CN106961312A - 一种网络仪器用时间同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络仪器用时间同步系统及方法，该系统包括树型仪器网关、与树型仪器网关根节点连接的控制中心、以及与树型仪器网关叶子节点连接的网络仪器，树型仪器网关由位于树型仪器网关根节点位置处的主仪器网关和与主仪器网关连接的树杈仪器网关组成，控制中心通过以太网通信模块与主仪器网关进行通信，主仪器网关上连接有用于同步本地时钟的GPS时间源；该方法包括步骤：一、主仪器网关的时间同步；二、第i层仪器网关的时间同步；三、N次重复步骤二，直至完成第N层仪器网关的时间同步过程；四、网络仪器的时间同步。本发明设计新颖，减少网络仪器之间的数据传输干扰，提高了网络传输的效率和时间同步精度。

Description

一种网络仪器用时间同步系统及方法

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，具体涉及一种网络仪器用时间同步系统及方法。

背景技术

计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，不断推动着测量仪器朝着数字化和智能化方向变革，测量仪器的工作模式也由早期的单台独立工作发展成为多台智能仪器的协同工作。如今，在一些关键领域，如航海、航天、国防等，使用的大型自动测试系统可能含有成百上千台智能仪器，为了确保整个测试系统高效稳定工作，这些仪器之间的连接总线尤为重要。现有的通过以太网作为连接总线的网络仪器系统一般采用平面结构，将控制中心和所有的网络仪器均挂接在通信总线上，参阅图1，图1为现有技术采用的时间同步系统的结构连接示意图，这种结构存在以下不足：第一，每台网络仪器只需要将测量数据传输到控制中心，不需要传输给其他仪器，因此每台仪器向控制中心上传测量数据时应该尽量不影响其他仪器与控制中心的通信，然而以太网总线采用带冲突检测的载波监听多路访问协议，如果网络中有一台仪器正在发送数据，其他仪器即使有数据需要立即发送，也必须等待，当网络中连接大量网络仪器时，网络传输效率将会严重下降，此时，无论是一般的测量数据，还是针对系统更为重要的时间同步信息，网络都无法保证及时准确地传输；第二，网络中连接的每台仪器必须采用相同的时间同步协议，否则无法完成全网统一的时间同步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种网络仪器用时间同步系统，其设计新颖合理，通过树型仪器网关结构，采用分层次的方式对整个网络仪器系统进行时间同步，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：包括树型仪器网关、与所述树型仪器网关根节点连接的控制中心、以及与所述树型仪器网关叶子节点连接的网络仪器，所述树型仪器网关由位于所述树型仪器网关根节点位置处的主仪器网关和与主仪器网关连接的树杈仪器网关组成，所述树杈仪器网关由N层仪器网关组成，其中，N取正整数且N≥1，N层仪器网关中的第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关，第i级仪器网关由与该第i级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，i为正整数且i＝1，2，3，…，N；第N级仪器网关与网络仪器进行通信，控制中心通过以太网通信模块与主仪器网关进行通信，主仪器网关上连接有用于同步本地时钟的GPS时间源。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝1，所述树杈仪器网关由1层仪器网关组成，1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关，主仪器网关为第1级仪器网关的前1级仪器网关，第1级仪器网关通过以太网通信模块与主仪器网关和网络仪器均进行通信。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝2，所述树杈仪器网关由2层仪器网关组成，所述2层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关，所述2层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关，第1级仪器网关为第2级仪器网关的前1级仪器网关，第1级仪器网关通过以太网通信模块与主仪器网关进行通信，第2级仪器网关由与该第2级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，第2级仪器网关通过以太网通信模块与网络仪器进行通信。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝3，所述树杈仪器网关由3层仪器网关组成，所述3层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关，所述3层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关，所述3层仪器网关中的第3层仪器网关包括至少两个第3级仪器网关，第1级仪器网关为第2级仪器网关的前1级仪器网关，第2级仪器网关为第3级仪器网关的前1级仪器网关，第1级仪器网关通过以太网通信模块与主仪器网关进行通信，第2级仪器网关由与该第2级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关由与该第3级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关通过以太网通信模块与网络仪器进行通信。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述主仪器网关和所述树杈仪器网关均集成有网络路由器。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述树杈仪器网关中的每个仪器网关均为主从模式仪器网关，主仪器网关为主模式仪器网关，主仪器网关和所述树杈仪器网关均集成有恒温晶振。

