CN107342834B - 一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法 - Google Patents

一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，采用网络同步要素甄别算法对每个独立的通道进行同步报文分类，各通道并行执行算法，节约报文预处理时间开销；采用最优置换算法对每个独立的通道进行同类报文选优，存储最优报文的同步要素，最大限度节约存储资源；采用多通道平均算法进行修正值计算，自动识别当前通道数量，综合各通道最优同步要素计算得出精确的时钟修正值。

Description

一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法
技术领域
本发明属于同步网络时间触发通信领域，具体涉及一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法。
背景技术
时间触发通信是一种基于“时间触发”的同步网络解决方案，它具有高实时性、确定性、高可靠性等特点，能够满足航空航天领域安全关键系统的要求，适应分布式模块化航空航天电子架构的发展，具有广阔的市场前景。时钟修正算法为时间触发通信的核心内容。此类通信方式在实际使用中存在如下缺陷：一是无法满足网络通道数可配置的应用需求；二是同步精度在亚微秒级。
时间触发的通信系统以及用于同步启动双信道网络的方法(中国专利CN200480013834)基于双通道网络描述FlexRay、TTE等冗余同步网络的冷启动方式，提出本地时钟概念；一个全局精确时间和一个最大传输时间(中国专利CN201080033017)基于精确测量延时和实际传输时间偏差上的信息发送方式，构建多个系统元件的风力系统；网络和时间触发网络中集群时钟同步的方法(中国专利CN200780032958)基于FlexRay异构网络，通过通讯循环长度得到同步补偿参数，提出采用高精度中央节点提高速率修改效率的方法。一种基于M估计稳健回归的时间触发以太网时钟补偿方法(中国专利CN201610013741)采用新算法实现同步校正误差的精确计算，解决直接采用校正值补偿容易产生的时钟突变问题。
相关专利成果主要集中在时间触发网络同步算法实现上，并没有对多通道自适应以及同步精度性能进行提升，不能适应多通道网络、高同步精度系统需求。
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通信的多通道自适应时钟修正算法，在时间触发网络冷启动与同步过程中，进行时钟偏差检测、时钟修正，实现整网同步，提升同步精度，精度可达纳秒级,实现时间触发通信同步性能的大幅度提升，对各类交换式网络的时间同步具有借鉴意义。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，同步报文进入同步要素提取模块，同步要素提取模块还原与解析出发送节点携带的相关同步消息，交换节点根据收集到的一个或多个发送节点发出的同步报文进行整合，在网络中进行广播；
步骤二，同步要素甄别模块通过同步报文解析出的同步要素来甄别出该同步报文属于规划内报文还是规划外报文，对同步报文进行预处理，并发送至最优置换模块；
步骤三，最优置换模块提取出一次整合周期中的最优规划内报文，n通道节点同时并行执行n个最优置换算法，并发送至通道取平均模块；
步骤四，自动识别模块将识别当前通道的数量发送至通道取平均模块；
步骤五，通道取平均模块根据当前通道数量，再综合各通道最优同步要素计算得出精确的时钟修正值。
所述步骤一中，同步报文中解析出的同步要素包括整合周期IC、成员信息列表Mbs和固化点PermPit。
所述步骤二中，规划内报文在冷启动、重同步过程中用于计算时钟修正值，规划外报文在网络工作过程中进行同步检测与故障隔离。
所述步骤二中，同步要素甄别模块的具体工作方法如下：
101，判定固化点Permpit是否在规划接收窗口内，若否，则直接判定为规划外报文，若是，则进入步骤201；
201，判定是否在规划窗口起始点前，若是，则进入步骤301，若否，则进入步骤302；
301，判定报文整合周期IC是否等于本地整合周期IC，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
302，判定是否为跨界情况，若是，则进入步骤401，若否，则进入步骤402；
401，判定报文整合周期IC是否等于0，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
