CN106254198B - 基于时间触发的分布式系统级任务同步方法 - Google Patents

基于时间触发的分布式系统级任务同步方法 Download PDF

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基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，首先建立基于时间触发信息网络的系统架构模型，并将需要进行任务同步的设备节点都连接在该数据网络上；之后根据周期性系统级同步任务执行的周期对所有设备节点进行周期性任务同步。同步的方法主要依靠设备节点和数据交换机之间的协议消息转发关系和传输时间测量能力，数据交换机通过对系统中每个设备节点发送同步消息进行时间统计，并根据中位数算法得到所有同步消息的中位到达时间，之后通过在中位时间的基础上发送回应消息，各设备节点通过接收回应消息的实际时间和预期时间进行做差，得到的时间差即是设备节点本地时钟需要修正的时间量。在经过修正的新时钟基础上，设备节点将开始当前周期的系统级同步任务执行操作。

Description

基于时间触发的分布式系统级任务同步方法
技术领域
本发明涉及一种基于时间触发的系统级任务同步方法，属于航天器或工业控制中分布式系统任务强实时同步领域。
背景技术
根据国家探月工程三期的总体规划，我国要自主研发可以完成绕、落、回的探月飞行器嫦娥五号。在完成探月任务的过程中，由于嫦娥五号飞行器由多个完成不同功能的子飞行器构成，相互之间存在较强的数据交互、时统和任务并行执行需求。
传统的航天器系统内的数据交换大多通过点对点串行通道或1553B总线完成，系统中的各个设备节点之间大多不存在任务通过关系，若需要对系统任务进行同步，则大多通过从核心控制器发送硬件同步脉冲信号的方式将所有设备进行时统。这种传统的系统任务调度模式通常被称为集中式任务同步调度，但随着航天器功能越来越复杂，有交互的设备节点数量越来越多，传统的集中式任务调度存在的系统资源开销大、容错能力低、可靠性低的特点就越来越多的体现出来。综合考虑，应解决以下问题：
1.有限数据网络/总线资源下，大系统多节点任务同步需求；
2.系统中任意节点故障，不影响系统任务同步状态；
3.系统应支持任意时刻加入或退出节点的状态。
因此，基于分布式的时间触发系统任务同步和调度机制被提出，用来解决基于有限资源和高可靠性要求的关键安全系统。
发明内容
本发明的解决的技术问题是：克服现有技术不足，在大型分布式系统中保证系统级任务同步性，传统的基于时间同步的系统级任务调度大多依赖于硬件同步信号，而硬件同步信号大多是由系统中的核心设备通过集中发送方法传送给各个设备节点，这样做既增加了系统的重量和功耗(需要额外的电缆和发射器)，而且系统中的核心设备如果损坏则全系统陷入无法同步的故障状态，其系统级可靠度较低。使用本发明可以将系统所有节点通过通用数据总线连接，并在数据总线上通过安装软件算法达到系统级任务同步功能，且该同步功能不依赖于任何一个单独的节点，只要系统中任然存在3个以上的节点，就可以正常完成同步任务并保证系统继续工作。
本发明的解决的技术方案是：基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，步骤如下：
(1)对系统中的设备正常上电，并完成设备上电初始化过程，设备进入正常运行模式；
(2)系统中每个设备都周期性使用本机的本地时钟作为触发分布式系统级任务的唯一标志，
(3)在系统中设定的时间点T0，每个设备都向数据交换机发送任务同步消息式中n代表系统中的设备号或代码或标称值，n为1～N或Ex或Default，Ex为交换机的代码，即Ex表示交换机，Default代表标称值，每个设备发送任务同步消息的时刻为本设备本地时钟此时的真实时间为即每个设备发送任务同步消息的真实时间为
(4)当所有设备都按照本机本地时钟发送同步消息后，每条消息将经过不同的路径和时间到达数据交换机，设每条消息到达数据交换机的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(5)在系统中预设有任务同步消息到达数据交换机的标称增量时间则任务同步消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达数据交换机，最终到达时间为且
(6)数据交换机不记录真实时间只记录每个同步消息到达数据交换机的相对时间，即最终到达时间当所有同步消息到达数据交换机后，计算出所有同步消息到达数据交换机的最终到达时间的中位时间
