CN106557051A - 基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统及方法，上位单元通过内部串行通信总线分别与若干个下位单元通信连接；上位单元，用于将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，获取当前绝对时间信息，将当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置，形成新数据包，通过串行通信总线对各下位单元进行新数据包的同步发布；下位单元，用于接收新数据包，对接收到的新数据包中的当前绝对时间进行延时计算，利用其内部时钟进行补偿，并调整其内部时间与上位单元发布的当前绝对时间保持一致。本发明在上位单元实现GPS时钟同步，系统内部使用内部串行通信总线对下位单元进行时间同步，可实现全系统上下位单元内部时间同步一致的要求。

Description

基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统及方法
技术领域
本发明涉及工业过程控制中分布式测控系统内基于串行通信总线的各分布式测控单元的时间同步技术应用技术领域，具体涉及一种基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统及方法。
背景技术
随着计算机和通信技术的飞速发展，工业过程控制中所使用的工业测控系统正逐渐向数字化、分布式和实时反馈的方向发展。其中，工业测控系统中所使用数据通信方式以串行通信总线为主，包括但不限于TTL、RS232、RS485、RS422等。
工业测控系统对测量时间和控制精度需求地不断提高，各分布式测控单元的时间同步变得日趋重要。常规做法是在控制和信息系统之间进行数据交换、分析及应用时，对各种实时数据和历史数据添加时间信息，这也对时间信息准确性也提出更高的要求，通常要求系统内各装置具有一定的时间同步功能。
根据不同的应用场合，通常将实时性要求划分为三个范围，一是信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是100ms或更长；二是大部分的现场自动化应用场合，实时响应时间的要求最少为5-10ms；三是对于高性能的同步控制应用场合，实时响应时间要求低于1ms。
为保证上述实时响应时间，常规做法是外接GPS对时装置，使用GPS对时信号进行时间同步，GPS对时装置的实时对时信号简称为IRIG-B。内部实现原理是由系统中央控制单元通过专用电路和软件算法，将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，并与其保持时间同步。
按上述方法，在整个分布式测控系统中，仅实现中央控制单元的系统时间与GPS时间保持同步，但处于各分布式测控单元的系统时间未能与GPS时间保持同步，不能满足系统内部实现时间同步一致性的功能要求。
为保证全系统内时间同步，也可上下位单元均采用上述同样的方式进行时间同步，因此上下位单元均需要配置同样的电路和软件算法，从而导致整个系统内部的接线复杂，硬件成本偏高。虽能满足系统内部实现时间同步一致性的功能要求，但其性价比和实用性不佳。
另外，也有采用由中央控制单元通过内部总线协议定时发送时间信息的方式来进行时间同步，由于各分布式测控单元的内部工作状态不一，若正在处理更高优先级的过程运算，将无法及时响应，导致对时精度较低，仅为数十毫秒级。因此，中央控制单元需频繁的定时发送时间信息，过度占用系统资源带宽，影响整个系统的实时响应，降低可工业测控系统实时性。虽能满足系统内部实现时间同步一致性的功能要求，但其性能和实用性不佳。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提供了基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统及方法，用于将中央控制单元和各分布式测控单元进行时间同步。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，包括上位单元和若干个下位单元，所述上位单元通过内部串行通信总线分别与所述若干个下位单元通信连接；
所述上位单元，用于将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，获取当前绝对时间信息，与所述GPS对时装置时钟实时保持一致，将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置，形成新数据包，并通过串行通信总线对所述各下位单元进行所述新数据包的同步发布；
所述若干个下位单元，用于接收所述新数据包，并对接收到的所述新数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算，并利用其内部时钟进行补偿，并调整其内部时间与所述上位单元发布的所述当前绝对时间保持一致。
所述上位单元为中央控制单元，所述中央控制单元包括第一串行通信中断系统。
所述若干个下位单元为各分布式测控单元，所述各分布式测控单元分别包括第二串行通信中断系统。
基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步方法，包括步骤：