上述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述网络仪器为示波器、电压源或信号发生器。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、同步精度较高的网络仪器用的时间同步方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、主仪器网关的时间同步：采用GPS时间源对主仪器网关进行0.1μs级别的本地时间同步；

步骤二、第i层仪器网关的时间同步：对第i层仪器网关中的每一个第i级仪器网关分别进行时间同步，且第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关的时间同步方法均相同；

对第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关进行本地时间同步校准时，过程如下：

步骤201、将与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关的时钟作为主时钟，与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关为主时钟设备，该任意一个第i级仪器网关的时钟作为从时钟，该任意一个第i级仪器网关为从时钟设备，所述主时钟设备生成时间同步请求帧TS_req，并向与所述主时钟设备连接的所述从时钟设备定时发送，同时所述主时钟设备记录每个时间同步请求帧TS_req的编号和准确发送时间T₁，所述准确发送时间T₁是指刚好发送完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻；

步骤202、所述从时钟设备接收来自所述主时钟设备发送的时间同步请求帧TS_req后，记录准确接收时间T₂并提取时间同步请求帧TS_req的编号字段，然后生成时间同步应答帧TS_resp并向所述主时钟设备回送，同时记录时间同步应答帧TS_resp的准确回发时间T₃，所述准确接收时间T₂是指刚好接收完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻，所述准确回发时间T₃是指刚好回发完时间同步应答帧TS_resp的所有字节的时刻；

步骤203、所述主时钟设备接收所述从时钟设备回发来的时间同步应答帧TS_resp，记录准确回收时间T₄并提取时间同步应答帧TS_resp的编号字段，然后生成时间同步确认帧TS_ack并向所述从时钟设备发送，所述时间同步确认帧TS_ack中含有T₁和T₄的时间戳信息；

步骤204、所述从时钟设备接收到时间同步确认帧TS_ack后，提取属于同一编号的T₁、T₂、T₃、T₄的时间戳信息，根据公式计算所述从时钟设备与所述主时钟设备之间的时间偏移ΔT；

步骤205、根据步骤204中的时间偏移ΔT，调整所述从时钟设备的本地时钟，实现所述从时钟设备的本地时间同步校准；

步骤三、N次重复步骤二，直至完成第N层仪器网关的时间同步过程；

步骤四、网络仪器的时间同步：首先，以第N级仪器网关的时钟作为主时钟，网络仪器中的时钟作为从时钟，第N级仪器网关均支持NTP时间同步协议和PTP时间同步协议，网络仪器支持NTP时间同步协议或PTP时间同步协议；然后，对网络仪器进行时间同步，网络仪器和与该网络仪器连接的第N级仪器网关通过NTP时间同步协议或PTP时间同步协议实现时间同步，最终实现网络仪器的时间同步。

上述的方法，其特征在于：步骤二中所述主时钟设备和所述从时钟设备通过以太网通信模块进行通信；所述时间同步请求帧TS_req和所述时间同步确认帧TS_ack均通过所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步应答帧TS_resp通过所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步请求帧TS_req由标志Flag_qq和编号Num两个字段构成，所述时间同步应答帧TS_resp由标志Flag_yd和编号Num两个字段构成，所述时间同步确认帧TS_ack由标志Flag_qr、编号Num、时间戳T₁和时间戳T₄四个字段构成；

所述标志Flag_qq、所述标志Flag_yd、所述标志Flag_qr和所述编号Num的字段长度均为8bit，时间戳T₁、T₂、T₃和T₄的字段长度均为64bit。

上述的方法，其特征在于：所述第i级仪器网关为主从模式仪器网关，主仪器网关和所述树杈仪器网关均集成有网络路由器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的时间同步系统通过设置树型仪器网关，采用分层次的方式对网络仪器进行时间同步，减少网络仪器之间的数据传输干扰，避免采用现有的平面结构带来的数据发送的长时间等待的弊端，多个网络仪器之间的时间同步更容易实现，速度更快。

