CN107636627A - 时刻同步装置、时刻同步系统及时刻同步方法 - Google Patents

Abstract

在时刻同步装置(300)中，接收部(310)从主装置(200)接收第1数据(401)。之后，发送部(320)将第2数据(402)发送至主装置(200)。校正部(340)对使用作为软件时钟的从时钟(301)而记录的第1数据(401)的接收时刻和第2数据(402)的发送时刻进行校正。同步部(350)至少根据从主装置(200)通知的第1数据(401)的发送时刻、通过校正部(340)校正后的第1数据(401)的接收时刻、通过校正部(340)校正后的第2数据(402)的发送时刻和从主装置(200)通知的第2数据(402)的接收时刻，计算主时钟(201)与从时钟(301)的时刻偏差即偏移(405)。

Description

时刻同步装置、时刻同步系统及时刻同步方法

技术领域

本发明涉及时刻同步装置、时刻同步系统及时刻同步方法。

背景技术

在PA(Process Automation)领域中，通过从封闭网络结构向开放网络结构的转换及新的信息技术的应用等，正在推进实现广域的智能通信。作为具体的例子，举出智能电网。在多个设备的测量及控制中，为了简化事件同步和数据相关性，寻求高精度的时刻同步。

在封闭网络结构中，诸如数十台这样的数量较少的设备的时刻是利用独有的时刻同步方式进行同步的。时刻同步精度的单位是微秒。为了提高时刻同步精度，时刻同步方式主要是基于硬件实现(implement)的。

作为在开放网络结构中可利用的时刻同步方式，IEEE(Institute of Electricaland Electronics Engineers)制定了利用以太网(注册商标)的时刻同步标准IEEE1588。在IEEE1588中，确定了通过经由网络对记录了时刻的同步帧进行发送、接收而使时刻取得同步的方法。IEEE1588的实现分为硬件实现(hardware-based implementation)和软件实现(software-based implementation)这2种。

在硬件实现的情况下，利用PHY的硬件时间戳功能对时刻进行记录(例如，参考专利文献1)，其中，该PHY进行OSI(Open Systems Interconnection)参考模型的物理层的处理。由此，时刻发送侧是将PHY发送同步帧时的时间戳作为发送时刻而记录，发送所记录的发送时刻。同样地，时刻接收侧是将PHY接收到同步帧时的时间戳作为接收时刻而记录，将所记录的接收时刻在应用程序中利用。时刻同步精度在理论上是1纳秒，但实际上是最高100纳秒左右。

在软件实现的情况下，利用应用程序的软件时间戳功能对时刻进行记录，其中，该应用程序进行OSI参考模型的应用层的处理。由此，时刻发送侧是将应用程序向下级处理指示了同步帧的发送时的时间戳作为发送时刻而记录，发送所记录的发送时刻。同样地，时刻接收侧是将从下级处理向应用程序通知了同步帧的接收时的时间戳作为接收时刻而记录，将所记录的接收时刻在应用程序中利用。时刻同步精度在最坏的情况下劣化至100毫秒左右。此外，软件实现下的时刻同步精度根据运行应用程序的OS(Operating System)及通信功能的层构造而大幅地变动。

专利文献1：日本特开2012-256965号公报

发明内容

在将系统从封闭网络结构变更至开放网络结构时，将该系统与其他的系统连接。从资产沿用的角度出发，想到在系统内部的时刻同步中继续利用原有的时刻同步方式，在与系统外部的时刻同步中利用IEEE1588。但是，在该情况下，需要与原有的时刻同步方式和IEEE1588双方相适配的终端。在新导入IEEE1588的情况下，如果采用硬件实现，则得到高时刻同步精度，但会花费高昂的成本。因此，从节约成本的角度出发，希望采用软件实现。

