CN106877962A - 环路通信信道中的定时器同步系统 - Google Patents

环路通信信道中的定时器同步系统 Download PDF

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Abstract

在一个包括主站、从站和用于连接主从站的环路通信路径的系统中，主站为每个从站测量发送滞后时间，该发送滞后时间为自通过环路通信信道沿正向从主站发送通信帧，到主站从接收了上述通信帧的从站中的每一个接收沿反向返回的通信帧的时间，并根据测得的从站的发送滞后时间和指示了在从站中处理通信帧所产生的延迟时间的延迟时间信息，计算从站的定时器校正时间。每个从站包括收发切换器，用于将通信帧的收发方向在环路通信信道的正向和反向之间切换，以在由单一通信信道构成的环路通信路径中实现定时器同步。

Description

环路通信信道中的定时器同步系统
相关申请的交叉引用
于2015年12月9日提交的日本专利申请No.2015-240367的全部公开内容，包括说明书，权利要求书，附图和摘要，特此将其全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本公开涉及一种用于环路通信信道中的通信系统的定时器同步系统，该定时器同步系统中，与通信信道中的从站相连的定时器能够达到高精度的时间同步。
背景技术
在主站与从站间通过环路通信信道进行的一对一通信中，为了使与通信信道中的各从站连接的定时器达到高精度的时间同步，研究人员对此进行了多种尝试。
图6为依照现有技术的定时器同步系统框图。在现有示例中，如图6所示，主站1、从站2和从站4之间以及各从站之间均用两条通信信道连接，以此建立双向通信。主站1将通信帧由收发电路13发送至从站2。从站2在收发电路26中接收该通信帧，并将该通信帧由收发电路26发送至从站3。从站3在收发电路36中接收该通信帧，并将该通信帧由收发电路36发送至从站4。从站4在收发电路46中接收该通信帧，并将该通信帧由收发电路46发送至主站1。用这种方式，就建立了环路通信。从站具备的定时器校正单元23、33和43根据定时器校正时间，校正相应的从站定时器24、34和44。
图7是表示现有技术中，在主从站的初始化过程中设置定时器校正时间的步骤的流程图。上述从站中的每一个等待并接收指向该从站自身的通信帧(S51)。接收到指向该从站自身的通信帧后，该从站将接收到的通信帧发送至位于该从站的上游的发送源(S52)，并将该通信帧发送至位于该从站的下游的另一个从站或者上述主站(S53)。之后，上述下游从站或主站等待S52和S53(S54)中被发送的通信帧，并在接收到该通信帧后设置定时器校正时间(S55)。
更具体地，根据S53中的通信帧的发送时间To和S54中的通信帧的接收时间Tr，通过如下等式1计算出定时器校正时间Ts。
Ts＝(To–Tr)/2…(等式1)
由于主站和从站中相邻的一个以及从站中相邻的从站之间的往返通信距离为一个常量，因而采用定时器校正时间Ts能够校正通过通信信道进行的由从站到主站的发送上的滞后，上述定时器校正时间Ts为完成发送和接收过程所需时间的一半。但是，在实际中，在上述从站中的每一个从站中进行的中转/重新载入处理会造成通信滞后，因而仅采用上述定时器校正时间Ts进行发送滞后的校正会造成同步偏差的产生。
图8是表示依照现有技术的另一个示例的从站的框图。收发器203输出所接收到的通信帧数据。发送目标判定电路205判断该通信帧数据是否指向其自身从站，并根据判断结果，输出中转/重新载入切换信号SW-b。根据上述中转/重新载入切换信号SW-b，当接收到的发送帧数据指向其自身从站时，中转/重新载入切换器206通过通信帧重新载入电路208输出发送数据210，当接收到的通信帧数据指向另一个从站时，将不对接收的发送帧数据进行处理，而通过中转电路207将其输出。