2、本发明采用的时间同步系统将网络仪器连接在树型仪器网关叶子节点，树杈仪器网关由N层仪器网关组成，其中，N取正整数且N≥1，可适应多种时间同步协议，对采用不同协议的网络仪器实现混合组网，满足现有网络仪器支持的协议，减少现有网络仪器的替换，减少硬件开支，可靠稳定，适应性强，扩展性好，使用效果佳。

3、本发明采用的时间同步方法，步骤简单，采用逐级分层的方式对每层仪器网关的时间进行同步，每层仪器网关中的任意一个仪器网关与其连接的前1级仪器网关进行时间同步方法均相同，前1级仪器网关作为主时钟设备，该仪器网关作为从时钟设备，主时钟设备向从时钟设备发送时间同步请求帧TS_req以及从时钟设备向主时钟设备发送时间同步应答帧TS_resp均不带时间戳信息，时间戳信息保存在各自发送同步帧时对应的时钟设备中，另外，通过主时钟设备将保存的自身中的时间戳统一发送至从时钟设备中，从时钟设备收集同一编号的T₁、T₂、T₃、T₄的时间戳信息，计算从时钟设备与主时钟设备之间的时间偏移，实现从时钟设备的本地时间同步校准；最后，采用网络仪器支持的NTP时间同步协议或PTP时间同步协议对网络仪器的本地时间同步校准，对采用不同协议的网络仪器实现混合组网，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过树型仪器网关结构，采用分层次的方式对整个网络仪器系统进行时间同步，减少网络仪器之间的数据传输干扰，提高了网络传输的效率，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术采用的时间同步系统的结构连接示意图。

图2为本发明采用的时间同步系统的结构连接示意图。

图3为本发明采用的时间同步系统的实施例1的结构连接示意图。

图4为本发明采用的时间同步系统的实施例2的结构连接示意图。

图5为本发明采用的时间同步系统的实施例3的结构连接示意图。

图6为本发明方法的实施例4的流程框图。

图7为本发明方法中所涉及的帧传输延时获取机制的时序示意图。

图8为本发明时间同步请求帧TS_req的结构示意图。

图9为本发明时间同步应答帧TS_resp的结构示意图。

图10为本发明时间同步确认帧TS_ack的结构示意图。

附图标记说明:

1—控制中心； 2—GPS时间源； 3—主仪器网关；

4—第1级仪器网关； 5—第2级仪器网关； 6—第3级仪器网关；

7—网络仪器； 8—通信总线。

具体实施方式

如图2所示的一种网络仪器用时间同步系统，包括树型仪器网关、与所述树型仪器网关根节点连接的控制中心1、以及与所述树型仪器网关叶子节点连接的网络仪器7，所述树型仪器网关由位于所述树型仪器网关根节点位置处的主仪器网关3和与主仪器网关3连接的树杈仪器网关组成，所述树杈仪器网关由N层仪器网关组成，其中，N取正整数且N≥1，N层仪器网关中的第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关，第i级仪器网关由与该第i级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，i为正整数且i＝1，2，3，…，N；第N级仪器网关与网络仪器7进行通信，控制中心1通过以太网通信模块与主仪器网关3进行通信，主仪器网关3上连接有用于同步本地时钟的GPS时间源2。

树型仪器网关的设置是为了将同步多个网络仪器7的网关分层化，避免采用如图1所示的现有的平面结构带来的数据发送的长时间等待的弊端，控制中心1与所述树型仪器网关根节点连接，能够对所有网络仪器实施监控与管理，网络仪器7是被同步对象，因此处于所述树型仪器网关叶子节点，树杈仪器网关由N层仪器网关组成，其中，N取正整数且N≥1，N层仪器网关中的第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关，第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关的目的是实现所述树杈仪器网关的等级合理化，若第1层仪器网关包括一个第1级仪器网关，则主仪器网关3连接一个第1级仪器网关4，提高了所述树杈仪器网关的级数，带来不必要的同步过程，给多个网络仪器7的时间同步带来了复杂度，因此为了降低所述树杈仪器网关的级数，第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关。