本发明的目的在于提高软件实现下的时刻同步方式的时刻同步精度。

本发明的一个方式涉及的时刻同步装置，具有：

接收部，其从具有主时钟的主装置接收第1数据；

发送部，其在由所述接收部接收到所述第1数据之后，将第2数据发送至所述主装置；

记录部，其使用作为软件时钟的从时钟，对所述接收部处的所述第1数据的接收时刻和所述发送部处的所述第2数据的发送时刻进行记录；

校正部，其对通过所述记录部记录的所述第1数据的接收时刻和所述第2数据的发送时刻进行校正；以及

同步部，其至少根据从所述主装置通知的在所述主装置处的所述第1数据的发送时刻、通过所述校正部校正后的所述第1数据的接收时刻、通过所述校正部校正后的所述第2数据的发送时刻和从所述主装置通知的在所述主装置处的所述第2数据的接收时刻，计算所述主时钟与所述从时钟的时刻偏差即偏移。

发明的效果

在本发明中，对使用软件时钟而记录的时刻进行校正，因此软件实现下的时刻同步方式的时刻同步精度提高。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的时刻同步系统的结构例的图。

图2是表示实施方式1涉及的主装置及时刻同步装置的结构的框图。

图3是表示实施方式1涉及的时刻同步系统的动作的流程图。

图4是表示实施方式1涉及的时刻同步系统的动作的流程图。

图5是表示实施方式1涉及的时刻同步系统的动作的流程图。

图6是表示实施方式1涉及的主装置及时刻同步装置的实现例的框图。

图7是表示实施方式1涉及的主装置及时刻同步装置之间的通信流程的时序图。

图8是表示实施方式2涉及的时刻同步系统的结构例的图。

图9是表示实施方式3涉及的时刻同步系统的结构例的图。

图10是表示本发明的实施方式涉及的时刻同步装置的硬件结构例的图。

具体实施方式

下面，使用附图，对本发明的实施方式进行说明。此外，在各图中对相同或相当的部分标注相同的标号。在实施方式的说明中，对于相同或相当的部分，适当地省略或简化其说明。

实施方式1.

在当前的软件实现下的时刻同步方式中，存在如前所述的时刻同步精度劣化这个课题。该课题的要因是软件时间戳的波动及实现时刻同步的终端的内部处理延迟的非对称性。在本实施方式中，通过对时刻的记录值进行校正，从而除去或抑制这些要因的至少一部分。

本实施方式通过软件实现而达成存在多台设备的分布式系统中的时刻同步。在本实施方式涉及的软件实现下的时刻同步方式中，利用了IEEE1588的原理。该时刻同步方式能够在存在于分布式系统的任意的终端中实现。安装于终端的OS是实时OS。时刻发送侧的终端是主终端，时刻接收侧的终端是从终端，是实施时刻同步的终端。

下面，依次对本实施方式涉及的系统的结构、本实施方式涉及的系统的动作、本实施方式的效果进行说明。

***结构的说明***

参考图1，对本实施方式涉及的系统即时刻同步系统100的结构例进行说明。

时刻同步系统100是分布式系统。时刻同步系统100具有：1台GM 110(GrandMaster)；多台PLC 120(Programmable Logic Controller)；以及多台现场设备130。

在本例子中，采用树形的网络拓扑。GM 110成为根部，作为根部的下级节点，至少3台PLC 120与GM 110连接。作为更下级的节点，连接至少1台PLC 120或至少3台现场设备130，构成子网络。

GM 110提供时刻基准。在GM 110与连接于GM 110的PLC 120之间的时刻同步中，应用第1时刻同步方式101。第1时刻同步方式101是本实施方式涉及的软件实现下的时刻同步方式，利用了IEEE1588的原理。对于第1时刻同步方式101下的时刻同步的流程，将在后面进行说明。

在各子网络内部的时刻同步中，应用第2时刻同步方式102。第2时刻同步方式102是各子网络的独有的时刻同步方式。对于第2时刻同步方式102下的时刻同步的流程，因为可以应用任意的流程，所以省略说明。

