CN107483134B - 一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置及方法，包括网关节点，网关节点包括主网协议控制单元，主网协议控制单元、跨网时钟同步单元和子网协议控制单元单向通信连接；主网协议控制单元、跨网通信调度单元和子网协议控制单元双向通信连接；所述主网协议控制单元与主网网络双向通信连接；所述子网协议控制单元与子网网络双向通信连接。通过设计耦合不同网络的网关节点，实现不同网络之间的跨网时钟同步和跨网时间触发通信；具体的该通信装置能够耦合TTE和FlexRay的网关节点，实现TTE和FlexRay的跨网时钟同步和跨网时间触发通信。

Description

一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置及方法

技术领域

本发明属于不同网络间的通信技术领域，涉及不同类型时间触发网络的跨网时钟同步技术；具体涉及一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，还涉及一种不同网络之间的跨网时钟同步通信方法。

背景技术

TTE和FlexRay均具有亚微秒级时钟同步和时间触发通信能力。TTE和FlexRay在网络时钟同步机制上都采用分布式时钟同步，其中TTE的网络时钟同步可参看SAE AS6802协议，FlexRay的网络时钟同步可参看FlexRay Communication System ProtocolSpecification Version2.1协议，TTE和FlexRay网络节点周期性交互同步信息获取本地时钟与其它节点时钟的偏差，从而进行本地时钟的修正，维持网络同步。TTE和FlexRay在数据通信中均采用了时间触发通信机制，TTE引入虚链路VLID的概念，通过VLID标识普通以太网数据帧，并为不同VLID的帧分配全网无冲突的传输时槽，从而实现标准以太网数据的时间触发通信(简称TT)；FlexRay中静态通信段能够实现时间触发通信，静态帧通过周期Cycle和ID进行标识，Cycle和ID指定了相应静态帧的无冲突的传输时槽，从而实现时间触发通信。

FlexRay拓扑结构多为总线型、星型等，适用于节点数量有限的局部网络，TTE具有以太网组网灵活的特点，多适用于大型交换式网络，基于二者具有的高精度时钟同步能力和时间触发通信能力，构建一种TTE为主网、FlexRay为子网的TTE-FlexRay网络，该网络能够为大型强实时通信系统提供灵活的组网支持。

TTE-FlexRay需要网关实现TTE和FlexRay间的时钟同步，并在此基础上实现TTE和FlexRay间的时间触发通信。普通网关设计能够实现跨网数据的解析、重组，实现普通数据的跨网传输等工作，但难以实现跨网时钟同步，和两个不同网络之间时间触发通信。

发明内容

本发明提供了一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置；通过设计耦合不同网络的网关节点，实现不同网络之间的跨网时钟同步和跨网时间触发通信；具体的该通信装置能够耦合TTE和FlexRay的网关节点，实现TTE和FlexRay的跨网时钟同步和跨网时间触发通信。

本发明还提供了一种不同网络之间的跨网时钟同步通信方法；该方法能够实现两种不同网络之间的跨网时钟同步和跨网时间触发通信。

本发明的技术方案是：一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，包括网关节点，网关节点包括主网协议控制单元，主网协议控制单元、跨网时钟同步单元和子网协议控制单元单向通信连接；主网协议控制单元、跨网通信调度单元和子网协议控制单元双向通信连接；所述主网协议控制单元与主网网络双向通信连接；所述子网协议控制单元与子网网络双向通信连接。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中主网网络为TTE网络，主网协议控制单元为TTE协议控制单元。

其中子网网络为FlexRay网络，子网协议控制单元为FlexRay协议控制单元。

其中子网至主网映射结构中包括子网触发通信通道与主网触发通信通道之间的映射关系为一对一和/或多对一。

其中主网至子网映射结构中包括子网触发通信通道与主网触发通信通道之间的映射关系为一对一和/或多对一。

其中两个或两个以上的网关节点并行连接在主网网络和子网网络之间。

本发明的另一技术方案是：一种不同网络之间的跨网时钟同步通信方法，包括跨网时钟同步和跨网时间触发通信；所述跨网时钟同步包括同步启动阶段和同步保持阶段；同步启动阶段中首先启动主网网络的时钟同步，在主网网络达到稳定时钟同步状态后，对子网网络进行唤醒；同步保持阶段中主网网络和子网网络保持与本地时钟的一致；所述跨网时间触发通信包括数据跨网和通信跨网；数据跨网包括主网网络和子网网络的静态帧的识别、解析和重组；通信跨网包括主网时槽和子网时槽的映射关系。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中主网网络为TTE网络，子网网络为FlexRay网络。