控制中心1通过以太网通信模块与主仪器网关3连接，主仪器网关3上连接有用于同步本地时钟的GPS时间源2，GPS时间源2可实现0.1μs级别的本地时间同步。

本实施例中，主仪器网关3和所述树杈仪器网关均集成有网络路由器。

网络路由器的设置是为了能够隔离广播信息，从而保证连接在不同层中的仪器网关发送信息时互不干扰，任意一个第i级仪器网关广播出去的信息不能跨过路由器，只有与该第i级仪器网关连接在一起的下1级仪器网关才能收到，第N级仪器网关广播出去的信息不能跨过路由器，只有与该第N级仪器网关连接在一起的网络仪器7才能收到，实现广播信息时互不干扰。

本实施例中，所述树杈仪器网关中的每个仪器网关均为主从模式仪器网关，主仪器网关3为主模式仪器网关，主仪器网关3和所述树杈仪器网关均集成有恒温晶振。

树杈仪器网关中的每个仪器网关均为主从模式仪器网关便于同步帧的发送和接收，任意一个仪器网关作为发送信息者时为主模式工作状态，任意一个仪器网关作为接收信息者时为从模式工作状态，功能完备，树型仪器网关中的每个仪器网关内部均集成有恒温晶振是为了保证较高的时钟精度，每个仪器网关的时钟精度可以达到10ns级别。

本实施例中，所述网络仪器7为示波器、电压源或信号发生器。

网络仪器7还包括航海、航天或国防中使用的多种智能仪器，实际使用中，网络仪器7支持NTP时间同步协议或PTP时间同步协议，NTP时间同步协议和PTP时间同步协议是现有多数仪器适用的同步协议，为了保证现有仪器的正常使用，减少更换现有网络仪器带来的成本增大的问题，树型仪器网关根据就近原则将距离相近的多个网络仪器7连接在一个树杈分支的叶子节点，可适应多种时间同步协议，对采用不同协议的网络仪器7实现混合组网，满足现有网络仪器7支持的协议，可靠稳定，适应性强，扩展性好，使用效果佳。

本发明网络仪器用时间同步系统具体通过实施例1至实施例3进行详细描述。

实施例1

如图3所示，本实施例中，所述N＝1，所述树杈仪器网关由1层仪器网关组成，1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关4，主仪器网关3为第1级仪器网关4的前1级仪器网关，第1级仪器网关4通过以太网通信模块与主仪器网关3和网络仪器7均进行通信。

以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，具有技术成熟、低成本、高可靠性、高速率以及开放性好等特点，应用非常广泛。

实际安装使用中，网络仪器7的数量较大，通过主仪器网关3控制至少两个第1级仪器网关4同步，至少两个第1级仪器网关4直接与主仪器网关3连接，按照实际区域，多个网络仪器7按照就近原则与第1级仪器网关4连接，由于至少两个第1级仪器网关4的时间已经被同步，多个网络仪器7通过与其连接的第1级仪器网关4实现时间同步。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1不同的是，所述N＝2，所述树杈仪器网关由2层仪器网关组成，所述2层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关4，所述2层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关5，第1级仪器网关4为第2级仪器网关5的前1级仪器网关，第1级仪器网关4通过以太网通信模块与主仪器网关3进行通信，第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5连接的前1级仪器网关控制同步，第2级仪器网关5通过以太网通信模块与网络仪器7进行通信。