(7)数据交换机在中位时间的基础上，等待系统预设的标称等待时间后到达系统真实时间并在系统真实时间将同步回应消息发送给所有系统中的设备节点，其中
(8)当数据交换机发送所有回应消息给系统各个设备节点后，每条回应消息将经过不同的路径和时间到达各个设备节点，设每条回应消息到达对应的设备节点的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条回应消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(9)在系统中预设有任务回应消息到达各设备节点的标称增量时间则任务回应消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达各设备节点，最终到达时间为且
(10)系统中每个设备节点在发送同步消息时，都会设定一个预期接收到同步回应消息的时间其中
(11)计算系统中各设备节点实际收到同步回应消息的时间与预期时间做差，得到的结果就是该设备节点的本地时钟的修正增量即
(12)修正本地时钟，使得本地新时钟修正为并在之后的系统级任务调度时使用经过修正的新时钟触发分布式系统级任务。
所述分布式系统级任务为均周期性运行的任务，如设备的周期性采样任务或周期性导航制导控制任务，均周期性运行。
所述T0为任务运行周期的起始时间。
计算所有同步消息到达数据交换机的最终到达时间的中位时间方法如下：当同步消息条数为奇数时，为所有同步消息到达数据交换机的时间的最中间时间。
当同步消息条数为偶数时，为所有同步消息到达数据交换机的时间的最中间2个时间的平均值。
所述步骤(12)后，利用修正本地时钟，在本次分布式系统级任务之后的分布式系统级任务调度时使用步骤(12)经过修正的新时钟触发分布式系统级任务。
本发明相对于现有技术的优点在于：
(1)本发明架构上使用基于分布式的信息传递方法，系统工作状态不依赖与任何一个单独的节点的成败，使得系统工作的可靠性大幅提升；
(2)本发明物理上同步方法使用数据传输通道，不增加系统额外的电缆和芯片的重量功耗开销，降低了系统的资源使用量；
(3)本发明扩展性上，即支持传统的数据总线型系统，也支持基于如以太网的数据网络型系统。
附图说明
图1为本发明的系统级任务同步工作流程；
图2为本发明的设备上电初始化工作流程；
图3为本发明的系统连接拓扑图-数据网络形式；
图4为本发明的系统连接拓扑图-数据总线形式。
具体实施方式
本发明的基本思路为：基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，首先建立基于时间触发信息网络的系统架构模型，并将需要进行任务同步的设备节点都连接在该数据网络上；之后根据周期性系统级同步任务执行的周期对所有设备节点进行周期性任务同步。同步的方法主要依靠设备节点和数据交换机之间的协议消息转发关系和传输时间测量能力，数据交换机通过对系统中每个设备节点发送同步消息进行时间统计，并根据中位数算法得到所有同步消息的中位到达时间，之后通过在中位时间的基础上发送回应消息，各设备节点通过接收回应消息的实际时间和预期时间进行做差，得到的时间差即是设备节点本地时钟需要修正的时间量。在经过修正的新时钟基础上，设备节点将开始当前周期的系统级同步任务执行操作。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
首先，在系统(如航天器的控制分系统或航电分系统)建立时，选择如图3或图4所示的信息拓扑结构，如图所示，在系统中存在2种类型的节点，分别是“设备”节点和“网络交换机(也称为同步交换机)”节点。其中“设备”节点是系统中工作的各种设备，如控制计算机、测量敏感器计算线路、执行机构控制终端和各种信号接口控制器；“网络交换机(同步交换机)”节点，在网络拓扑结构状态下(如以太网结构)，是网络数据交换机，且该网络交换机应安装本发明的软件控制算法，以获得系统级任务同步功能；如果是总线结构(如1553B总线结构)则应新增网络交换机节点，并使该节点专门用于系统级任务同步任务。
在完成系统构建后，进行系统工作时序设计。系统中所有节点都按照统一的任务周期执行自身任务，因此系统中的任务同步需求可以转化为对系统中所有节点任务的周期和相位同步需求。
在完成系统中所有节点的任务时序设计后，将系统内所有设备节点上电。系统并没有上电时序要求，但在上电时，设备应遵循如图2所示的上电工作流程，以保证系统内首个上电节点能够启动系统任务时序，后上电的节点可以加入并跟随该任务时序。设备上电初始化过程主要包含以下几个步骤：
