CN104506298B - 一种工业网络检测系统时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业网络检测系统时间同步方法，该方法中：任意指定工业网络检测系统中的测量节点Rn为主节点，与其相邻的测量节点首先向主节点发起时钟同步请求，测量节点记下发起时间t1，主节点接收到时钟请求后，将自身时钟值T返回给测量节点，测量节点接收到返回值T并记下接收时间t2，利用公式T+(t2–t1)/2，将自身计数器值更新，实现相邻测量节点与主节点之间的时间同步，其余测量节点依次实现与主节点之间的时钟同步。根据需要主节点以外的测量节点每隔一时间向主节点发起时钟请求，提高长时间测量时各测量节点之间的时钟同步要求。本发明能实现Rn以外的所有测量节点的时间与Rn一致，同步时间精度可达ns级。

Description

一种工业网络检测系统时间同步方法

技术领域

本发明涉及工业网络监测系统技术领域，具体地，涉及一种能够应用于工业网络检测系统多节点的启动与停止方法。

背景技术

工业网络检测系统面临的环境非常复杂，例如用于大型桥梁、港机、轮船等系统的检测系统，需要分布式安装多种传感器在被测结构上，由于被检测对象的结构尺寸太大，导致各个测量点之间的距离太大，而各个测量节点之间检测过程需要严格的时间同步，才能检测得到同一时刻下结构的测量信息，由于结构尺寸太大导致测量时间的同步信号从一个测量节点发送到其它节点之间存在时间延迟，启动测量信号延迟带来各个测量节点开始测量的信息时间不同步，时间不同步的测量信息无法分析大型结构的振动形态、应力传递等关键信息，因此需要一种能够实现远距离多节点时间同步的方法。工程技术上常用的解决方法是利用GPS时间来进行时间同步，但利用GPS进行各节点时间同步灵活性差，需要进行二次开发，在GPS无法覆盖的室内及封闭空间，GPS无法实现时间同步。

经对现有技术检索发现以下相关技术文献：

公开号为CN104199280A的发明专利“一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法”提供了一种基于差分GPS的时间同步误差测量方法，具体定义为：定义各个移动节点，并测量移动节点之间的通道延时补偿值；计算出各个移动节点的差分GPS坐标值；依据传输时间计算三维坐标伪距；根据所述两个伪距救出移动节点A和B之间的时间同步误差，但这种方法依赖于GPS信号，在GPS信号没有覆盖范围，这种方法不起作用。

申请号为CN201410462726的发明专利“基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法”公开了一种基于双层控制信道机制的认知无线电网络时钟同步方法，包括第一步基于低层控制信道的邻居/层次发现和时钟同步初始化；第二步，基于低层控制信道的时钟粗同步；第三基于高层控制信道的时钟精同步。但这种同步方法在工业现场检测领域实用性差。

终止所述，现有的多节点时间同步方法存在缺陷，无法保证多节点时间同步的需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种工业网络检测系统时间同步方法，该方法易于操作实施、时间同步精度高，该方法能够使多节点的启动时间精度达到微秒级别，提高了工业网络检测系统多节点的检测精度。

为实现以上目的，本发明提供一种工业网络检测系统时间同步方法，其中：任意指定工业网络检测系统中的测量节点Rn为主节点，其余测量节点的时钟均将主节点计数器的同步到自身的计数器，保证与主节点Rn的计数器相同；实现同步的方法如下：

与Rn相邻的Rn+1和Rn-1测量节点首先向主节点Rn发起时钟同步请求，在测量节点Rn+1和Rn-1上分别记下发起时钟同步请求的本地时间t_n+1和t_n-1，测量节点Rn+1和Rn-1的时间请求通过差分线传送至主节点Rn，Rn收到时间请求后，将自身时间T返回给测量节点Rn+1和Rn-1，测量节点Rn+1和Rn-1接收主节点Rn返回的计数器值T，分别记录下收到的时间t_n+1’和t_n-1’，其中：