实际安装使用中，网络仪器7的数量较大，通过主仪器网关3控制至少两个第1级仪器网关4同步，至少两个第1级仪器网关均与同一个主仪器网关3连接，实现第1层仪器网关与主仪器网关3的通信关联，第2层仪器网关由至少两个第2级仪器网关5组成，第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5连接的前1级仪器网关控制同步，即第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5直接连接的第1级仪器网关4控制同步，其中，第2层仪器网关是指每个第1级仪器网关4连接的全部的第2级仪器网关5，将全部的第2级仪器网关5视为第2层仪器网关，位于树杈仪器网关中的第2层，按照实际区域，多个网络仪器7按照就近原则与第2级仪器网关5连接，由于第1层仪器网关和第2层仪器网关的时间被先后同步，多个网络仪器7通过与其连接的第2级仪器网关5实现时间同步。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例2不同的是，所述N＝3，所述树杈仪器网关由3层仪器网关组成，所述3层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关4，所述3层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关5，所述3层仪器网关中的第3层仪器网关包括至少两个第3级仪器网关6，第1级仪器网关4为第2级仪器网关5的前1级仪器网关，第2级仪器网关5为第3级仪器网关6的前1级仪器网关，第1级仪器网关4通过以太网通信模块与主仪器网关3进行通信，第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关6由与该第3级仪器网关6连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关6通过以太网通信模块与网络仪器7进行通信。

实际安装使用中，网络仪器7的数量较大，通过主仪器网关3控制至少两个第1级仪器网关4同步，至少两个第1级仪器网关均与同一个主仪器网关3连接，实现第1层仪器网关与主仪器网关3的通信关联；第2层仪器网关由至少两个第2级仪器网关5组成，第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5连接的前1级仪器网关控制同步，即第2级仪器网关5由与该第2级仪器网关5直接连接的第1级仪器网关4控制同步，其中，第2层仪器网关是指每个第1级仪器网关4连接的全部的第2级仪器网关5，将全部的第2级仪器网关5视为第2层仪器网关，位于树杈仪器网关中的第2层；第3层仪器网关由至少两个第3级仪器网关6组成，第3级仪器网关6由与该第3级仪器网关6连接的前1级仪器网关控制同步，即第3级仪器网关6由与该第3级仪器网关6直接连接的第2级仪器网关5控制同步，其中，第3层仪器网关是指每个第2级仪器网关5连接的全部的第3级仪器网关6，将全部的第3级仪器网关6视为第2层仪器网关，位于树杈仪器网关中的第3层；按照实际区域，多个网络仪器7按照就近原则与第3级仪器网关6连接，由于第1层仪器网关、第2层仪器网关和第3层仪器网关的时间被先后同步，多个网络仪器7通过与其连接的第3级仪器网关6实现时间同步。

需要说明的是，除过全部的第1级仪器网关4均与主仪器网关3连接外，树杈仪器网关中的其他层仪器网关均按照实际区域，按照就近原则与其前1层仪器网关中的一个前1级仪器网关连接，实现仪器网关分部的优化，为主仪器网关3分担数据传输量，增加数据传输的吞吐率，避免成为如图1所示的现有技术采用的时间同步系统的结构，导致数据传输等待时间延长，便于多个网络仪器7的灵活分部。

实际使用中，可根据现场网络仪器7的数量、分布情况以及对于时间同步要求的精度可提升树杈仪器网关级数，按照实施1至实施3所述的连接关系递推N>3时所述树杈仪器网关的结构，实现网络仪器7的时间同步。

本发明的网络仪器用时间同步方法通过实施例4进行详细描述。

实施例4

如图6至图10所示的一种网络仪器用时间同步方法，包括以下步骤：

步骤一、主仪器网关的时间同步：采用GPS时间源2对主仪器网关3进行0.1μs级别的本地时间同步，实现容易，精度高；

步骤二、第i层仪器网关的时间同步：对第i层仪器网关中的每一个第i级仪器网关分别进行时间同步，且第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关的时间同步方法均相同；

对第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关进行本地时间同步校准时，过程如下：

步骤201、将与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关的时钟作为主时钟，与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关为主时钟设备，该任意一个第i级仪器网关的时钟作为从时钟，该任意一个第i级仪器网关为从时钟设备，所述主时钟设备生成时间同步请求帧TS_req，并向与所述主时钟设备连接的所述从时钟设备定时发送，同时所述主时钟设备记录每个时间同步请求帧TS_req的编号和准确发送时间T₁，所述准确发送时间T₁是指刚好发送完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻；