402，判定报文整合周期IC是否等于本地IC+1，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文。
所述步骤三中，最优置换算法根据成员信息列表Mbs与固化点PermPit进行计算，Mbs表征网络中已同步的个数，Mbs值越大标识该报文来源同步质量越佳；网络节点直接缓存第一个规划内报文的Mbs信息记为Mbs0，后续接收到的规划内报文首先进行Mbs大小比较，如果Mbs(n)>Mbs(n-1)，则直接丢弃前一个Mbs(n-1)值，将Mbsn值存入缓存，如果Mbs(n)<Mbs(n-1)，则直接丢弃Mbs(n)值，如果Mbs(n)＝Mbs(n-1)，则需要进行进一步判定，通过比较前一个PermPit0与新规划内报文的PermPitn与理想规划接收时刻的相对距离判定选取哪一个PermPit信息，与理想规划接收时刻越接近表示该同步报文的传输越符合预期。
所述步骤三中，缓存的最优Mbs与PermPit在每个整合周期零点时清零，在每个整合周期重新开始一次最优置换算法时，给出当前周期的最优PermPit值到下一级计算，同时提供一个计算完成信号CF标识当前周期最优PermPit值正常计算。
所述步骤四中，上级最优置换算法最多产生n个最优帧，最优PermPit与理想规划接收时刻的偏差即为各通道的时钟修正值，该值为正值或负值，时钟修正算法将最多计算出n个时钟校正值，将时钟校正值进行取平均计算；从接收窗口开始时，该算法开始工作，通过不间断检测n通道的计算完成信号CF，可实时检测多通道是否正常计算出最优PermPit，在一个整合周期内对CF有效次数进行计数m，在规划接收窗口结束点，调用除法器取平均，为保证时序综合后不是整体设计的最差路径，除法器计算耗时设定为15个时钟周期，使用公式：Clock_corr＝(Val0*(PermPit0-EpPit)+Val1*(PermPit1-EpPit)+…+Valn*(PermPitn-EpPit))/m，该公式中如果某通道r未计算出最优PermPitr，则Valr＝0，同时CFr＝0，m值不会计算入CFr值，从而达到多通道自适应；时钟修正时刻在规划接收窗口结束后的一段固定延时后进行，网络中各节点每个整合周期均会进行一次时钟修正，使全网逐步同步并在工作同步过程中随时维持同步。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的多通道自适应时钟修正算法由硬件实现，精度可达纳秒级别；
2、本发明中的多通道自适应时钟修正算法适用于交换式网络；
3、本发明可工作在多通道冗余模式下，可自适应通道个数，应用范围广，可以满足系统的不同要求；
4、本发明中多通道自适应时钟修正算法工作由底层硬件完成，对用户透明，降低使用难度。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明同步要素甄别算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明涉及的时间触发通信的实时确定性数据通信是基于一个全局同步时钟进行的，各个设备在网络内周期性传递同步信息，同时各设备根据这些信息，采用一系列时钟同步技术计算出各设备时钟差异，修正本地时钟。在时间触发网络中定义一个集群周期与一个整合周期，集群周期指整个网络中循环的大周期，其值的设定依据各设备本地配置的整合周期，整合周期根据同步精度的要求设定，网络中各设备具备自己独立的整合周期，为达到整网周期可预知，集群周期通常配置为多个整合周期的最小公倍数。在同步信息传递过程中定义一个理想规划接收时刻(Expected Pit，简称EpPit)与一个规划接收窗口，通过网络的静态配置表规划，采用延时推算，可获得各设备同步报文的理想规划接收时刻，该时刻不受传输路径的影响，由于抖动或网络故障，可能造成同步报文的实际接收时刻不完全在理想规划接收时刻，因此定义一个规划接收窗口，在理想规划接收时刻两侧划出一片时间区域。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，同步报文进入同步要素提取模块，同步要素提取模块还原与解析出发送节点携带的相关同步消息，交换节点根据收集到的一个或多个发送节点发出的同步报文进行整合，在网络中进行广播，同步报文中解析出的同步要素包括整合周期IC(IntegrateCycle)、成员信息列表Mbs(Membership)和固化点PermPit(Permanence Pit)；