测量节点Rn+1按如下公式更新本地时间：

T+(t_n+1’-t_n+1)/2

测量节点Rn按如下公式更新本地时间：

T+(t_n-1’-t_n-1)/2

至此与主节点Rn相邻的测量节点Rn+1和Rn-1完成与主节点Rn之间的时间同步；

与Rn+1和Rn-1相邻的测量节点按相同的方法实现时间同步，最后所有测量节点时间均同步到主节点Rn的时钟上，实现了工业网络检测系统中多测量节点之间的时钟同步。

优选地，所述测量节点数目至少两个节点以上；所有所述测量节点以串联方式进行联接，以适应大尺寸结构测量距离大的需求。

优选地，相邻两个所述测量节点之间利用四根电缆线连接，四根电缆线组成两对差分联接，实现相邻两个所述测量节点之间有两对差分电缆线联接，电缆线长度可达500米。或者相邻两个所述测量节点之间还可以利用光纤连接，如果利用光纤连接则两测量节点之间的距离可更远。

优选地，在每个测量节点上均设置有可编程逻辑控制器FPGA和100MHz高精度晶振，利用所述可编程逻辑控制器FPGA对晶振时钟数倍频后成为FPGA的工作频率。

更优选地，在所述可编程逻辑控制器FPGA上设置64bits计数器，测量节点上电后，计数器自零开始累加，时钟每上升沿跳变一次，计数器增加1，计数器值可修改。

优选地，根据需要可以在每个所述测量节点设定每隔0.1s向主节点进行一次时间同步请求，以满足长时间测量时各测量节点之间的时间同步要求，进一步提高各节点之间的时间同步精度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明两个以上测量节点通过两对差分电缆线串型连接，两测量节点之间距离可达1000米，适应大型结构检测需要，两个以上测量节点串型连接组成工业检测网络；如使用光纤，则距离可更远。利用本发明的时间同步方法，可以实现Rn以外的所有测量节点的时间与Rn一致，同步时间精度可达ns级。

本发明实现多节点时间同步所需硬件设备少，同步精度高，灵活性强，适用性强，可重复配置，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的工业网络检测系统的多节点测量系统的联接图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明包括两个以上测量节点，相邻两测量节点之间的距离可达1000米，以适应大型结构检测需要，所有测量节点以两对差分电缆线串型连接，组成工业检测网络。每个测量节点上设计有可编程逻辑控制器和100MHz高精度时钟振荡器，可编辑逻辑控制器能够将100MHz时钟进行2倍频、3倍频、4倍频或5倍频，倍频后的频率作为其工作频率。任意指定一测量节点为主节点，与主节点相邻的测量节点首先向主节点发起时钟同步请求，测量节点记下发起时间t1，主节点接收到时钟请求后，将自身时钟值T返回给测量节点，测量节点接收到返回值T并记下接收时间t2，利用公式T+(t2–t1)/2，将自身计数器值更新，实现相邻测量节点与主节点之间的时间同步，按相同的方法，其余测量节点可依次实现与主节点之间的时钟同步。

如图1所示，为本发明工业网络检测系统时间同步方法一实施例示意图，包括测量节点R1，…，Rn-1，Rn，Rn+1，…，Rp，测量节点数目至少为2方可组成一个测量网络。相邻两测量节点之间利用四根电缆线连接，四根电缆线组成两对差分线，即相邻两测量节点之间用两对差分线连接，相邻两测量节点之间的距离可达1000米，每个测量节点上设计有可编程逻辑控制器FPGA和100MHz高精度时钟晶振，利用FPGA对100MHz的时钟数倍频后成为FPGA的工作频率，如5倍频后FPGA工作频率为500MHz。每个测量节点上设计有长度为64bits的计数器；上电后，计算器自零开始累加，时钟每上升沿跳变一次，计数器增加1，计数器值可修改；任意指定测量节点Rn为主节点，其余测量节点的时钟均需要将主节点计数器的同步到自身的计数器，保证与主测量节点Rn的计数器相同。