与GM 110连接的PLC 120适配于各子网络的第2时刻同步方式102，且适配于第1时刻同步方式101。

此外，与GM 110连接的PLC 120的台数及各子网络的结构能够适当地变更。PLC120也可以置换为NC(Numerical Controller)等其他种类的仪器。

参考图2，对本实施方式涉及的主装置200及时刻同步装置300的结构进行说明。

主装置200具有主时钟201。主时钟201不是硬件时钟而是软件时钟。硬件时钟是指搭载于硬件的时钟。硬件时钟在硬件时间戳功能中利用。软件时钟是指由软件管理的时钟。软件时钟在软件时间戳功能中利用。

主装置200具有发送部210、接收部220、记录部230、校正部240。

图1所示的GM 110是第1时刻同步方式101中的时刻发送侧的终端，相当于主装置200。

时刻同步装置300具有从时钟301。从时钟301与主时钟201相同地，不是硬件时钟而是软件时钟。

时刻同步装置300具有接收部310、发送部320、记录部330、校正部340、同步部350。

图1所示的与GM 110连接的PLC 120是第1时刻同步方式101中的时刻接收侧的终端，相当于时刻同步装置300。

主装置200和时刻同步装置300按照在下面进行说明的第1时刻同步方式101的通信流程，经由网络400而彼此发送、接收数据。由此，时刻同步装置300能够使从时钟301的时刻与主时钟201的时刻一致。

主装置200的发送部210将第1数据401发送至时刻同步装置300。

时刻同步装置300的接收部310从主装置200接收第1数据401。

时刻同步装置300的发送部320在由接收部310接收到第1数据401后，将第2数据402发送至主装置200。

主装置200的接收部220从时刻同步装置300接收第2数据402。

主装置200的记录部230使用主时钟201对发送部210处的第1数据401的发送时刻和接收部220处的第2数据402的接收时刻进行记录。

主装置200的校正部240对通过记录部230记录的第1数据401的发送时刻和第2数据402的接收时刻进行校正。

主装置200的发送部210将第3数据403和第4数据404发送至时刻同步装置300，该第3数据403用于至少对通过校正部240校正后的第1数据401的发送时刻进行通知，该第4数据404用于至少对通过校正部240校正后的第2数据402的接收时刻进行通知。由此，发送部210至少将通过校正部240校正后的第1数据401的发送时刻和第2数据402的接收时刻通知给时刻同步装置300。

时刻同步装置300的接收部310从主装置200接收第3数据403和第4数据404。

时刻同步装置300的记录部330使用从时钟301对接收部310处的第1数据401的接收时刻和发送部320处的第2数据402的发送时刻进行记录。

时刻同步装置300的校正部340对通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻和第2数据402的发送时刻进行校正。

时刻同步装置300的同步部350至少根据从主装置200通知的在主装置200处的第1数据401的发送时刻、通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻、通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻、从主装置200通知的在主装置200处的第2数据402的接收时刻，对偏移405进行计算。偏移405是主时钟201与从时钟301的时刻偏差。同步部350在计算偏移405时，参考通过接收部310接收到的第3数据403和第4数据404。即，同步部350根据通过接收部310接收到的第3数据403，得到主装置200处的第1数据401的发送时刻。同步部350根据通过接收部310接收到的第4数据404，得到主装置200处的第2数据402的接收时刻。

