CN107147465A - 一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法，包括用于还原PCF帧发送顺序的固化模块、用于计算SM时钟偏差平均值的压缩模块和最优压缩点选择模块、用于校正本地时钟并生成新PCF帧的本地时钟模块、用于网络状态检测的团检测模块、用于协调各模块工作的状态机控制模块。其中，固化模块引入标识传输延迟的透明时钟和最大传输延迟还原各个PCF帧的发送顺序及时刻，解决时钟同步的滞后问题；压缩模块采用硬件方式实现三级流水动态压缩算法，提高时钟同步的计算精度与效率；采用成员数最多且最靠近接收窗口结束时刻的压缩点作为最优压缩点，保证网络中处于同步状态的节点都能被检测。

Description

一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法
技术领域
本发明属于时间触发网络领域，具体涉及一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法。
背景技术
作为高可靠、确定性的时间触发网络，交换机向网络中的各个节点发送同步信息，各个节点该同步信息调整本地时钟，达到与交换机同步，从而实现全网同步。因此，交换机时钟同步控制器及控制方法直接影响整个时间触发网络的同步效果。
集群耦合器单元和使时间触发网络中多个集群同步的方法(中国专利CN101512984)从理论上讲述了时间触发网络中集群同步的方法，未涉及具体实现；网络和时间触发网络中集群时钟同步的方法(中国专利CN101512944A)主要通过时钟对齐逻辑中更加精确的耦合单元时钟源增大或减小集群内时序的循环长度进行时钟同步；一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法(专利申请号CN105577310A)从软件层面的任务分区和调度实现时间触发网络的同步。相关专利成果暂时没有面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器及控制方法，能够应对时间触发网络的高可靠、实时性、确定性的应用需求。
为了达到上述目的，一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，包括接收PCF帧的固化模块，固化模块连接接收SM编号的压缩模块，压缩模块连接团检测模块、最优压缩点选择模块、状态机控制模块和本地时钟模块，状态机控制模块连接最优压缩点选择模块，本地时钟模块连接最优压缩点选择模块。
所述固化模块用于对接收到的PCF帧进行解析，抽取携带的发送时刻，计算透明时钟；再根据接收时刻和最大传输延迟，得到该PCF帧的固化点，并输出固化点和固化算法完成有效标识给压缩模块。
所述压缩模块用于当本地时钟达到任意一个固化点时刻时，产生有效标识，并根据SM编号进行固化点编码，并存储编码信息；在第一个固化点到达时刻，启动第一级压缩函数，开启观察窗口，在观察窗口内，不断读出固化点编码信息，进行固化点收集，直到窗口关闭，计算SM偏差平均值，得到压缩点；固化点到达之前，如果窗口关闭，在启动第二级压缩函数，得到第二个压缩点；同样的方法启动第三个压缩函数，得到第三个压缩点，并把三个压缩点时刻输出给最优压缩点选择模块。
所述最优压缩点选择模块用于根据寄存器配置的最大传输延迟、最大观察窗口、压缩计算时间，计算理想压缩点时刻，并以理想压缩点为中心，开启接收窗口，接收窗口的大小为一个时间精度；压缩模块输入的三个压缩点中，成员数据最多且最靠近接收窗口的压缩点为最优压缩点，最优压缩点与理想压缩点之间的差值为本地时钟校正值，并输出校正值、校正标识，最优压缩点成员值、整合周期号给本地时钟模块和团检测模块。
所述地时钟模块用于当状态机在同步/稳定同步状态，校正标识有效时对本地时钟进行校正，并根据本地时钟的计数值产生整合周期号和集群计数值，输出给压缩模块、最优压缩点选择模块和状态机控制模块；根据网络规划信息，产生TT帧每一条虚链路对应的接收窗口和发送窗口，输出有效标识；同时，根据最优压缩点成员值、整合周期号、最优压缩点，以及配置的新PCF帧发送延迟，生成新的PCF帧，并将有效数据和控制信息写入PCF帧发送队列。