步骤二，同步要素甄别模块通过同步报文解析出的同步要素来甄别出该同步报文属于规划内报文还是规划外报文，对同步报文进行预处理，并发送至最优置换模块；
步骤三，最优置换模块提取出一次整合周期中的最优规划内报文，n通道节点同时并行执行n个最优置换算法，并发送至通道取平均模块，最优置换算法根据成员信息列表Mbs与固化点PermPit进行计算，Mbs表征网络中已同步的个数，Mbs值越大标识该报文来源同步质量越佳；网络节点直接缓存第一个规划内报文的Mbs信息记为Mbs0，后续接收到的规划内报文首先进行Mbs大小比较，如果Mbs(n)>Mbs(n-1)，则直接丢弃前一个Mbs(n-1)值，将Mbsn值存入缓存，如果Mbs(n)<Mbs(n-1)，则直接丢弃Mbs(n)值，如果Mbs(n)＝Mbs(n-1)，则需要进行进一步判定，通过比较前一个PermPit0与新规划内报文的PermPitn与理想规划接收时刻的相对距离判定选取哪一个PermPit信息，与理想规划接收时刻越接近表示该同步报文的传输越符合预期，缓存的最优Mbs与PermPit在每个整合周期零点时清零，在每个整合周期重新开始一次最优置换算法时，给出当前周期的最优PermPit值到下一级计算，同时提供一个计算完成信号CF标识当前周期最优PermPit值正常计算；
步骤四，自动识别模块将识别当前通道的数量发送至通道取平均模块，上级最优置换算法最多产生n个最优帧，最优PermPit与理想规划接收时刻的偏差即为各通道的时钟修正值，该值为正值或负值，时钟修正算法将最多计算出n个时钟校正值，将时钟校正值进行取平均计算；从接收窗口开始时，该算法开始工作，通过不间断检测n通道的计算完成信号CF，可实时检测多通道是否正常计算出最优PermPit，在一个整合周期内对CF有效次数进行计数m，在规划接收窗口结束点，调用除法器取平均，为保证时序综合后不是整体设计的最差路径，除法器计算耗时设定为15个时钟周期，使用公式：Clock_corr＝(Val0*(PermPit0-EpPit)+Val1*(PermPit1-EpPit)+…+Valn*(PermPitn-EpPit))/m，该公式中如果某通道r未计算出最优PermPitr，则Valr＝0，同时CFr＝0，m值不会计算入CFr值，从而达到多通道自适应；时钟修正时刻在规划接收窗口结束后的一段固定延时后进行，网络中各节点每个整合周期均会进行一次时钟修正，使全网逐步同步并在工作同步过程中随时维持同步；
步骤五，通道取平均模块根据当前通道数量，再综合各通道最优同步要素计算得出精确的时钟修正值。
规划内报文在冷启动、重同步过程中用于计算时钟修正值，规划外报文在网络工作过程中进行同步检测与故障隔离。
参见图2，同步要素甄别模块的具体工作方法如下：
101，判定固化点Permpit是否在规划接收窗口内，若否，则直接判定为规划外报文，若是，则进入步骤201；
201，判定是否在规划窗口起始点前，若是，则进入步骤301，若否，则进入步骤302；
301，判定报文整合周期IC是否等于本地整合周期IC，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
302，判定是否为跨界情况，若是，则进入步骤401，若否，则进入步骤402；
401，判定报文整合周期IC是否等于0，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
402，判定报文整合周期IC是否等于本地IC+1，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文。
实施例：
算法并行执行5个最优置换模块，针对1通道来说，同步要素提取模块将每一个新接收到的规划内报文的Mbs信息与Permpit信息提供给最优置换模块，根据本发明已论述的最优置换算法，缓存最优规划内报文的Permpit信息，该信息在每个整合周期内得出一次结果，并在整合周期零点处清零。2、3、5通道执行与1通道相同的工作，提供Permpit信息给通道取平均模块。4通道同样给下一模块提供信息，但由于未接收到报文，同步要素均为0,Val4＝0，Permpit4＝0。
自动识别模块通过CF信息，检测到1、2、3、5通道能够提供最优Permpit要素，本地进行自加，计算出CF＝4。将CF值提供给取平均模块。
通道取平均模块，利用最优置换模块给出的4个最优Permpit值与自动识别模块给出的当前有效通道数，使用公式
Clock_corr＝(Val0*(PermPit0-EpPit)+Val1*(PermPit1-EpPit)+…+Val5(PermPit5-EpPit))/m，进行计算得出时钟修正值，其中m＝4，Val4＝0，故4通道不参与取平均计算。