在本实施方式中，第3数据403是下述的数据，该数据不仅用于对由主装置200的校正部240校正后的第1数据401的发送时刻进行通知，还用于对由主装置200的记录部230记录的第1数据401的发送时刻进行通知。第4数据404是下述的数据，该数据不仅用于对通过校正部240校正后的第2数据402的接收时刻进行通知，还用于对通过记录部230记录的第2数据402的接收时刻进行通知。即，在本实施方式中，主装置200的发送部210还将通过记录部230记录的第1数据401的发送时刻和第2数据402的接收时刻通知给时刻同步装置300。因此，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，将通过主装置200的记录部230记录的第1数据401的发送时刻和通过主装置200的校正部240校正后的第1数据401的发送时刻双方作为从主装置200通知的在主装置200处的第1数据401的发送时刻使用。另外，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，将通过主装置200的记录部230记录的第2数据402的接收时刻和通过主装置200的校正部240校正后的第2数据402的接收时刻双方作为从主装置200通知的在主装置200处的第2数据402的接收时刻使用。

在本实施方式中，同步部350在计算偏移405时，不仅使用通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻，还使用通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻。另外，同步部350在计算偏移405时，不仅使用通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻，还使用通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻。

即，在本实施方式中，同步部350根据由主装置200记录的第1数据401的发送时刻、由主装置200校正后的第1数据401的发送时刻、通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻、通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻、通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻、通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻、由主装置200记录的第2数据402的接收时刻、由主装置200校正后的第2数据402的接收时刻，对偏移405进行计算。

具体地说，同步部350根据下述差值来计算偏移405，这些差值是：由主装置200记录的第1数据401的发送时刻和由主装置200校正后的第1数据401的发送时刻的合计，与通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻和通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻的合计之差；以及通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻和通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻的合计，与由主装置200记录的第2数据402的接收时刻和由主装置200校正后的第2数据402的接收时刻的合计之差。

此外，第3数据403也可以是仅用于对通过主装置200的记录部230记录的第1数据401的发送时刻进行通知的数据。第4数据404也可以是仅用于对通过记录部230记录的第2数据402的接收时刻进行通知的数据。因此，主装置200也可以不具有校正部240。

在主装置200不具有校正部240、或校正部240不对通过记录部230记录的第1数据401的发送时刻进行校正的情况下，也可以是时刻同步装置300的校正部340对从主装置200通知的在主装置200处的第1数据401的发送时刻进行校正。在该情况下，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，能够使用从主装置200通知的在主装置200处的第1数据401的发送时刻，且使用通过校正部340校正后的第1数据401的发送时刻。

在主装置200不具有校正部240、或校正部240不对通过记录部230记录的第2数据402的接收时刻进行校正的情况下，也可以是时刻同步装置300的校正部340对从主装置200通知的在主装置200处的第2数据402的接收时刻进行校正。在该情况下，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，能够使用从主装置200通知的在主装置200处的第2数据402的接收时刻，且使用通过校正部340校正后的第2数据402的接收时刻。

***动作的说明***

参考图3、图4及图5，对时刻同步系统100的动作进行说明。时刻同步系统100的动作相当于本实施方式涉及的时刻同步方法。

图3示出了与第1数据401的发送、接收关联的动作。在本实施方式中，反复进行第1数据401的发送、接收。

在步骤S11中，主装置200的发送部210将第1数据401反复发送至时刻同步装置300。

在步骤S12中，时刻同步装置300的接收部310从主装置200反复接收第1数据401。

在步骤S13中，在每次通过发送部210发送第1数据401时，主装置200的记录部230使用主时钟201对发送部210处的第1数据401的发送时刻进行记录。

在步骤S14中，在每次通过记录部230对第1数据401的发送时刻进行记录时，主装置200的校正部240生成随机数，使用所生成的随机数，计算通过记录部230记录的第1数据401的发送时刻的校正值。

在步骤S15中，主装置200的发送部210将用于对通过校正部240计算出的第1数据401的发送时刻的校正值进行通知的数据作为第3数据403发送至时刻同步装置300。

在步骤S16中，时刻同步装置300的接收部310从主装置200反复接收第3数据403。

在步骤S17中，在每次通过接收部310接收第1数据401时，时刻同步装置300的记录部330使用从时钟301对接收部310处的第1数据401的接收时刻进行记录。

在步骤S18中，在每次通过记录部330对第1数据401的接收时刻进行记录时，时刻同步装置300的校正部340生成随机数，使用所生成的随机数，计算通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻的校正值。