收发器203将由中转/重新载入切换器206输出的数据作为通信帧输出至下一站。通信帧重新载入电路208根据接收到的通信帧数据，输出定时器校正值至定时器校正单元23。定时器校正单元23根据定时器校正值，对安装有定时器校正单元23的从站的从站定时器24进行校正。
图9和图10是表示依照现有技术对主站和从站中的定时器校正时间进行设置的步骤的流程图。现参考图9，主站1将包含定时器校正时间信息的通信帧发送至从站2、3和4，该定时器校正时间信息是通过将同步定时器所采用的校正值和在环路通信信道中的中转站中进行中转/重新载入处理所产生的延迟时间相加得到的(S40)。接下来参考图10中的流程图，以从站2中进行的处理步骤为例进行说明。当接收到由主站1指向从站2的通信帧后(S41)，从站2将中转/重新载入切换器206(见图8)切换至通信帧重新载入电路一侧，以执行通信帧重新载入处理，并将包含指示了定时器校正完成的信息的通信帧发送至主站1。之后，从站2将中转/重新载入切换器206迅速切换至中转电路一侧，准备进行将通信帧中转到另一个从站的处理(S42)。接下来，定时器校正单元23(见图8)根据通信帧中包含的定时器校正时间信息，对从站2中的从站定时器24进行校正(S43)。再次参考图9，当来自所有从站的包含指示了定时器校正完成的信息的通信帧被接收后，主站1完成初始化(S44)。
上述处理步骤中，即使从站中的每一个从站中进行的中转/重新载入处理产生了通信延迟，从站的时间也能够与环路通信信道中的主站的时间达到同步。通过这种方式，即便在伴有中转/重新载入通信帧的处理的通信中，也能够实现精确的定时器同步。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP S61-6953 A
专利文献2：JP H10-164109 A
发明内容
技术问题
图6和图7所示的现有技术基于如下前提：主站1、从站2和从站4之间以及各个从站之间均用两条通信信道连接，以此实现双向通信。但是，由于各个站间的每个连接均需要两条通信信道，因此上述连接方式会引起成本增加的问题。另一个问题是，由于可以测量的通信滞后时间仅为两条通信信道的平均滞后时间，因而滞后时间的测量结果是不精确的。该现有技术还存在的另一个问题是，所得到的在从站中进行中转/重新载入处理所产生的延迟时间并不精确。
本公开的目的在于，在提供主从站之间的高精度定时器同步的同时，降低连接主从站的通信信道的相关成本。
问题的解决方案
本公开涉及一种用于对特定通信帧中的多个从站的定时器进行同步的定时器同步系统，该系统具有一个主站、多个从站及连接该主站和从站的环路通信信道。该定时器同步系统中，上述主站包括：主站定时器，用于测量从站中的每一个的发送滞后时间，该发送滞后时间为自通过环路通信信道沿正向从主站发送通信帧，到主站从接收了通信帧的多个从站中的每一个接收到通过通信信道沿反向返回的通信帧的时间；延迟信息存储器，其储存了延迟时间信息，该延迟时间信息指示了在从站中对通信帧进行处理所产生的延迟时间；定时器校正时间计算器，用于根据测得的从站中的每一个的发送滞后时间和延迟时间信息，计算定时器校正时间，上述定时器校正时间中的每一个对应于从站中的每个从站；发射机，用于将定时器校正时间中的每一个发送至从站中对应的一个从站。并且，每个从站包括：收发切换器，用于将通信帧的收发方向在正向和反向之间切换，以及定时器校正单元，用于根据主站发送的与从站中的每一个从站对应的定时器校正时间，相应地对从站中的每一个从站定时器进行校正。
优选地，在从站中对通信帧进行处理所产生的上述延迟时间包括：进行将通信帧中转至从站中的另一从站的处理所产生的中转延迟时间，和进行将待返回给主站的通信帧重新载入的处理所产生的重新载入延迟时间，上述重新载入延迟时间不同于上述中转延迟时间。优选地，定时器校正时间计算器根据以下计算从站中的目标从站的定时器校正时间：为从站中的每一个测得的发送滞后时间，沿正向观察在环路通信信道中位于主站与从站中的目标从站之间的从站中的一个或多个从站中产生的中转延迟时间，以及从站中的目标从站中产生的重新载入延迟时间。