1）上位单元将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，获取当前绝对时间信息，并与所述GPS对时装置时钟实时保持一致；
2）上位单元将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置，形成新的数据包，并通过串行通信总线对各下位单元进行所述新数据包的同步发布；
3）所述各下位单元，接收所述新的数据包，并对接收到的所述新的数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算，并利用其内部时钟进行补偿，并调整其内部时间与所述上位单元发布的所述当前绝对时间保持一致。
所述上位单元为中央控制单元，所述中央控制单元包括第一串行通信中断系统。
所述若干个下位单元为若干个分布式测控单元，所述若干个分布式测控单元分别包括第二串行通信中断系统。
所述上位单元将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置的方式为：在所述第一串行通信中断系统中自动在通信数据内容指定位置添加所述当前绝对时间，形成新的数据包。
所述若干个下位单元，接收所述新的数据包，并对接收到的所述新的数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算的计算方式为：所述若干个下位单元接收时间同步时，通过第二串行通信中断系统对通信延时进行计算。
本发明的有益效果为：仅在上位单元实现GPS时钟同步，系统内部使用内部串行通信总线对下位单元进行时间同步，可实现全系统上下位单元内部时间同步一致的要求；
使用下位内部已有内部串行通信总线，不增加专用电路和通信线路，无外部硬件成本，在工业测控系统一主多从的分布式拓扑结构下，减少了整个系统对于通信线路和硬件电路投入，具有较高性价比；
采用硬件中断处理对时信号,由于硬件中断来源于系统硬件底层，在保证实时性的同时，不占用系统资源和软件开销，在硬件中断处理程序中进行对时信号的通信延时计算和补偿，从而确保时间同步的对时精度。
附图说明
图1 为本发明具体实施例的分布式测控系统结构框图；
图2为本发明具体实施例的时间同步流程图；
图3为本发明具体实施例的时间同步时序图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，分布式测控系统主要由上位单元（中央控制单元）和下位单元（各分布式测控单元）构成。上位单元数量通常只有1个，下位单元数量为1-250个不等，具体数量与系统组成和拓扑结构有关，可采用单独串行通信总线方式，也可采用分段式串行通信总线方式。
首先，上位单元（中央控制单元）通过专用电路和软件算法将GPS对时装置提供的实时对时信号（PPS\PPM\IRIG-B）进行解调，获取当前绝对时间信息，并与GPS时钟实时保持一致。例如：GPS对时装置时间为T1（2016.09.01 12:30:00.00100），则经过此步骤后上位单元（中央控制单元）的系统时间与GPS对时装置保持一致，同样为T2（2016.09.01 12:30:00.00100），通过硬件对时，实时T2 = T1。
上位单元（中央控制单元）通过内部串行通信总线对各下位单元（各分布式测控单元）进行时间同步发布。此时间同步数据为固定通信协议，其中数据包括但不限于由“广播码+当前时间信息”组成。当串行通信总线空闲时，上位单元（中央控制单元）使用串行通信发起时间同步。在其串行通信硬件中断中，当广播码发送完毕时，软件将自动获取当前时刻的系统时间，并自动将此时间添加到时间同步数据指定“当前时间信息”，并逐一通过串行通信总线进行数据传输。例如：上位单元（中央控制单元）的系统时间为T3（2016.09.01 12:30:00.01000），在发起时间同步后，当广播码发送完毕时，系统时间为T4（2016.09.01 12:30:00.01021），将此时间添加到“当前时间信息”内，并逐一发送至下位单元。
下位单元（分布式测控单元）接收时间同步的广播码时，系统时间为T5（2016.09.01 13:20:08.02115），记录此时为下位单元接收时间（同一时刻，此时为上位单元T4）。在其串行通信硬件中断中对通信延时进行计算△t（通信字节延时，根据通信波特率确定），根据新数据包内指定位置的时间信息T4，在接收完毕时间T7（2016.09.01 13:20:08.05134），对内部时钟进行补偿△T（△t + T7 – T5），并调整内部时间与上位单元（中央控制单元）保持一致，此时系统时间为T8（2016.09.01 12:30:00.05008），。
当下位单元（分布式测控单元）获取最新的系统时间T8（2016.09.01 12:30:00.05008）后，利用其内部时钟为虚拟时间信号源，在累计误差达到时间精度要求前，均为自主运行，无需重新时间同步。
分布式测控系统内各单元的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差。例如，精度为20ppm的时钟，其每秒的误差为：(1000ms)×(20/10.6)＝0.02ms。