所述团检测模块用于以理想压缩点为中心开启的接收窗口结束时刻，以及状态机在在同步/稳定同步状态进行同步团检测和异步团检测，并输出团检测成功标识、检测成功次数给压缩模块和状态机控制模块。
所述状态机控制模块用于根据本地时钟计数值、预先设定的等待超时值、团检测结果及其他控制信号，控制状态机的跳转，进行同步过程的启动和稳定同步，并输出状态信息给其他模块，协调各模块之间正常工作。
一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制方法，包括以下步骤：
步骤一，交换机接收到PCF帧后，通过固化模块进行固化，得到固化点，还原发送顺序，得到发送这些PCF帧的SM之间的时钟偏差，并将固化点传递给压缩模块；
步骤二，压缩模块根据SM编号对固化点进行编码并存储，并根据状态机控制模块的状态值，在第一个固化点到达时刻按照三级流水方式，启动不同的压缩函数，执行压缩算法，计算SM时钟偏差平均值，得到三个压缩点，并将压缩点信息传递给最优压缩点选择模块；
步骤三，最优压缩点选择模块根据预设值计算理想压缩点，开启接收窗口，对最优压缩点选择模块传递过来的压缩点信息在状态机控制模块的状态配合下进行最优选择，并计算出时钟校正值给本地时钟模块；
步骤四，当状态机控制模块处于同步/稳定同步状态时，本地时钟模块根据最优压缩点选择模块传递的时钟校正信息进行时钟校正，并根据本地时钟计数值产生整合周期号给团检测模块和最优压缩点选择模块，并生成新的PCF，将有效数据和控制信息写入外部PCF帧发送队列；
步骤五，团检测模块在状态机控制模块处于同步/稳定同步状态时，以压缩模块传递过来的理想压缩点为中心开启接收窗口，在接收窗口结束时进行同步/异步团检测，并将检测结果传递给状态机控制模块；
步骤六，状态机控制模块根据本地时钟模块、团检测模块和最优压缩点选择模块传递的整合周期号，检测结果等信息控制状态机的跳转，启动同步与稳定同步，并将同步结果传递给外部模块。
所述状态机控制模块的控制流程如下：
第一步，上电后，状态机处于整合状态，在整合状态接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到同步阈值，则跳转到同步状态，否则，跳转到非同步状态；
第二步，在非同步状态，接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到非同步到同步阈值，则跳转到同步状态，否则接收到CS帧或接收到CA帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到CA帧中继状态；
第三步，在CA帧中继状态等待CA帧中继时间超时，跳转到IN帧等待状态；
第四步，在IN帧等待状态时，IN帧等待时间超时，跳转到非同步状态，如果收到IN帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到同步状态；
第五步，在同步状态时，在同步到稳定同步使能情况下，连续num_unstable_cycles次没有检测到异步团，跳转到稳定状态，否则检测到异步团，跳转到整合状态；
第六步，在稳定状态时，连续检测到异步团的次数大于num_unstable_cycles时，跳转到整合状态。
所述num_unstable_cycles为预先设定值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中的固化模块，引入标识传输延迟的透明时钟和最大传输延迟还原各个PCF帧的发送顺序，能够真实还原各PCF帧的发送时刻，并解决时钟同步的滞后问题；
(2)本发明中的压缩模块采用硬件方式实现三级流水动态压缩算法，提高了时钟同步的计算精度与效率；
(3)采用成员数最多且最靠近接收窗口结束时刻的压缩点作为最优压缩点，保证网络中处于同步状态的节点都能被检测；
(4)同步团检测和异步团检测相结合的故障检测方式，提高网络的同步质量，便于故障隔离与恢复；
(5)使用最优压缩点对交换机的本地时钟进行修正，并生成携带时间信息和同步信息的新PCF帧广播给端系统，保证全网同步；
(6)使用状态机控制同步过程的启动与稳定同步，保证网络的同步可靠性与可恢复性。
附图说明
图1为本发明中控制器的控制框图；
图2为本发明中状态机控制模块的控制框图；