发明的有益效果
依照本公开的定时器同步系统，能够在高精度地实现主从站间定时器同步的同时，降低连接主从站的通信路径的相关成本。
附图说明
以下将结合附图对本公开的实施例进行说明，其中：
图1为表示本公开的一个实施例的框图；
图2为表示依照本公开的上述实施例的主站的框图；
图3为表示依照本公开的上述实施例的从站的框图；
图4为表示依照本公开的上述实施例的主站执行的处理步骤的流程图；
图5为表示依照本公开的上述实施例的从站执行的处理步骤的流程图；
图6为表示现有技术的框图；
图7为表示现有技术中主/从站执行的处理步骤的流程图；
图8为表示依照现有技术的另一个示例的从站框图；
图9为表示现有技术的另一个示例中主站执行的处理步骤的流程图；
图10为表示现有技术的另一个示例中从站执行的处理步骤的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本公开的实施例进行说明。
图1为表示依照本公开的实施例的定时器同步系统的框图。图1或下述图2和图3中，与依照现有示例(图6或图8所示)的组件具有相同功能的组件已用与图6或图8中相同的符号标出，并不再对其进行相关描述。
本实施例中，如图1所示，主站1、从站2和从站4之间，以及各个从站之间仅由单条通信信道连接。这种方式下，通信信道的相关成本相对于现有技术中通信信道的相关成本有所降低。
依照本实施例的定时器同步系统中，主站1除了执行常规环路通信，将通信帧从主站1发送至从站2外，还将通信帧由收发电路13发送至从站4。
从站4在收发电路42中接收通信帧，并将该通信帧由收发电路42发送至从站3。从站3在收发电路32中接收通信帧，并将该通信帧由收发电路32发送至从站2。从站2在收发电路22中接收通信帧，并将该通信帧由收发电路22发送至主站1。用这种方式，便通过单一信道的方式完成了双向环路通信。
图2为表示依照本公开的定时器同步系统中的主站的框图。收发器203通过收发切换器201连接至正向传输侧通信信道，该正向传输侧通信信道为环路通信信道中沿正向建立的通信路径(图1所示示例中通往从站2的通信路径)。同时，收发器204通过收发切换器202连接至反向传输侧通信信道，该反向传输侧通信信道为环路通信信道中沿反向建立的通信路径(图1所示示例中通往从站4的通信路径)。
收发器203具有输入电路和输出电路，该输入电路和输出电路两者之一与正向传输侧通信信道连接，由收发切换器201进行切换。同样，收发器204具有输入电路和输出电路，该输入电路和输出电路两者之一与反向传输侧通信信道连接，由收发切换器202进行切换。收发切换器201和202根据由收发控制器211发送的切换信号SW-c对上述连接进行切换。
具体地，当收发切换器201和202接收到的切换信号SW-c为“H”时，收发切换器201将正向传输侧通信信道连接至收发器203的输出电路，收发切换器202将反向传输侧通信信道连接至收发器204的输入电路。也就是说，这种情况下，主站1输出通信帧至正向传输侧通信信道并接收来自反向传输侧通信信道的通信帧。另一方面，当收发切换器201和202接收到的切换信号SW-c为“L”时，收发切换器201将正向传输侧通信信道连接至收发器203的输入电路，收发切换器202将反向传输侧通信信道连接至收发器204的输出电路。也就是说，这种情况下，主站1输出通信帧至反向传输侧通信信道并接收来自正向传输侧通信信道的通信帧。