如在后面说明的那样，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，将通过校正部340计算出的第1数据401的接收时刻的校正值作为第1数据401的接收时刻使用。

图4示出了与第2数据402的发送、接收关联的动作。在本实施方式中，第2数据402的发送、接收也是反复进行的。

在步骤S21中，在每次通过接收部310接收第1数据401时，时刻同步装置300的发送部320将第2数据402发送至主装置200。

在步骤S22中，主装置200的接收部220从时刻同步装置300反复接收第2数据402。

在步骤S23中，在每次通过接收部220接收第2数据402时，主装置200的记录部230使用主时钟201对接收部220处的第2数据402的接收时刻进行记录。

在步骤S24中，在每次通过记录部230对第2数据402的接收时刻进行记录时，主装置200的校正部240生成随机数，使用所生成的随机数，计算通过记录部230记录的第2数据402的接收时刻的校正值。

在步骤S25中，主装置200的发送部210将用于对通过校正部240计算出的第2数据402的接收时刻的校正值进行通知的数据作为第4数据404发送至时刻同步装置300。

在步骤S26中，时刻同步装置300的接收部310从主装置200反复接收第4数据404。

在步骤S27中，在每次通过发送部320发送第2数据402时，时刻同步装置300的记录部330使用从时钟301对发送部320处的第2数据402的发送时刻进行记录。

在步骤S28中，在每次通过记录部330对第2数据402的发送时刻进行记录时，时刻同步装置300的校正部340生成随机数，使用所生成的随机数计算通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻的校正值。

如在后面说明的那样，时刻同步装置300的同步部350在计算偏移405时，将通过校正部340计算出的第2数据402的发送时刻的校正值作为第2数据402的发送时刻使用。

在本实施方式中，如上所述，反复进行一个一个地依次发送、接收第1数据401、第2数据402、第3数据403、第4数据404的通信流程。

图5示出了计算偏移405的动作。

在步骤S31中，在每次通过接收部220接收第1数据401时，时刻同步装置300的同步部350计算偏移405。即，同步部350针对一次通信流程而计算1个偏移405。

在步骤S32中，时刻同步装置300的同步部350对偏移405的多个计算值进行累积。即，同步部350对与大于或等于2次的通信流程对应的大于或等于2个偏移405进行累积。

在步骤S33中，时刻同步装置300的同步部350进行已累积的多个计算值的统计处理。同步部350与该统计处理的结果对应地对从时钟301的时刻进行调整。具体地说，同步部350将已累积的多个计算值的平均作为统计处理的结果使用，对从时钟301的时刻进行调整。由此，主时钟201的时刻与从时钟301的时刻同步。

在本实施方式中，如上所述，利用了IEEE1588的原理。即，将第1数据401、第2数据402、第3数据403、第4数据404作为同步帧而发送、接收。具体地说，将第1数据401作为Sync报文而发送、接收，将第2数据402作为Follow_Up报文而发送、接收，将第3数据403作为Delay_Req报文而发送、接收，将第4数据404作为Delay_Resp报文而发送、接收。

如果假设主装置200与时刻同步装置300之间单程的延迟是往返的延迟的一半，则将下述两个值的合计除以4所得的值成为单程的延迟，这两个值是：从通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻与通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻的合计中，减去由第3数据403通知的通过主装置200记录的第1数据401的发送时刻与通过主装置200校正后的第1数据401的发送时刻的合计所得的值；以及从由第4数据404通知的通过主装置200记录的第2数据402的接收时刻与通过主装置200校正后的第2数据402的接收时刻的合计中，减去通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻与通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻的合计所得的值。并且，从以下述方式计算出的两个值中的任一个中减去单程的延迟所得的值成为偏移405，这两个值是：从通过记录部330记录的第1数据401的接收时刻与通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻的合计中，减去通过主装置200记录的第1数据401的发送时刻与通过主装置200校正后的第1数据401的发送时刻的合计，将所得的值除以2；以及从通过主装置200记录的第2数据402的接收时刻与通过主装置200校正后的第2数据402的接收时刻的合计中，减去通过记录部330记录的第2数据402的发送时刻与通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻的合计，将所得的值除以2。