其中，1、固化模块；2、压缩模块；3、最优压缩点选择模块；4、本地时钟模块；5、团检测模块；6、状态机控制模块；7、整合状态；8、非同步状态；9、CA帧中继状态；10、IN帧等待状态；11、同步状态；12、稳定状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，包括接收PCF帧的固化模块1，固化模块1连接接收SM编号的压缩模块2，压缩模块2连接团检测模块5、最优压缩点选择模块3、状态机控制模块6和本地时钟模块4，状态机控制模块6连接最优压缩点选择模块3，本地时钟模块4连接最优压缩点选择模块3。
固化模块1用于对接收到的PCF帧进行解析，抽取携带的发送时刻，计算透明时钟；再根据接收时刻和最大传输延迟，得到该PCF帧的固化点，并输出固化点和固化算法完成有效标识给压缩模块2。
压缩模块2用于当本地时钟达到任意一个固化点时刻时，产生有效标识，并根据SM编号进行固化点编码，并存储编码信息；在第一个固化点到达时刻，启动第一级压缩函数，开启观察窗口，在观察窗口内，不断读出固化点编码信息，进行固化点收集，直到窗口关闭，计算SM偏差平均值，得到压缩点；固化点到达之前，如果窗口关闭，在启动第二级压缩函数，得到第二个压缩点；同样的方法启动第三个压缩函数，得到第三个压缩点，并把三个压缩点时刻输出给最优压缩点选择模块3。
最优压缩点选择模块3用于根据寄存器配置的最大传输延迟、最大观察窗口、压缩计算时间，计算理想压缩点时刻，并以理想压缩点为中心，开启接收窗口，接收窗口的大小为一个时间精度；压缩模块2输入的三个压缩点中，成员数据最多且最靠近接收窗口的压缩点为最优压缩点，最优压缩点与理想压缩点之间的差值为本地时钟校正值，并输出校正值、校正标识，最优压缩点成员值、整合周期号给本地时钟模块4和团检测模块5。
地时钟模块4用于当状态机在同步/稳定同步状态，校正标识有效时对本地时钟进行校正，并根据本地时钟的计数值产生整合周期号和集群计数值，输出给压缩模块2、最优压缩点选择模块3和状态机控制模块6；根据网络规划信息，产生TT帧每一条虚链路对应的接收窗口和发送窗口，输出有效标识；同时，根据最优压缩点成员值、整合周期号、最优压缩点，以及配置的新PCF帧发送延迟，生成新的PCF帧，并将有效数据和控制信息写入PCF帧发送队列。
团检测模块5用于以理想压缩点为中心开启的接收窗口结束时刻，以及状态机在在同步/稳定同步状态进行同步团检测和异步团检测，并输出团检测成功标识、检测成功次数给压缩模块2和状态机控制模块6。
状态机控制模块6用于根据本地时钟计数值、预先设定的等待超时值、团检测结果及其他控制信号，控制状态机的跳转，进行同步过程的启动和稳定同步，并输出状态信息给其他模块，协调各模块之间正常工作。
参见图1，一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制方法，包括以下步骤：
步骤一，交换机接收到PCF帧后，通过固化模块1进行固化，得到固化点，还原发送顺序，得到发送这些PCF帧的SM之间的时钟偏差，并将固化点传递给压缩模块2；
步骤二，压缩模块2根据SM编号对固化点进行编码并存储，并根据状态机控制模块6的状态值，在第一个固化点到达时刻按照三级流水方式，启动不同的压缩函数，执行压缩算法，计算SM时钟偏差平均值，得到三个压缩点，并将压缩点信息传递给最优压缩点选择模块3；
步骤三，最优压缩点选择模块3根据预设值计算理想压缩点，开启接收窗口，对最优压缩点选择模块3传递过来的压缩点信息在状态机控制模块6的状态配合下进行最优选择，并计算出时钟校正值给本地时钟模块4；
步骤四，当状态机控制模块6处于同步/稳定同步状态时，本地时钟模块4根据最优压缩点选择模块3传递的时钟校正信息进行时钟校正，并根据本地时钟计数值产生整合周期号给团检测模块5和最优压缩点选择模块3，并生成新的PCF，将有效数据和控制信息写入外部PCF帧发送队列；
步骤五，团检测模块5在状态机控制模块6处于同步/稳定同步状态时，以压缩模块2传递过来的理想压缩点为中心开启接收窗口，在接收窗口结束时进行同步/异步团检测，并将检测结果传递给状态机控制模块6；
步骤六，状态机控制模块6根据本地时钟模块4、团检测模块5和最优压缩点选择模块3传递的整合周期号，检测结果等信息控制状态机的跳转，启动同步与稳定同步，并将同步结果传递给外部模块。