(1)状态机S0，上电后或故障/冲突复位后进入，等待硬件完成上电自检和软件加载工作，完成后自动转入S1；
(2)状态机S1，由S0状态进入，启动任务同步初始化流程，检测系统中是否有已经正常运行的设备节点或设备节点组合，如果有已经启动正常运行的节点，则转入S3，如果没有，则转入S2；
(3)状态机S2，由S1在没发现系统节点时进入，进入冷启动模式，并向系统中发送冷启动数据帧，等待系统回应；若此时存在其它发送冷启动帧已经正常运行的节点，则进入S0模式重新初始化，若没有其它节点冲突，则以自身时钟为准，进入S4正常运行状态；
(4)状态机S3，由S1在发现系统中有其它已正常运行节点时进入，此时观察系统中的其它节点运行状态，并主动与其进行同步，完成同步后进入S4正常运行状态；
(5)状态机S4，由S1或S2状态在完成同步后进入，系统周期性任务同步运行状态；若此时发生同步丢失情况，则进入容错模式并退回S0，重新进行系统任务同步过程。
当系统完成上电后，所有节点都按照预先设定好的任务时序进行工作，并在每个任务周期的起始进行任务同步，任务同步的过程参照图1所示，具体按以下流程进行：
(1)系统中所有设备都已完成上电和初始化过程；例如，当前系统中有5个设备节点和1个数据交换机，5个节点分别是GNC控制器1个、太阳敏感器2个和星敏感器2个；
(2)系统中每个设备都周期性使用本机的本地时钟作为触发分布式系统级任务的唯一标志；以GNC控制器为例，若系统级同步任务周期为200ms，则GNC控制器会在本地时钟到达200ms、400ms、600ms……时启动任务；
(3)在系统中设定的时间点T0，每个设备都向数据交换机发送任务同步消息式中n代表系统中的设备号或代码或标称值，n为1ˉN或Ex或Default，Ex为交换机的代码，即Ex表示交换机，Default代表标称值，每个设备发送任务同步消息的时刻为本设备本地时钟此时的真实时间为即每个设备发送任务同步消息的真实时间为以GNC控制器为例，设定T0为每次同步任务启动前的10ms，则同步任务会在本地时钟的190ms、390ms、590ms启动；
(4)当所有设备都按照本机本地时钟发送同步消息后，每条消息将经过不同的路径和时间到达数据交换机，设每条消息到达数据交换机的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(5)在系统中预设有任务同步消息到达数据交换机的标称增量时间则任务同步消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达数据交换机，最终到达时间为且例如，将传输时间增量设置为2200us，若消息在190ms时发送，则消息最终到达时间为190ms+2200us＝192.2ms；
(6)数据交换机不记录真实时间只记录每个同步消息到达数据交换机的相对时间，即最终到达时间当所有同步消息到达数据交换机后，计算出所有同步消息到达数据交换机的最终到达时间的中位时间如GNC控制器同步消息到达交换机时间为相对0时刻，太阳敏感器到达的相对时间为+0.03ms\+0.01ms，星敏感器到达的相对时间为-0.02ms\+0.05ms,则进行排序后，相对中位时间为+0.01ms；
(7)数据交换机在中位时间的基础上，等待系统预设的标称等待时间后到达系统真实时间并在系统真实时间将同步回应消息发送给所有系统中的设备节点，其中若设定标称等待时间为1ms，则数据交换机将在将相对0时刻过后的+0.01ms+1ms后发送回应消息；
(8)当数据交换机发送所有回应消息给系统各个设备节点后，每条回应消息将经过不同的路径和时间到达各个设备节点，设每条回应消息到达对应的设备节点的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条回应消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(9)在系统中预设有任务回应消息到达各设备节点的标称增量时间则任务回应消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达各设备节点，最终到达时间为且
(10)系统中每个设备节点在发送同步消息时，都会设定一个预期接收到同步回应消息的时间其中 在这里，所有设备节点收到回应消息的真实时间完全相同，但相对于该设备节点的本地时间不同，如GNC控制器在本地时钟的195.41ms收到；