即，在将偏移405设为T_offset，将通过主装置200的记录部230记录的第1数据401的发送时刻设为T_m1，将T_m1的校正值设为T_m1’，将通过时刻同步装置300的记录部330记录的第1数据401的接收时刻设为T_s1，将T_s1的校正值设为T_s1’，将通过时刻同步装置300的记录部330记录的第2数据402的发送时刻设为T_s2，将T_s2的校正值设为T_s2’，将通过主装置200的记录部230记录的第2数据402的接收时刻设为T_m2，将T_m2的校正值设为T_m2’时，成为T_offset＝((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))/2－(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))+((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4＝(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))－((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4或T_offset＝((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’))/2－(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))+((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4＝﹣(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))－((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4。在步骤S31中，能够使用这样的计算公式求出偏移405。

此外，也可以将下述两个值的合计除以2所得的值视为单程的延迟，这两个值是：从通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻中，减去由第3数据403通知的第1数据401的发送时刻所得的值；以及从由第4数据404通知的第2数据402的接收时刻中，减去通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻所得的值。在该情况下，从下述的两个值中的任一个中减去单程的延迟所得的值成为偏移405，这两个值是：从通过校正部340校正后的第1数据401的接收时刻中，减去由第3数据403通知的第1数据401的发送时刻所得的值；以及从由第4数据404通知的第2数据402的接收时刻中，减去通过校正部340校正后的第2数据402的发送时刻所得的值。

即，在步骤S31中，也可以使用T_offset＝(T_s1’－T_m1’)－((T_s1’－T_m1’)+(T_m2’－T_s2’))/2＝((T_s1’－T_m1’)－(T_m2’－T_s2’))/2或T_offset＝(T_m2’－T_s2’)－((T_s1’－T_m1’)+(T_m2’－T_s2’))/2＝﹣((T_s1’－T_m1’)+(T_m2’－T_s2’))/2这样的计算公式求出偏移405。

参考图6，对主装置200及时刻同步装置300的实现例进行说明。

时刻同步装置300的接收部310及发送部320的功能是在PHY302及MAC 303(MediaAccess Control)实现的。PHY 302及MAC 303是内置于时刻同步装置300的硬件。具体地说，PHY 302是进行OSI参考模型的物理层的处理的芯片，MAC 303是进行OSI参考模型的数据链路层的处理的芯片。此外，PHY 302及MAC 303也可以集成于相同的芯片。

相同地，主装置200的发送部210及接收部220的功能也是在PHY 202及MAC 203实现的。PHY 202是进行物理层的处理的芯片，MAC 203是进行数据链路层的处理的芯片。

时刻同步装置300的记录部330的功能是在MAC驱动304实现的。MAC驱动304是搭载于时刻同步装置300的软件。具体地说，MAC驱动304是为了对MAC 303进行控制及操作而由OS 305利用的中间件。MAC驱动304具有使用从时钟301生成时间戳的软件时间戳功能。

相同地，主装置200的记录部230的功能也是在MAC驱动204实现的。MAC驱动204是为了对MAC 203进行控制及操作而由OS205利用的中间件。MAC驱动204具有使用主时钟201生成时间戳的软件时间戳功能。

时刻同步装置300的校正部340及同步部350的功能是在时刻同步应用306实现的。时刻同步应用306是搭载于时刻同步装置300的软件。具体地说，时刻同步应用306是与其他的应用307一起在OS 305之上运行的应用程序。时刻同步应用306对校正表308进行管理，该校正表308用于校正由MAC驱动304生成的时间戳的波动。