另外，收发控制器211将指示了上述通信帧的发送时间和接收时间的信息发送至主站定时器12。主站定时器12测量该发送时间到该接收时间的间隔时长，并将指示了测得的该时长的时间测量数据输出至初始化数据计算器11。该初始化数据计算器11根据主站1的存储器(图中未示出)中存储的预定延迟时间信息和接收到的来自主站定时器12时间测量数据，计算并输出从站中的每个从站的校正时间，上述预定延迟时间信息表示在从站中的每个从站中对通信帧进行中转/重新载入处理所产生的延迟时间。此外，收发控制器211控制存储在发送数据210中的通信帧。
图3为依照本发明的定时器同步系统中的从站的框图。收发器203通过收发切换器201连接至反向传输侧通信信道(即从站2的示例中通往主站1的通信路径)。同时，收发器204通过收发切换器202连接至正向传输侧通信信道(即从站2的示例中通往从站3的通信路径)。
与主站1同样地，在从站中，根据由发送目标判定电路205输出的切换信号SW-a对收发切换器201和202进行切换。更具体地，当收发切换器201和202接收到的切换信号SW-a为“H”时，收发切换器201将反向传输侧通信信道连接至收发器203的输出电路，收发切换器202将正向传输侧通信信道连接至收发器204的输入电路。也就是说，这种情况下，从站输出通信帧至反向传输侧通信信道并接收来自正向传输侧通信信道的通信帧。另一方面，当收发切换器201和202接收到的切换信号SW-a为“L”时，收发切换器201将反向传输侧通信信道连接至收发器203的输入电路，收发切换器202将正向传输侧通信信道连接至收发器204的输出电路。也就是说，这种情况下，从站输出通信帧至正向传输侧通信信道并接收来自反向传输侧通信信道的通信帧。
根据中转/重新载入切换信号SW-b，当接收到的通信帧中的数据指向其自身从站时，中转/重新载入切换器206通过通信帧重新载入电路208输出发送数据210，或当接收到的通信帧中的数据指向另一个从站时，将不对通信帧进行处理，而通过中转电路207将其输出。
同时，发送目标判定电路205还对存储进发送数据210的通信帧进行控制。通信帧重新载入电路208根据接收到的通信帧中的数据将定时器校正值输出至定时器校正单元23。定时器校正单元23根据定时器校正值，对其自身从站包含的从站定时器24进行校正。
图4和图5分别为依照本实施例进行设置主站和从站的定时器校正时间的处理的流程图。首先，在主站1中，收发控制器211输出切换信号SW-c为“H”至收发切换器201和202。由此，用于测量滞后时间的通信帧P1帧被输出至正向传输侧通信信道(即通往从站2)。之后，收发控制器211输出切换信号SW-c为“L”。换言之，主站1转而进入就绪状态，准备从正向传输侧通信信道接收由从站沿反向发送的通信帧(S1)。
接下来参考图5，以从站2中进行的处理过程为例进行说明。从站2判断接收到的通信帧是否为下述P2帧(S12)。本例中，接收到的通信帧为P1帧，因而移至步骤2。当从站2接收到指向该从站2自身的P1帧时(S2)，发送目标判定电路205输出切换信号SW-a为“H”，输出切换信号SW-b信号为“H”。即，电路被切换为一特定状态，该状态下，电路发送P1帧至定时器校正单元23，并能够将通信帧发送至反向传输侧通信信道(通往主站1的通信路径)。之后，P1帧被发送至反向传输侧通信信道。接下来，发送目标判定电路205输出切换信号SW-a为“L”，以重新建立一种状态，该状态下，电路能够接收来自反向传输侧通信信道的通信帧，并发送通信帧至正向传输侧通信信道。即，电路准备对指向另一个从站的P1帧进行中转处理或接收P2帧(S3)。
当接收到指向其他从站的P1帧时(S4)，从站2输出切换信号SW-a为“L”，输出切换信号SW-b为“L”(即将切换信号SW-a和切换信号SW-b维持在“L”状态)，以将P1帧发送至正向传输侧通信信道。即完成中转处理。接下来，输出切换信号SW-a为“H”,准备对由位于从站2的正向传输侧的另一从站(即图1示例中的从站3或4)沿反向发送的P1帧进行中转处理(S5)。