需要说明的是，所述主时钟设备生成的时间同步请求帧TS_req中不包含发送时间，由于准确发送时间T₁是指刚好发送完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻，若将发送时间包含入时间同步请求帧TS_req中，明显向从时钟设备发送了一个具有时间延时的发送时间，给所述从时钟设备带来时间同步误差；另外，在所述主时钟设备定时发送完时间同步请求帧TS_req后，所述主时钟设备记录时间同步请求帧TS_req的准确发送时间T₁。

步骤202、所述从时钟设备接收来自所述主时钟设备发送的时间同步请求帧TS_req后，记录准确接收时间T₂并提取时间同步请求帧TS_req的编号字段，然后生成时间同步应答帧TS_resp并向所述主时钟设备回送，同时记录时间同步应答帧TS_resp的准确回发时间T₃，所述准确接收时间T₂是指刚好接收完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻，所述准确回发时间T₃是指刚好回发完时间同步应答帧TS_resp的所有字节的时刻；

需要说明的是，所述从时钟设备生成的时间同步应答帧TS_resp中不包含任何时间戳信息，所述从时钟设备可记录时间同步请求帧TS_req的准确接收时间T₂，同时，所述从时钟设备可记录时间同步应答帧TS_resp的准确回发时间T₃，传输简单有效。

步骤203、所述主时钟设备接收所述从时钟设备回发来的时间同步应答帧TS_resp，记录准确回收时间T₄并提取时间同步应答帧TS_resp的编号字段，然后生成时间同步确认帧TS_ack并向所述从时钟设备发送，所述时间同步确认帧TS_ack中含有T₁和T₄的时间戳信息；

需要说明的是，所述主时钟设备可记录时间同步应答帧TS_resp的准确回收时间T₄，所述主时钟设备生成时间同步确认帧TS_ack将所述主时钟设备记录的时间同步请求帧TS_req的准确发送时间T₁和时间同步应答帧TS_resp的准确回收时间T₄发送至所述从时钟设备，由所述从时钟设备统一记录同步帧的时间戳。

步骤204、所述从时钟设备接收到时间同步确认帧TS_ack后，提取属于同一编号的T₁、T₂、T₃、T₄的时间戳信息，根据公式计算所述从时钟设备与所述主时钟设备之间的时间偏移ΔT；

需要说明的是，所述从时钟设备获取到属于同一编号的T₁、T₂、T₃、T₄的时间戳信息，时间同步请求帧TS_req的准确发送时间T₁、时间同步请求帧TS_req的准确接收时间T₂、时间同步应答帧TS_resp的准确回发时间T₃、时间同步应答帧TS_resp的准确回收时间T₄均为精度高的时刻，精简优化，因此，计算所述从时钟设备与所述主时钟设备之间的时间偏移ΔT具有更高的时间同步精度，可以达到亚微秒级的精准时间同步要求，实现方便。

步骤205、根据步骤204中的时间偏移ΔT，调整所述从时钟设备的本地时钟，实现所述从时钟设备的本地时间同步校准；

本实施例中，所述第i层仪器网关中的每一个第i级仪器网关均为主从模式仪器网关，所述树型仪器网关中的每个仪器网关均集成有网络路由器。

本实施例中，步骤二中所述主时钟设备和所述从时钟设备通过以太网通信模块进行通信；所述时间同步请求帧TS_req和所述时间同步确认帧TS_ack均通过所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步应答帧TS_resp通过所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步请求帧TS_req由标志Flag_qq和编号Num两个字段构成，所述时间同步应答帧TS_resp由标志Flag_yd和编号Num两个字段构成，所述时间同步确认帧TS_ack由标志Flag_qr、编号Num、时间戳T₁和时间戳T₄四个字段构成。

本实施例中，所述标志Flag_qq、所述标志Flag_yd、所述标志Flag_qr和所述编号Num的字段长度均为8bit，时间戳T₁、T₂、T₃和T₄的字段长度均为64bit。

需要说明的是，时间同步请求帧TS_req由标志Flag_qq和编号Num两个字段构成，时间同步应答帧TS_resp由标志Flag_yd和编号Num两个字段构成，在编号Num相同的条件下，所述标志Flag_qq和所述标志Flag_yd字段长度均为8bit是为了保证时间同步请求帧TS_req和时间同步应答帧TS_resp长度相同，进一步保证了这两种帧在主、从时钟设备之间的传播时延相同；同时，网络的对称性，即传输时延相同，也是NTP时间同步协议和PTP时间同步协议正常工作的前提。