具体方法：

与Rn相邻的测量节点Rn+1和Rn-1首先向主节点Rn发起时间同步请求，在测量节点Rn+1和Rn-1上分别记下本地时钟计数器值t_n+1和t_n-1，测量节点Rn+1和Rn-1的时间请求通过差分线传送至主节点Rn，Rn收到时间请求后，将自身计数器值T返回给测量节点Rn+1和Rn-1，测量节点Rn+1和Rn-1接收主节点返回的计数器值T，并记下收到计数器值T的时间t_n+1’和t_n-1’，测量节点Rn+1按如下公式计算：

T+(t_n+1’-t_n+1)/2，

将计算后的值更新至本地64bits的计数器值内，测量节点Rn-1按如下公式计算：

T+(t_n-1’-t_n-1)/2，

将计算后的值更新至本地64bits的计数器值内，到此与主节点Rn相邻的测量节点Rn+1和Rn-1实现与主节点Rn的时间同步。

与Rn+1和Rn-1相邻的其余测量节点以相同的方法与Rn+1和Rn-1进行时间同步，最后可实现所有测量节点的64bits计数器值与主节点的64bits计数器值完全相同，实现了多节点的时间同步要求。其他实施例中也可以采用其他类型的计数器，并不限于64bits计数器。

同步完成之后，各个测量节点以相同的工作频率运行，64bits时钟计数器保持一致，具有很高的同步精度；同时，根据需要可以在每个测量节点设定每隔0.1s向主节点进行一次时间同步请求，进一步提高各节点之间的时间同步精度。当然其他实施例中也可以设定其他间隔时间向主节点进行一次时间同步请求，该间隔时间可以根据需要设定。

本发明实现多节点时间同步所需硬件设备少，同步精度高，灵活性强，适用性强，可重复配置，具有非常广泛的应用前景。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，任意指定工业网络检测系统中的测量节点Rn为主节点，其余测量节点的时钟均将主节点计数器的同步到自身的计数器，保证与主节点Rn的计数器相同；同步方法如下：

与Rn相邻的Rn+1和Rn-1测量节点首先向主节点Rn发起时钟同步请求，在测量节点Rn+1和Rn-1上分别记下发起时钟同步请求的本地时间t_n+1和t_n-1，测量节点Rn+1和Rn-1的时间请求通过差分线传送至主节点Rn，Rn收到时间请求后，将自身时间T返回给测量节点Rn+1和Rn-1，测量节点Rn+1和Rn-1接收主节点Rn返回的计数器值T，分别记录下收到的时间t_n+1’和t_n-1’，其中：

测量节点Rn+1按如下公式更新本地时间：

T+(t_n+1’-t_n+1)/2

测量节点Rn按如下公式更新本地时间：

T+(t_n-1’-t_n-1)/2

至此与主节点Rn相邻的测量节点Rn+1和Rn-1完成与主节点Rn之间的时间同步；

与Rn+1和Rn-1相邻的测量节点按相同的方法实现时间同步，最后所有测量节点时间均同步到主节点Rn的时钟上，实现了工业网络检测系统中多测量节点之间的时钟同步。

2.根据权利要求1所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，所有测量节点以串联方式进行联接，以适应大尺寸结构测量距离大的需求。

3.根据权利要求2所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，相邻两个所述测量节点之间利用四根电缆线连接，四根电缆线组成两对差分联接，实现相邻两个所述测量节点之间由两对差分电缆线联接。

4.根据权利要求2所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，相邻两个所述测量节点之间利用光纤连接。

5.根据权利要求1所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，在每个测量节点上均设置有可编程逻辑控制器FPGA和100MHz高精度晶振，利用所述可编程逻辑控制器FPGA对晶振时钟数倍频后成为FPGA的工作频率。

6.根据权利要求5所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，在所述可编程逻辑控制器FPGA上设置64bits计数器，测量节点上电后，计数器自零开始累加，时钟每上升沿跳变一次，计数器增加1，计数器值可修改。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种工业网络检测系统时间同步方法，其特征在于，根据需要可以在每个所述测量节点设定每隔0.1s向主节点进行一次时间同步请求，以满足长时间测量时各测量节点之间的时间同步要求，进一步提高各节点之间的时间同步精度。