参见图2，状态机控制模块6的控制流程如下：
第一步，上电后，状态机处于整合状态7，在整合状态7接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到同步阈值，则跳转到同步状态11，否则，跳转到非同步状态8；
第二步，在非同步状态8，接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到非同步到同步阈值，则跳转到同步状态11，否则接收到CS帧或接收到CA帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到CA帧中继状态9；
第三步，在CA帧中继状态9等待CA帧中继时间超时，跳转到IN帧等待状态10；
第四步，在IN帧等待状态10时，IN帧等待时间超时，跳转到非同步状态8，如果收到IN帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到同步状态11；
第五步，在同步状态11时，在同步到稳定同步使能情况下，连续num_unstable_cycles次没有检测到异步团，跳转到稳定状态12，否则检测到异步团，跳转到整合状态7；
第六步，在稳定状态12时，连续检测到异步团的次数大于num_unstable_cycles时，跳转到整合状态7。
num_unstable_cycles为预先设定值。
本发明用Verilog HDL语言对该控制器进行描述，仿真验证后，在Xilinx公司的FPGA器件上进行了原型验证和测试。测试结果表明本发明能够实现时间触发网络各个网络要素的同步，具有很好的可实施性。

Claims (10)

1.一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，包括接收PCF帧的固化模块(1)，固化模块(1)连接接收SM编号的压缩模块(2)，压缩模块(2)连接团检测模块(5)、最优压缩点选择模块(3)、状态机控制模块(6)和本地时钟模块(4)，状态机控制模块(6)连接最优压缩点选择模块(3)，本地时钟模块(4)连接最优压缩点选择模块(3)。
2.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述固化模块(1)用于对接收到的PCF帧进行解析，抽取携带的发送时刻，计算透明时钟；再根据接收时刻和最大传输延迟，得到该PCF帧的固化点，并输出固化点和固化算法完成有效标识给压缩模块(2)。
3.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述压缩模块(2)用于当本地时钟达到任意一个固化点时刻时，产生有效标识，并根据SM编号进行固化点编码，并存储编码信息；在第一个固化点到达时刻，启动第一级压缩函数，开启观察窗口，在观察窗口内，不断读出固化点编码信息，进行固化点收集，直到窗口关闭，计算SM偏差平均值，得到压缩点；固化点到达之前，如果窗口关闭，在启动第二级压缩函数，得到第二个压缩点；同样的方法启动第三个压缩函数，得到第三个压缩点，并把三个压缩点时刻输出给最优压缩点选择模块(3)。
4.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述最优压缩点选择模块(3)用于根据寄存器配置的最大传输延迟、最大观察窗口、压缩计算时间，计算理想压缩点时刻，并以理想压缩点为中心，开启接收窗口，接收窗口的大小为一个时间精度；压缩模块(2)输入的三个压缩点中，成员数据最多且最靠近接收窗口的压缩点为最优压缩点，最优压缩点与理想压缩点之间的差值为本地时钟校正值，并输出校正值、校正标识，最优压缩点成员值、整合周期号给本地时钟模块(4)和团检测模块(5)。
5.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述地时钟模块(4)用于当状态机在同步/稳定同步状态，校正标识有效时对本地时钟进行校正，并根据本地时钟的计数值产生整合周期号和集群计数值，输出给压缩模块(2)、最优压缩点选择模块(3)和状态机控制模块(6)；根据网络规划信息，产生TT帧每一条虚链路对应的接收窗口和发送窗口，输出有效标识；同时，根据最优压缩点成员值、整合周期号、最优压缩点，以及配置的新PCF帧发送延迟，生成新的PCF帧，并将有效数据和控制信息写入PCF帧发送队列。