需要说明的是，时间戳T₁、T₂、T₃和T₄的字段长度均为64bit，其中，时间戳从1900年1月1日0时0分0秒算起，以秒为单位，64bit中的32bit为秒的整数部分，64bit中的另外32bit为秒的小数部分，实现亚微妙级别的时间同步精度。

步骤三、N次重复步骤二，直至完成第N层仪器网关的时间同步过程；

步骤四、网络仪器的时间同步：首先，以第N级仪器网关的时钟作为主时钟，网络仪器7中的时钟作为从时钟，第N级仪器网关均支持NTP时间同步协议和PTP时间同步协议，网络仪器7支持NTP时间同步协议或PTP时间同步协议；然后，对网络仪器7进行时间同步，网络仪器7和与该网络仪器7连接的第N级仪器网关通过NTP时间同步协议或PTP时间同步协议实现时间同步，最终实现网络仪器7的时间同步。

本实施例中，采用网络仪器7支持的NTP时间同步协议或PTP时间同步协议对网络仪器的本地时间同步校准，对采用不同协议的网络仪器实现混合组网，保证现有仪器的正常使用，减少更换现有网络仪器带来的成本增大的问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：包括树型仪器网关、与所述树型仪器网关根节点连接的控制中心(1)、以及与所述树型仪器网关叶子节点连接的网络仪器(7)，所述树型仪器网关由位于所述树型仪器网关根节点位置处的主仪器网关(3)和与主仪器网关(3)连接的树杈仪器网关组成，所述树杈仪器网关由N层仪器网关组成，其中，N取正整数且N≥1，N层仪器网关中的第i层仪器网关包括至少两个第i级仪器网关，第i级仪器网关由与该第i级仪器网关连接的前1级仪器网关控制同步，i为正整数且i＝1，2，3，…，N；第N级仪器网关与网络仪器(7)进行通信，控制中心(1)通过以太网通信模块与主仪器网关(3)进行通信，主仪器网关(3)上连接有用于同步本地时钟的GPS时间源(2)。

2.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝1，所述树杈仪器网关由1层仪器网关组成，1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关(4)，主仪器网关(3)为第1级仪器网关(4)的前1级仪器网关，第1级仪器网关(4)通过以太网通信模块与主仪器网关(3)和网络仪器(7)均进行通信。

3.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝2，所述树杈仪器网关由2层仪器网关组成，所述2层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关(4)，所述2层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关(5)，第1级仪器网关(4)为第2级仪器网关(5)的前1级仪器网关，第1级仪器网关(4)通过以太网通信模块与主仪器网关(3)进行通信，第2级仪器网关(5)由与该第2级仪器网关(5)连接的前1级仪器网关控制同步，第2级仪器网关(5)通过以太网通信模块与网络仪器(7)进行通信。

4.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述N＝3，所述树杈仪器网关由3层仪器网关组成，所述3层仪器网关中的第1层仪器网关包括至少两个第1级仪器网关(4)，所述3层仪器网关中的第2层仪器网关包括至少两个第2级仪器网关(5)，所述3层仪器网关中的第3层仪器网关包括至少两个第3级仪器网关(6)，第1级仪器网关(4)为第2级仪器网关(5)的前1级仪器网关，第2级仪器网关(5)为第3级仪器网关(6)的前1级仪器网关，第1级仪器网关(4)通过以太网通信模块与主仪器网关(3)进行通信，第2级仪器网关(5)由与该第2级仪器网关(5)连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关(6)由与该第3级仪器网关(6)连接的前1级仪器网关控制同步，第3级仪器网关(6)通过以太网通信模块与网络仪器(7)进行通信。

5.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述主仪器网关(3)和所述树杈仪器网关均集成有网络路由器。

6.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述树杈仪器网关中的每个仪器网关均为主从模式仪器网关，主仪器网关(3)为主模式仪器网关，主仪器网关(3)和所述树杈仪器网关均集成有恒温晶振。