当接收到指向主站1的P1帧时(S6)，从站2输出切换信号SW-a为“H”,输出切换信号SW-b为“L”，以将P1帧发送至反向传输侧通信信道。即完成了返回P1帧处理。接下来，输出切换信号SW-a为“L”，以准备对P1帧进行中转处理或接收P2帧处理(S7)。
再次参考图4，主站1通过主站定时器12分别测量从P1帧被发送至各从站到主站接收到由各从站返回的P1帧的各段时长，并将测得的时长作为时间测量数据输出。初始化数据计算器11根据在从站中对通信帧进行中转/重新载入的处理所产生的预定延迟时间和上述时间测量数据，分别为各从站计算出定时器校正时间(S9)。当通信信道中所有从站的时间测量全部完成后(S10)，主站1将P2帧发送至所有从站(S11)。
再次参考图5，从站接收P2帧并做好接收P3帧处理的准备。主站1将包含指示了定时器校正时间的信息的P3帧发送至从站中的每一个(S13)。从站分别接收到指向其自身从站的P3帧后(S14)，从站输出切换信号SW-b为“H”,输出切换信号SW-a为“L”，以此准备进行对指向另一从站的P3帧进行中转处理或沿正向进行通信(S15)。至此，完成初始化。
具体地，当P1帧由主站1发送至从站2，并由从站2返回至主站1时，主站1中P1帧由发送到接收的时长T12由下述等式2表示。
T12＝Td12+Td2+Td21…(等式2)
等式2中，Td12表示自主站1发送到从站2接收的滞后时间量，Td2表示由于在从站2中对通信帧进行中转/重新载入处理所产生的延迟时间量，Td21表示自主站2发送到主站1接收的滞后时间量。
其中，由于Td12和Td21主要由发送路径和接收路径的长度决定，而上述发送路径和接收路径为同一通信信道，故可认为Td12＝Td21。另外，根据电路和程序决定的量Td2可预先高精度地测得和设定。因此，从站2的定时器校正时间Ts2可通过以下等式3确定。
Ts2＝(T12–Td2)/2…(等式3)
当P1帧由主站1发送至从站3，并由从站3返回至主站1时，主站1中P1帧由发送到接收的时长T13由下述等式4表示。
T13＝Td12+Td2+Td23+Td3+Td32+Td2+Td21…(等式4)
等式4中，Td23表示自从站2发送到从站3接收的滞后时间量，Td3表示在从站3中对通信帧进行中转/重新载入处理所产生的延迟时间量，Td32表示自从站3发送到主站1接收的滞后时间量。
其中，由于Td23和Td32主要由发送路径和接收路径的长度决定，故可认为Td23＝Td32。同时，根据电路和程序决定的量Td3可预先高精度地测得和设定，且Td12、Td2和Td21的和已由等式2中的量T12给出。因此，从站3的定时器校正时间Ts3可通过以下等式5确定。
Ts3＝(T13–T12+Td2–Td3)/2…(等式5)
如上所述，根据本公开，主站和从站的定时器之间能够实现高精度同步，而不会受到由主站和从站之间的通信路径决定的不同程度的发送滞后的影响。而且，由于使用了大量的以太网用PHY芯片，其价格便宜，而且能够在两个收发电路之间以及发送源和发送目的地之间进行切换，因此使用这种PHY芯片实现定时器同步的同时，成本低廉，而且最大程度地减小了组装面积。
同时，根据不同的电路和程序，对通信帧进行中转处理和对通信帧进行重新载入处理所需的时间可能不同。这种情况下，当P1帧由主站1发送至从站2，并由从站2返回至主站1时，主站1中P1帧由发送到接收的时长T12由下述等式6表示。
T12＝Td12+Td2c+Td21…(等式6)
等式6中，Td12表示自主站1发送到从站2接收的滞后时间量，Td2c表示在从站2中对通信帧进行重新载入处理所产生的延迟时间量，Td21表示自从站2发送到主站1接收的滞后时间量。
其中，由于Td12和Td21主要由发送路径和接收路径的长度决定，而上述发送路径和接收路径为同一通信信道，故可认为Td12＝Td21。同时，根据电路和程序决定的量Td2c可预先高精度地测得和设定。因此，从站2的定时器校正时间Ts2可通过以下等式7确定。