其中跨网时钟同步中，主网协议控制单元为同步主节点或同步客户端，子网协议控制单元为同步节点。

其中通信跨网中主网时槽和子网时槽的映射关系包括主网网络至子网网络和子网网络至主网网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的装置实现跨网数据传输的同时，还能够实现跨网时钟同步和不同网络之间的时间触发通信。并且提供了使用TTE网络作为主网网络，FlexRay网络作为子网网络的网络拓扑结构，通过耦合TTE和FlexRay的网关节点，实现TTE和FlexRay的跨网时钟同步和跨网时间触发通信。

本发明的有益效果还在于：提供了不同网络之间实现跨网时钟同步和跨网时间触发通信的方法，该方法主要实现了TTE和FlexRay的跨网时钟同步和跨网时间触发通信。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的网络拓扑示意图；

图3为本发明中FlexRay至TTE的时槽映射关系图；

图4为本发明中TTE至FlexRay的时槽映射关系图。

图中：1为网关节点；2为主网网络；3为子网网络；4为跨网时钟同步单元；5为跨网通信调度单元；6为主网协议控制单元；7为子网协议控制单元；8为子网至主网映射结构；9为主网至子网映射结构；10为子网触发通信通道；11为主网触发通信通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，如图1所示，该装置主要为网关节点1，网关节点1包括主网协议控制单元6，主网协议控制单元6、跨网时钟同步单元4和子网协议控制单元7单向通信连接；主网协议控制单元6、跨网通信调度单元5和子网协议控制单元7双向通信连接；所述主网协议控制单元6与主网网络2双向通信连接；所述子网协议控制单元7与子网网络3双向通信连接。

如图2所示，在主网网络2和子网网络3之间并行连接至少2个网关节点。

本发明中主网网络2为TTE网络，相应的主网协议控制单元6为TTE协议控制单元；子网网络3为FlexRay网络，相应的子网协议控制单元7为FlexRay协议控制单元。

该技术方案的具体实施过程是：网关节点1包括FlexRay协议控制单元、TTE协议控制单元、跨网时钟同步单元4和跨网通信调度单元5，其中FlexRay协议控制单元实现网关节点作为FlexRay网络节点的功能，TTE协议控制单元实现节点作为TTE网络节点的功能，跨网时钟同步单元4控制实现TTE和FlexRay间的时钟同步，跨网通信调度单元5控制实现TTE和FlexRay间的数据跨网和通信跨网。

在本发明实现跨网时钟同步的过程中：网关节点1中TTE协议控制单元设置为同步主节点或同步客户端，FlexRay协议控制单元需设置为同步节点，包括冷启动节点和普通同步节点。FlexRay完成冷启动需要最少两个冷启动节点，因此网关节点1需要两个或两个以上。

TTE-FlexRay实现跨网时钟同步要求TTE和FlexRay具有同样的同步消息通信周期，即TTE的整合周期长度与FlexRay的周期长度相等，在同步过程中，TTE为同步主网，FlexRay为同步子网，网关节点中FlexRay以TTE同步修正的本地时钟为准。在网络同步的启动阶段和保持阶段，跨网时钟同步单元将参与、控制FlexRay以TTE的时钟同步。

在同步启动阶段：首先TTE时钟同步，经过启动流程后，当跨网时钟同步单元4检测到TTE达到“稳定时钟同步”状态时，对FlexRay协议控制单元进行外部唤醒。使FlexRay在TTE进入“稳定时钟同步”状态后第一个周期开始同步唤醒，唤醒流程与普通FlexRay唤醒流程一致。唤醒完成后进行冷启动，由于冷启动节点均为网关节点，而网关节点1通过TTE时钟同步已建立了稳定同步的本地时钟，FlexRay冷启动可以基于网关节点1中同步的本地时钟，因此冷启动时不再区分主冷启动节点和从冷启动节点，所有冷启动节点在跨网时钟同步单元的控制下连续发送四个周期的启动帧，启动FlexRay网络中的其它节点，建立FlexRay的网络同步。FlexRay网络唤醒需占用一定时间，故在TTE进入“稳定时钟同步”状态后的5至6周期TTE-FlexRay建立时钟同步。