相同地，主装置200的校正部240的功能也是在时刻同步应用206实现的。时刻同步应用206是与其他的应用207一起在OS 205之上运行的应用程序。时刻同步应用206对校正表208进行管理，该校正表208用于校正由MAC驱动204生成的时间戳的波动。

就时刻同步而言，对时刻进行发送的主装置200与使时刻取得同步的时刻同步装置300具有相同的层构造。该层构造是与OS 205、305及时刻同步应用206、306对应的应用层、与MAC驱动204、304及MAC 203、303对应的数据链路层、与PHY 202、302对应的物理层这样的3层构造。这样，在本实施方式涉及的时刻同步协议中，是从应用层直接访问数据链路层，而不经由OSI参考模型的传输层及网络层。

参考图7，对图6所示的例子中的主装置200及时刻同步装置300的动作进行说明。

在主装置200将Sync报文作为同步帧而发送的步骤S41中，时刻同步应用206生成Sync报文即同步帧。时刻同步应用206不在该同步帧中储存时刻。OS 205如果检测出由时刻同步应用206生成了同步帧，则启动优先中断，将该同步帧比其他帧早地输入至MAC驱动204。MAC驱动204通过在同步帧被输入进来的时刻生成软件时间戳，从而记录同步帧的发送时刻T_m1。之后，MAC驱动204将同步帧输入至MAC 203。MAC 203通过PHY 202对同步帧进行发送。MAC驱动204将所记录的发送时刻T_m1反馈至时刻同步应用206。时刻同步应用206将由MAC驱动204反馈的发送时刻T_m1储存于校正表208的第一行的空着的列中的首列。时刻同步应用206生成遵循正态分布的随机数，将所生成的随机数储存于校正表208的第二行的相同的列。时刻同步应用206通过从储存于校正表208的第一行的发送时刻T_m1中减去储存于校正表208的第二行的随机数，从而对发送时刻T_m1的波动进行校正。时刻同步应用206将已校正的发送时刻T_m1’储存于校正表208的第三行的相同的列。此外，发送时刻T_m1也可以取代从发送时刻T_m1减去随机数而通过向发送时刻T_m1加上随机数等其他的方法进行校正。另外，将发送时刻T_m1、随机数、已校正的发送时刻T_m1’储存于校正表208的第几行的第几列是能够适当变更的。

在时刻同步装置300将Sync报文作为同步帧接收的步骤S51中，PHY 302从主装置200接收同步帧。PHY 302将接收到的同步帧输入至MAC 303。MAC驱动304通过在检测出同步帧已输入至MAC 303的时刻生成软件时间戳，从而记录同步帧的接收时刻T_s1。之后，MAC驱动304将所记录的接收时刻T_s1立即输入至时刻同步应用306。时刻同步应用306将由MAC驱动304输入的接收时刻T_s1储存于校正表308的第一行的空着的列中的首列。时刻同步应用306生成遵循正态分布的随机数，将所生成的随机数储存于校正表308的第二行的相同的列。时刻同步应用306通过从储存于校正表308的第一行的接收时刻T_s1中减去储存于校正表308的第二行的随机数，从而对接收时刻T_s1的波动进行校正。时刻同步应用306将已校正的接收时刻T_s1’储存于校正表308的第3行的相同的列。此外，接收时刻T_s1也可以取代从接收时刻T_s1中减去随机数而通过向接收时刻T_s1加上随机数等其他的方法进行校正。另外，将接收时刻T_s1、随机数、已校正的接收时刻T_s1’储存于校正表308的第几行的第几列是能够适当变更的。