Ts2＝(T12–Td2c)/2…(等式7)
当P1帧由主站1发送至从站3，并由从站3返回至主站1时，主站1中P1帧由发送到接收的时长T13由下述等式8表示。
T13＝Td12+Td2b+Td23+Td3c+Td32+Td2b+Td21…(等式8)
等式8中，Td2b表示在从站2中对通信帧进行中转处理所产生的延迟时间量，Td23表示自从站2发送到从站3接收的滞后时间量，Td3c表示在从站3中对通信帧进行重新载入处理所产生的延迟时间量，Td32表示自从站3发送到主站1接收的发送滞后时间量。
其中，由于Td23和Td32主要由发送路径和接收路径的长度决定，故可认为Td23＝Td32。同时，根据电路和程序决定的量Td2b和Td3c可预先高精度地测得和设定，且Td12、Td2c和Td21的和已由等式6中的量T12给出。因此，从站3的定时器校正时间Ts3可通过以下等式9确定。
Ts3＝(T13–T12+Td2c-Td3c)/2…(等式9)
如上所述，根据本发明，即使当对通信帧进行中转所需的时间不同于对通信帧进行重新载入所需的时间时，主站和从站之间也能够高精度地实现定时器同步。
虽然以上结合实施例对本发明进行了描述，但本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种变形。
附图标记列表
1主站；2，3，4从站；11初始化数据计算器；12主站定时器；13，22，26，32，36，42，46收发电路；14初始化数据单元；21，25，31，35，41，45通信控制器；23，33，43定时器校正单元；24，34，44从站定时器；201，202收发切换器；203，204收发器；205发送目标判定电路；206中转/重新载入切换器；207中转电路；208通信帧重新载入电路；209接收数据；210发送数据。

Claims (2)

1.一种定时器同步系统，用于在特定通信帧中对多个从站的定时器进行同步，包括：
主站；
多个从站；和
环路通信信道，所述主站和所述多个从站通过该环路通信信道相连，其中：
所述主站包括：
主站定时器，用于测量所述多个从站中的每一个的发送滞后时间，该发送滞后时间为自通过环路通信信道沿正向从所述主站发送通信帧，到所述主站从接收了所述通信帧的所述多个从站中的每一个接收到通过所述通信信道沿反向返回的通信帧的时间，
延迟信息存储器，其存储了延迟时间信息，该延迟时间信息指示了在所述多个从站中对通信帧进行处理所分别产生的多个延迟时间；
定时器校正时间计算器，用于根据测得的所述多个从站中的每一个的发送滞后时间和延迟时间信息，计算多个定时器校正时间，所述定时器校正时间中的每一个对应于所述多个从站中的每个从站；
发射机，用于将所述多个定时器校正时间中的每一个发送至多个从站中对应的一个从站；并且
每个从站包括：
收发切换器，用于将通信帧的收发方向在正向和反向之间切换，以及
定时器校正单元，用于根据由主站发送的与各从站对应的定时器校正时间，相应地对各从站的定时器进行校正。
2.根据权利要求1所述的定时器同步系统，其特征在于：
在所述多个从站中对所述通信帧进行处理所产生的所述延迟时间包括：进行将通信帧中转至所述多个从站中的另一从站的处理所产生的中转延迟时间，和进行将待返回给主站的通信帧重新载入的处理所产生的重新载入延迟时间，所述重新载入延迟时间不同于所述中转延迟时间，且
所述定时器校正时间计算器根据以下计算所述多个从站中的目标从站的定时器校正时间：为所述多个从站中的每一个测得的发送滞后时间，沿正向观察在环路通信信道中位于所述主站与所述多个从站中的目标从站之间的所述多个从站中的一个或多个从站中产生的中转延迟时间，以及所述从站中的目标从站中产生的重新载入延迟时间。
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