上位单元（中央控制单元）根据各下位单元（各分布式测控单元）的内部时钟精度和系统时间精度的要求，自动调整时间同步间隔，实现可变步长时间同步，完成一个完整的对时流程，并将根据此时间同步间隔进行周期性时间同步发布，保证全系统（中央控制单元和各分布式测控单元）内部时间同步一致的要求。例如：内部时钟精度为20ppm，如果系统时间要求为0.01ms精度，则根据计算时间同步间隔应为5秒，则在T9（2016.09.01 12:30:05.05008）时，上位单元（中央控制单元）应启动新一轮时间同步，才可保证实现全系统上下位单元（中央控制单元和各分布式测控单元）内部时间同步一致不超过0.01ms的要求。
整个时间同步的时序见图3所示。
本实施例仅在上位单元（中央控制单元）实现GPS时钟同步，系统内部使用内部串行通信总线对下位单元（各分布式测控单元）进行时间同步，可实现全系统上下位单元（中央控制单元和各分布式测控单元）内部时间同步一致的要求。
使用分布式测控系统内部已有内部串行通信总线，不增加专用电路和通信线路，无外部硬件成本，在工业测控系统一主多从的分布式拓扑结构下，减少了整个系统对于通信线路和硬件电路投入，具有较高性价比。
采用硬件中断处理对时信号,由于硬件中断来源于系统硬件底层，在保证实时性的同时，不占用系统资源和软件开销，在硬件中断处理程序中进行对时信号的通信延时计算和补偿，从而确保时间同步的对时精度。
上位单元（中央控制单元）通过串行通信发布时间同步后，各下位单元（各分布式测控单元）使用其内部时钟为虚拟时间信号源，利用内部时钟精度，在累计误差内为自主运行，在将达到时间精度要求时，由上位单元重新启动时间同步，从而实现可变步长的时间同步，可减少通信带宽占用。此法占用极少的系统资源带宽，不影响整个系统的实时响应，实现良好的功能要求、性价比和实用性。
通过本实施例时间同步技术实现全系统（中央控制单元和各分布式测控单元）内部时间同步一致的要求，精度要求可达到1/10毫秒级。
需要说明的是，以上所述只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，其特征在于：包括上位单元和若干个下位单元，所述上位单元通过内部串行通信总线分别与所述若干个下位单元通信连接；
所述上位单元，用于将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，获取当前绝对时间信息，与所述GPS对时装置时钟实时保持一致，将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置，形成新数据包，并通过串行通信总线对所述各下位单元进行所述新数据包的同步发布；
所述若干个下位单元，用于接收所述新数据包，并对接收到的所述新数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算，并利用其内部时钟进行补偿，并调整其内部时间与所述上位单元发布的所述当前绝对时间保持一致。
2.如权利要求1所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，其特征在于：所述上位单元为中央控制单元，所述中央控制单元包括第一串行通信中断系统。
3.如权利要求1所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，其特征在于：所述若干个下位单元为若干个分布式测控单元，所述若干个分布式测控单元分别包括第二串行通信中断系统。
4.基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步方法，其特征在于包括步骤：
1）上位单元将GPS对时装置提供的实时对时信号进行解调，获取当前绝对时间信息，并与所述GPS对时装置时钟实时保持一致；
2）上位单元将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置，形成新的数据包，并通过串行通信总线对各下位单元进行所述新数据包的同步发布；
3）所述各下位单元，接收所述新的数据包，并对接收到的所述新的数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算，并利用其内部时钟进行补偿，并调整其内部时间与所述上位单元发布的所述当前绝对时间保持一致。
5.如权利要求4所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，其特征在于：所述上位单元为中央控制单元，所述中央控制单元包括第一串行通信中断系统。
6.如权利要求4所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步系统，其特征在于：所述若干个下位单元为若干个分布式测控单元，所述若干个分布式测控单元分别包括第二串行通信中断系统。
7.如权利要求5所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步方法，其特征在于所述上位单元将所述当前绝对时间添加在通信数据内容的指定位置的方式为：在所述第一串行通信中断系统中自动在通信数据内容指定位置添加所述当前绝对时间，形成新的数据包。
8.如权利要求6所述的基于串行通信总线的分布式测控系统时间同步方法，其特征在于所述若干个下位单元，接收所述新的数据包，并对接收到的所述新的数据包中的所述当前绝对时间进行延时计算的计算方式为：所述若干个下位单元接收时间同步时，通过第二串行通信中断系统对通信延时进行计算。
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