同步保持阶段：该阶段进行时钟偏差计算和修正。网关节点中，TTE和FlexRay二者需保持本地时钟的一致，TTE协议控制单元通过同步算法计算修正值，而后完成本地时钟修正，FlexRay协议控制单元不运行同步校正算法，通过跨网时钟修正单元获取TTE的时钟校正值，并使用该校正值完成本地时钟修正，保证FlexRay与TTE的时钟同步。由于FlexRay的时钟修正须避免影响正常通信，在其修正都在周期末尾的空闲段进行，跨网时钟修正单元会暂存本周期获取的TTE时钟校正值，供FlexRay在空闲段修正时钟使用。TTE的时钟修正以时钟周期为单位，FlexRay的修正以microtick为单位，故时钟修正单元获取TTE修正值后需要完成microtick的换算。

本发明中实现跨网时间触发通信的过程是：TTE-FlexRay进行跨网时间触发通信5需要实现数据跨网和通信跨网，数据跨网包括TT帧和FlexRay静态帧的识别、解析和重组，通信跨网包括TTE时槽和FlexRay时槽的映射，故本发明设计了跨网通信调度单元完成这些功能。跨网时间触发通信从方向上区分包括：从FlexRay至TTE，从TTE至FlexRay两类。跨网通信调度单元5通过数据帧中的跨网标志位识别跨网帧和非跨网帧，因此在FlexRay静态帧和TT帧中需增加跨网标志位。FlexRay静态帧第一位为保留字段(Reserved)，默认值为0，使用该字段作为跨网标志位，该字段为0指示非跨网帧，为1指示跨网帧。TT帧目标地址字段包括4Byte常量(Constant Field)，默认值为32’h03000000，使用该字段作为跨网标志位，为32’h03000000指示非跨网帧，为32’h83000000指示跨网帧。

跨网通信调度单元5完成跨网帧解析和重组，包括以下两个方向的帧解析和重组。

FlexRay至TTE：跨网通信调度单元5解析FlexRay静态帧，提取FlexRay数据负载段内容写入TT帧数据负载段，如数据长度不足17Byte，采用0填充。TT帧VLID域采用跨网数据调度单元通过映射获取的VLID，其余字段遵循普通TT组帧方式。

TTE至FlexRay：跨网通信调度单元解析TT帧，判断其数据负载长度，如数据长度超过254Byte则拆分为多个FlexRay数据帧，FlexRay的ID和Cycle域采用跨网数据调度单元通过映射获取的ID和Cycle号，其余字段遵循FlexRay组帧方式。

跨网数据调度单元5完成时间触发通信的跨网，该通信机制的原理是“时分多址”，即对通信数据划分特定的时槽进行传输，进而避免传输冲突。TTE和FlexRay中都有通信时槽，TTE通过VLID号实现TT帧和时槽的对应，FlexRay通过ID号和Cycle号实现静态帧和时槽的对应。跨网通信调度单元5通过对VLID和ID、Cycle的映射实现TTE和FlexRay的时槽映射，进而实现跨网时间触发通信。跨网通信调度单元5内的时槽映射单元完成FlexRay中ID号、Cycle号和TTE中VLID号的对应，ID、Cycle至VLID号的映射关系可为一对一、多对一，不允许为多对一；VLID至ID、Cycle号的映射关系可为一对一、多对一，不允许为多对一。

上述使用TTE网络作为主网，FlexRay网络作为子网的技术方案的拓扑图如图2所示：网关节点1，TTE网络作为主网网络2，FlexRay网络作为子网网络3。网关节点1集成了TTE协议控制单元作为主网协议控制单元6、FlexRay协议控制单元作为的子网协议控制单元7。网关节点1接入TTE网络和FlexRay网络。TTE网络和FlexRay网络通过2个或多个网关节点1进行数据交互、时槽映射等，实现跨网时间触发通信。TTE网络和FlexRay网络通过2个或多个网关节点1实现了跨网时钟同步。2个或多个网关节点1在TTE网络中承担同步主节点或同步客户端的角色，在FlexRay网络中承担冷启动节点的角色。2个或多个网关节点1启动TTE网络的时钟同步，并且在TTE网络时钟同步建立和保持的过程中，确保TTE网络的时钟与FlexRay网络的时钟保持一致。