工作过程中4通道对方节点启动，4通道的同步要素提取模块、同步要素甄别模块、最优置换模块均开始工作并计算得出最优Permpit值。自动识别模块识别出当前共有5条通道正常工作，通道取平均模块公式中Val4＝1，m＝5，从而计算得出时钟修正值。同理，工作过程中若由于对方节点网络故障造成2、3通道接收不到同步报文，本发明中的时钟修正算法能够及时识别并计算出时钟修正值，进行时钟修正。
本发明作为时间触发通信的核心内容，为时间触发通信网络设计奠定了基础，填补了多通道自适应同步的算法空白，提高了普通时间触发通信的同步精度与可靠性，使用IP软核设计，具有强可移植性。通过以上三种算法的周期性流水线工作模式，不仅提高了网络拓扑灵活性、增加网络同步可靠性，而且提升了同步精度，精度可达纳秒级。

Claims (5)

1.一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，同步报文进入同步要素提取模块，同步要素提取模块还原与解析出发送节点携带的相关同步消息，交换节点根据收集到的一个或多个发送节点发出的同步报文进行整合，在网络中进行广播；
步骤二，同步要素甄别模块通过同步报文解析出的同步要素来甄别出该同步报文属于规划内报文还是规划外报文，对同步报文进行预处理，并发送至最优置换模块；同步要素甄别模块的具体工作方法如下：
101，判定固化点Permpit是否在规划接收窗口内，若否，则直接判定为规划外报文，若是，则进入步骤201；
201，判定是否在规划窗口起始点前，若是，则进入步骤301，若否，则进入步骤302；
301，判定报文整合周期IC是否等于本地整合周期IC，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
302，判定是否为跨界情况，若是，则进入步骤401，若否，则进入步骤402；
401，判定报文整合周期IC是否等于0，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
402，判定报文整合周期IC是否等于本地IC+1，若是，则判定为规划内报文，若否，则判定为规划外报文；
步骤三，最优置换模块提取出一次整合周期中的最优规划内报文，n通道节点同时并行执行n个最优置换算法，并发送至通道取平均模块；
步骤四，自动识别模块将识别当前通道的数量发送至通道取平均模块；
步骤五，通道取平均模块根据当前通道数量，再综合各通道最优同步要素计算得出精确的时钟修正值。
2.根据权利要求1所述的一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，其特征在于，所述步骤一中，同步报文中解析出的同步要素包括整合周期IC、成员信息列表Mbs和固化点PermPit。
3.根据权利要求1所述的一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，其特征在于，所述步骤二中，规划内报文在冷启动、重同步过程中用于计算时钟修正值，规划外报文在网络工作过程中进行同步检测与故障隔离。
4.根据权利要求1所述的一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，其特征在于，所述步骤三中，最优置换算法根据成员信息列表Mbs与固化点PermPit进行计算，Mbs表征网络中已同步的个数，Mbs值越大标识该报文来源同步质量越佳；网络节点直接缓存第一个规划内报文的Mbs信息记为Mbs0，后续接收到的规划内报文首先进行Mbs大小比较，如果Mbs(n)>Mbs(n-1)，则直接丢弃前一个Mbs(n-1)值，将Mbsn值存入缓存，如果Mbs(n)<Mbs(n-1)，则直接丢弃Mbs(n)值，如果Mbs(n)＝Mbs(n-1)，则需要进行进一步判定，通过比较前一个PermPit0与新规划内报文的PermPitn与理想规划接收时刻的相对距离判定选取哪一个PermPit信息，与理想规划接收时刻越接近表示该同步报文的传输越符合预期。
5.根据权利要求1所述的一种面向时间触发通信的多通道自适应时钟修正算法，其特征在于，所述步骤三中，缓存的最优Mbs与PermPit在每个整合周期零点时清零，在每个整合周期重新开始一次最优置换算法时，给出当前周期的最优PermPit值到下一级计算，同时提供一个计算完成信号CF标识当前周期最优PermPit值正常计算。
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