

SendWait状态:发送等待状态，在该状态检查PHY的状态，若没有冲突或出错则转发送状态，否则等待。超时以后置出错标记并返回IDLE状态。

Send状态:发送状态，从描述符指定的数据缓冲区中读取数据，并在发送时钟TXCLK驱动下发送当前数据，发送完毕后转SendCheckLV0继续检查LV0描述符队列。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；

步骤(2)，确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；

步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，

(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；

(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息的编码信号连接采集控制装置；

(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；

(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；

步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：

(a)数据交换和通信管理装置的端口在T₁时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T₂时刻接收到该报文，并在T₃时刻发回测距应答报文，该报文在T₄时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间T_{pkt_correct}后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟T_{mu_delay}和时钟偏差T_{mu_offset}，

T_{mu_delay}＝{[(T₄-T_{pkt_correct})-T₁]-(T₂-T₃)}/2 (1)

T_{mu_offset}＝{(T₂-T₁)+[T₃-(T₄-T_{pkt_correct})]}/2 (2)

(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T₅时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T₆时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T₇时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的数据采集和控制终端的链路延迟T_{dae_delay}为，

T_{dae_delay}＝(T₇-T₅)/2 (3)；

步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，

(a)第二层的数据交换和通信管理装置以T_s为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；

(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号，再将该信号超前移相T_s-T_{mu_delay}作为本地同步信号MSYN；超前移相T_s-2T_{mu_delay}后作为本地实时数据发送的触发信号MU_TX_SYN，其中T_{mu_delay}为数据合并和转发装置根路径延迟；

(c)第三层的数据合并和转发装置在本地同步信号MSYN的触发下向各下级的第四层的数据采集和控制终端发送间隔T_s的背景扫描控制报文，为第四层的数据采集和控制终端提供同步参考；

(d)第四层的数据采集和控制终端从第三层的数据合并和转发装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号(以下简称DSYN)，再将该信号超前移相T_s-T_{dae_delay}作为本地同步信号，T_{dae_delay为第}三层的数据合并和转发装置与四层的数据采集和控制终端的链路延迟；

(e)第四层的数据采集和控制终端在恢复出的本地同步信号(DSYN)的触发下控制本地的模拟量或数字量的采集，完成系统级同步采样控制；

步骤(6)，本地同步信号建立以后，以采样周期T_s为节拍控制数据传输，每个节拍传送的数据的过程如下，

(a)第三层的数据合并和转发装置，将一个节拍划分前后两部分T_w和T_p，实时窗口T_w传递实时业务，数据窗口T_p传输普通业务，按照第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口划分传输域，每个下行端口对应一个独立传输域，按第二层的数据交换和通信管理装置的每个传输域挂接的第三层的数据合并和转发装置的数量，将实时窗口T_w划分成多个时隙，时隙的宽度T_slot，根据公式(4)得到，

T_slot＝pkt_size*8*T_B (4)

其中，pkt_size为每级的数据量，T_B为网络发送每个比特的时间；

(b)第三层的数据合并和转发装置在本地实时发送触发信号MU_TX_SYN的触发下产生传输节拍，将本地采集的实时数据进行合并后安排在对应的时隙中发送，在其他的时隙向上直通转发来自其他第三层的数据合并和转发装置的实时业务数据；

(c)第四层的数据采集和控制终端在外同步信号的触发下在一个节拍内续传两次上一间隔所采集到测量数据，以完成控制命令和同步信息传输；

其中，中间级联的第三层的数据合并和转发装置接收到需要转发的测距报文时，首先读取由MAC硬件标记的接收时间T_rcv和报文中携带的修正时间字段T_{pkt_correct}，然后计算差值T_{bd_correct}＝T_rcv-T_{pkt_correct}，并将T_{bd_correct}写入MAC控制器的发送描述符，利用描述符指示MAC控制器当该报文被转发时读取当前时间T_current通过公式(5)计算新的修正时间T_{new_pkt_correct}并替换测距报文中的修正时间字段，

T_{new_pkt_correct}＝T_current-T_{bd_correct}＝(T_current-T_rcv)+T_{pkt_correct} (5)，

所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置及第四层的数据采集和控制终端之间采用有源中继和下行多路同步直通转发策略传送下行背景扫描控制报文，实现数据同步传输和同步采样并保证下行延时固定且总延时最小；

所述第三层的数据合并和转发装置对本地和来自下一级数据合并和转发装置的上行实时数据采用基于时隙的直通转发策略,对本地和来自下一级数据合并和转发装置的链路管理报文和普通网络数据采取存储转发策略；

所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置的实时业务端口都采用基于带宽保留的硬件优先级网络数据转发机制，实现实时业务报文总的延时抖动最小；

所述第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置之间通过采用硬件标记的包含原始时间、接收时间、发送时间字段的报文在级联的非实时信道中实现二层设备和三层设备间物理路径延迟测量，利用报文中累计的修正时间字段消除软件转发的驻留时间对测量值的影响。