6.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述团检测模块(5)用于以理想压缩点为中心开启的接收窗口结束时刻，以及状态机在在同步/稳定同步状态进行同步团检测和异步团检测，并输出团检测成功标识、检测成功次数给压缩模块(2)和状态机控制模块(6)。
7.根据权利要求1所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制器，其特征在于，所述状态机控制模块(6)用于根据本地时钟计数值、预先设定的等待超时值、团检测结果及其他控制信号，控制状态机的跳转，进行同步过程的启动和稳定同步，并输出状态信息给其他模块，协调各模块之间正常工作。
8.一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，交换机接收到PCF帧后，通过固化模块(1)进行固化，得到固化点，还原发送顺序，得到发送这些PCF帧的SM之间的时钟偏差，并将固化点传递给压缩模块(2)；
步骤二，压缩模块(2)根据SM编号对固化点进行编码并存储，并根据状态机控制模块(6)的状态值，在第一个固化点到达时刻按照三级流水方式，启动不同的压缩函数，执行压缩算法，计算SM时钟偏差平均值，得到三个压缩点，并将压缩点信息传递给最优压缩点选择模块(3)；
步骤三，最优压缩点选择模块(3)根据预设值计算理想压缩点，开启接收窗口，对最优压缩点选择模块(3)传递过来的压缩点信息在状态机控制模块(6)的状态配合下进行最优选择，并计算出时钟校正值给本地时钟模块(4)；
步骤四，当状态机控制模块(6)处于同步/稳定同步状态时，本地时钟模块(4)根据最优压缩点选择模块(3)传递的时钟校正信息进行时钟校正，并根据本地时钟计数值产生整合周期号给团检测模块(5)和最优压缩点选择模块(3)，并生成新的PCF，将有效数据和控制信息写入外部PCF帧发送队列；
步骤五，团检测模块(5)在状态机控制模块(6)处于同步/稳定同步状态时，以压缩模块(2)传递过来的理想压缩点为中心开启接收窗口，在接收窗口结束时进行同步/异步团检测，并将检测结果传递给状态机控制模块(6)；
步骤六，状态机控制模块(6)根据本地时钟模块(4)、团检测模块(5)和最优压缩点选择模块(3)传递的整合周期号，检测结果等信息控制状态机的跳转，启动同步与稳定同步，并将同步结果传递给外部模块。
9.根据权利要求8所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制方法，其特征在于，所述状态机控制模块(6)的控制流程如下：
第一步，上电后，状态机处于整合状态(7)，在整合状态(7)接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到同步阈值，则跳转到同步状态(11)，否则，跳转到非同步状态(8)；
第二步，在非同步状态(8)，接收到IN类型的PCF帧且同步成员个数达到非同步到同步阈值，则跳转到同步状态(11)，否则接收到CS帧或接收到CA帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到CA帧中继状态(9)；
第三步，在CA帧中继状态(9)等待CA帧中继时间超时，跳转到IN帧等待状态(10)；
第四步，在IN帧等待状态(10)时，IN帧等待时间超时，跳转到非同步状态(8)，如果收到IN帧且同步成员个数大于同步阈值，跳转到同步状态(11)；
第五步，在同步状态(11)时，在同步到稳定同步使能情况下，连续num_unstable_cycles次没有检测到异步团，跳转到稳定状态(12)，否则检测到异步团，跳转到整合状态(7)；
第六步，在稳定状态(12)时，连续检测到异步团的次数大于num_unstable_cycles时，跳转到整合状态(7)。
10.根据权利要求9所述的一种面向时间触发网络的交换机时钟同步控制方法，其特征在于，所述num_unstable_cycles为预先设定值。
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