7.按照权利要求1所述的一种网络仪器用时间同步系统，其特征在于：所述网络仪器(7)为示波器、电压源或信号发生器。

8.一种利用如权利要求1所述系统进行网络仪器时间同步的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、主仪器网关的时间同步：采用GPS时间源(2)对主仪器网关(3)进行0.1μs级别的本地时间同步；

步骤二、第i层仪器网关的时间同步：对第i层仪器网关中的每一个第i级仪器网关分别进行时间同步，且第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关的时间同步方法均相同；

对第i层仪器网关中任意一个第i级仪器网关进行本地时间同步校准时，过程如下：

步骤201、将与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关的时钟作为主时钟，与该任意一个第i级仪器网关连接的前1级仪器网关为主时钟设备，该任意一个第i级仪器网关的时钟作为从时钟，该任意一个第i级仪器网关为从时钟设备，所述主时钟设备生成时间同步请求帧TS_req，并向与所述主时钟设备连接的所述从时钟设备定时发送，同时所述主时钟设备记录每个时间同步请求帧TS_req的编号和准确发送时间T₁，所述准确发送时间T₁是指刚好发送完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻；

步骤202、所述从时钟设备接收来自所述主时钟设备发送的时间同步请求帧TS_req后，记录准确接收时间T₂并提取时间同步请求帧TS_req的编号字段，然后生成时间同步应答帧TS_resp并向所述主时钟设备回送，同时记录时间同步应答帧TS_resp的准确回发时间T₃，所述准确接收时间T₂是指刚好接收完时间同步请求帧TS_req的所有字节的时刻，所述准确回发时间T₃是指刚好回发完时间同步应答帧TS_resp的所有字节的时刻；

步骤203、所述主时钟设备接收所述从时钟设备回发来的时间同步应答帧TS_resp，记录准确回收时间T₄并提取时间同步应答帧TS_resp的编号字段，然后生成时间同步确认帧TS_ack并向所述从时钟设备发送，所述时间同步确认帧TS_ack中含有T₁和T₄的时间戳信息；

步骤204、所述从时钟设备接收到时间同步确认帧TS_ack后，提取属于同一编号的T₁、T₂、T₃、T₄的时间戳信息，根据公式计算所述从时钟设备与所述主时钟设备之间的时间偏移ΔT；

步骤205、根据步骤204中的时间偏移ΔT，调整所述从时钟设备的本地时钟，实现所述从时钟设备的本地时间同步校准；

步骤三、N次重复步骤二，直至完成第N层仪器网关的时间同步过程；

步骤四、网络仪器的时间同步：首先，以第N级仪器网关的时钟作为主时钟，网络仪器(7)中的时钟作为从时钟，第N级仪器网关均支持NTP时间同步协议和PTP时间同步协议，网络仪器(7)支持NTP时间同步协议或PTP时间同步协议；然后，对网络仪器(7)进行时间同步，网络仪器(7)和与该网络仪器(7)连接的第N级仪器网关通过NTP时间同步协议或PTP时间同步协议实现时间同步，最终实现网络仪器(7)的时间同步。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤二中所述主时钟设备和所述从时钟设备通过以太网通信模块进行通信；所述时间同步请求帧TS_req和所述时间同步确认帧TS_ack均通过所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步应答帧TS_resp通过所述从时钟设备中以太网通信模块的数据链路层传送至所述主时钟设备中以太网通信模块的数据链路层，所述时间同步请求帧TS_req由标志Flag_qq和编号Num两个字段构成，所述时间同步应答帧TS_resp由标志Flag_yd和编号Num两个字段构成，所述时间同步确认帧TS_ack由标志Flag_qr、编号Num、时间戳T₁和时间戳T₄四个字段构成；

所述标志Flag_qq、所述标志Flag_yd、所述标志Flag_qr和所述编号Num的字段长度均为8bit，时间戳T₁、T₂、T₃和T₄的字段长度均为64bit。

10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：所述第i级仪器网关为主从模式仪器网关，主仪器网关(3)和所述树杈仪器网关均集成有网络路由器。