网关节点1如图2所示：网关节点1通过TTE协议控制单元实现TTE端节点功能，通过FlexRay协议控制单元实现FlexRay端节点功能，跨网时钟同步单元4获取TTE协议控制单元的时钟同步状态，在进入“稳定时钟同步”状态后，控制启动跨网通信调度单元5建立网络时钟同步，在TTE协议控制单元和FlexRay协议控制单元均建立时钟同步后，跨网时钟同步单元4周期性获取TTE协议控制单元的时钟同步修正值，完成该时钟同步修正值与FlexRay同步修正单位microtick之间的转换，进而提供给FlexRay协议控制单元进行时钟修正。跨网通信调度单元5通过数据帧的跨网标志位识别跨网数据，并对跨网帧进行解析和重组，实现数据的跨网传输，通过对TT帧中VLID号和FlexRay静态帧的Cycle、ID号间的映射，实现TTE时槽和FlexRay时槽的映射，进而实现跨网时间触发通信。

TTE时槽和FlexRay时槽的映射关系如图3-4所示，子网至主网映射结构8具体为FlexRay至TTE的时槽映射关系，主网至子网映射结构9具体为TTE至FlexRay的时槽映射关系。10为子网触发通信通道，具体为FlexRay时间触发通信中使用不同Cycle和ID来规定的通信时槽，各Cycle和ID具有唯一性；11为主网触发通信通道，具体为TTE时间触发通信中使用不同VLID来规定的通信时槽，各VLID具有唯一性。在FlexRay至TTE的映射中，一对一映射，也可以是多对一映射；在TTE至FlexRay的映射中，可以是一对一映射，也可以是多对一映射。

Claims (8)

1.一种不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，包括网关节点(1)，网关节点(1)包括主网协议控制单元(6)，主网协议控制单元(6)、跨网时钟同步单元(4)和子网协议控制单元(7)单向通信连接；主网协议控制单元(6)、跨网通信调度单元(5)和子网协议控制单元(7)双向通信连接；所述主网协议控制单元(6)与主网网络(2)双向通信连接；所述子网协议控制单元(7)与子网网络(3)双向通信连接；

所述主网协议控制单元(6)为TTE协议控制单元，子网网络(3)为FlexRay网络，子网协议控制单元(7)为FlexRay协议控制单元；其中TTE协议控制单元实现网关节点(1)为TTE网络节点的功能；其中FlexRay协议控制单元实现网关节点(1)为FlexRay网络节点的功能；跨网时钟同步单元(4)控制实现TTE和FlexRay之间的时钟同步，跨网通信调度单元(5)控制实现TTE和FlexRay间的数据跨网和通信跨网。

2.根据权利要求1所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，所述主网网络(2)为TTE网络，主网协议控制单元(6)为TTE协议控制单元。

3.根据权利要求2所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，所述子网网络(3)为FlexRay网络，子网协议控制单元(7)为FlexRay协议控制单元。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，所述子网至主网映射结构(8)中包括子网触发通信通道(10)与主网触发通信通道(11)之间的映射关系为一对一和/或多对一。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，所述主网至子网映射结构(9)中包括子网触发通信通道(10)与主网触发通信通道(11)之间的映射关系为一对一和/或多对一。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信装置，其特征在于，两个或两个以上的网关节点(1)并行连接在主网网络(2)和子网网络(3)之间。

7.一种不同网络之间的跨网时钟同步通信方法，其特征在于，包括跨网时钟同步和跨网时间触发通信；

所述跨网时钟同步包括同步启动阶段和同步保持阶段；同步启动阶段中首先启动主网网络的时钟同步，在主网网络达到稳定时钟同步状态后，对子网网络进行唤醒；同步保持阶段中主网网络和子网网络保持与本地时钟的一致；

所述跨网时间触发通信包括数据跨网和通信跨网；数据跨网包括主网网络和子网网络的静态帧的识别、解析和重组；通信跨网包括主网时槽和子网时槽的映射关系；

所述跨网时钟同步中，主网协议控制单元为同步主节点或同步客户端，子网协议控制单元为同步节点；所述通信跨网中主网时槽和子网时槽的映射关系包括主网网络至子网网络和子网网络至主网网络。

8.根据权利要求7所述的不同网络之间的跨网时钟同步通信方法，其特征在于，所述主网网络为TTE网络，子网网络为FlexRay网络。