(11)计算系统中各设备节点实际收到同步回应消息的时间与预期时间做差，得到的结果就是该设备节点的本地时钟的修正增量即GNC控制器收到回应消息的预期时间为190ms+2200us+1ms+2200us＝195.44ms，与实际收到的本地时间做差得到0.01ms，因此GNC控制器的时钟应增量调整0.01ms；
(12)修正本地时钟，使得本地新时钟修正为并在之后的系统级任务调度时使用经过修正的新时钟触发分布式系统级任务。
如前所述，本发明中的系统级任务同步方法，是在已有的数据总线/数据网络基础上，通过安装软件算法获得微秒级系统任务同步效果，在航天器航电、控制等高可靠性高实时性要求的系统中具有很大应用价值，为航天器分布式系统提供了在有限资源下获得更好系统任务同步的技术途径。
本方法相对于传统系统任务同步方法，在系统资源消耗方面，降低了10％的硬件功耗和重量；在同步精度方面，比不使用集中式硬件信号的方法提高了1个数量级，达到10us量级；在软件复杂度方面，减少了大量中断触发程序，简化了程序功能实施。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，其特征在于步骤如下：
(1)对系统中的设备正常上电，并完成设备上电初始化过程，设备进入正常运行模式；
(2)系统中每个设备都周期性使用本机的本地时钟作为触发分布式系统级任务的唯一标志，
(3)在系统中设定的时间点T0，每个设备都向数据交换机发送任务同步消息式中n代表系统中的设备号或代码或标称值，n为1-N或Ex或Default，Ex为交换机的代码，即Ex表示交换机，Default代表标称值，每个设备发送任务同步消息的时刻为本设备本地时钟此时的真实时间为即每个设备发送任务同步消息的真实时间为
(4)当所有设备都按照本机本地时钟发送同步消息后，每条消息将经过不同的路径和时间到达数据交换机，设每条消息到达数据交换机的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(5)在系统中预设有任务同步消息到达数据交换机的标称增量时间则任务同步消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达数据交换机，最终到达时间为且
(6)数据交换机不记录真实时间只记录每个同步消息到达数据交换机的相对时间，即最终到达时间当所有同步消息到达数据交换机后，计算出所有同步消息到达数据交换机的最终到达时间的中位时间
(7)数据交换机在中位时间的基础上，等待系统预设的标称等待时间后到达系统真实时间并在系统真实时间将同步回应消息发送给所有系统中的设备节点，其中
(8)当数据交换机发送所有回应消息给系统各个设备节点后，每条回应消息将经过不同的路径和时间到达各个设备节点，设每条回应消息到达对应的设备节点的绝对时间为然后通过在链路上的延迟和链路长度，统计获得每条回应消息相对于发送起始时刻的传输时间增量
(9)在系统中预设有任务回应消息到达各设备节点的标称增量时间则任务回应消息将根据当前的传输时间增量再等待时间再最终到达各设备节点，最终到达时间为且
(10)系统中每个设备节点在发送同步消息时，都会设定一个预期接收到同步回应消息的时间其中
(11)计算系统中各设备节点实际收到同步回应消息的时间与预期时间做差，得到的结果就是该设备节点的本地时钟的修正增量即
(12)修正本地时钟，使得本地新时钟修正为并在之后的系统级任务调度时使用经过修正的新时钟触发分布式系统级任务。
2.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，其特征在于：所述分布式系统级任务均为周期性运行的任务。
3.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，其特征在于：所述T0为任务运行周期的起始时间。
4.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，其特征在于：计算所有同步消息到达数据交换机的最终到达时间的中位时间方法如下：当同步消息条数为奇数时，为所有同步消息到达数据交换机的时间的最中间时间；
当同步消息条数为偶数时，为所有同步消息到达数据交换机的时间的最中间2个时间的平均值。
5.根据权利要求1所述的基于时间触发的分布式系统级任务同步方法，其特征在于：所述步骤(12)后，利用修正本地时钟，在本次分布式系统级任务之后的分布式系统级任务调度时使用步骤(12)经过修正的新时钟触发分布式系统级任务。
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