在主装置200将Follow_Up报文作为同步帧而发送的步骤S42中，时刻同步应用206生成Follow_Up报文即同步帧。时刻同步应用206将在校正表208的第1行及第3行储存的校正前及已校正的发送时刻T_m1、T_m1’的组中的在最末列储存的校正前及已校正的发送时刻T_m1、T_m1’的组，即，将前一个Sync报文的校正前及已校正的发送时刻T_m1、T_m1’储存于该同步帧。OS 205如果检测出由时刻同步应用206生成了同步帧，则启动优先中断，将该同步帧比其他帧早地输入至MAC驱动204。MAC驱动204在同步帧被输入进来的时刻生成软件时间戳。但是，MAC驱动204仅仅是检测出同步帧是Follow_Up报文，将所生成的时间戳在缓冲区等保存一定时间，而不反馈至时刻同步应用206。之后，MAC驱动204将同步帧输入至MAC203。MAC 203通过PHY 202对同步帧进行发送。

在时刻同步装置300将Follow_Up报文作为同步帧而接收的步骤S52中，PHY 302从主装置200接收同步帧。PHY 302将接收到的同步帧输入至MAC 303。MAC驱动304在检测出同步帧已输入至MAC 303的时刻生成软件时间戳。但是，MAC驱动304仅仅是检测出同步帧是Follow_Up报文，将所生成的时间戳在缓冲区等保存一定时间，而不输入至时刻同步应用306。之后，MAC驱动304将同步帧经由OS 305输入至时刻同步应用306。时刻同步应用306检测出由MAC驱动304输入的同步帧是Follow_Up报文，提取储存于同步帧的校正前及已校正的发送时刻T_m1、T_m1’。

在时刻同步装置300将Delay_Req报文作为同步帧而发送的步骤S53中，时刻同步应用306生成Delay_Req报文即同步帧。时刻同步应用306不将时刻储存于该同步帧。OS 305如果检测出由时刻同步应用306生成了同步帧，则启动优先中断，将该同步帧比其他帧早地输入至MAC驱动304。MAC驱动304通过在同步帧被输入进来的时刻生成软件时间戳，从而记录同步帧的发送时刻T_s2。之后，MAC驱动304将同步帧输入至MAC 303。MAC 303通过PHY302对同步帧进行发送。MAC驱动304将所记录的发送时刻T_s2反馈至时刻同步应用306。时刻同步应用306将由MAC驱动304反馈的发送时刻T_s2储存于校正表308的第四行的空着的列中的首列。时刻同步应用306生成遵循正态分布的随机数，将所生成的随机数储存于校正表308的第五行的相同的列。时刻同步应用306通过从储存于校正表308的第4行的发送时刻T_s2中减去储存于校正表308的第五行的随机数，从而对发送时刻T_s2的波动进行校正。时刻同步应用306将已校正的发送时刻T_s2’储存于校正表308的第6行的相同的列。此外，发送时刻T_s2也可以取代从发送时刻T_s2中减去随机数而通过向发送时刻T_s2加上随机数等其他的方法进行校正。另外，将发送时刻T_s2、随机数、已校正的发送时刻T_s2’储存于校正表308的第几行的第几列是能够适当变更的。

在主装置200将Delay_Req报文作为同步帧而接收的步骤S43中，PHY 202从时刻同步装置300接收同步帧。PHY 202将接收到的同步帧输入至MAC 203。MAC驱动204通过在检测出同步帧已输入至MAC 203的时刻生成软件时间戳，从而记录同步帧的接收时刻T_m2。之后，MAC驱动204将所记录的接收时刻T_m2立即输入至时刻同步应用206。时刻同步应用206将由MAC驱动204输入的接收时刻T_m2储存于校正表208的第四行的空着的列中的首列。时刻同步应用206生成遵循正态分布的随机数，将所生成的随机数储存于校正表208的第五行的相同的列。时刻同步应用206通过从储存于校正表208的第四行的接收时刻T_m2中减去储存于校正表208的第五行的随机数，从而对接收时刻T_m2的波动进行校正。时刻同步应用206将已校正的接收时刻T_m2’储存于校正表208的第六行的相同的列。此外，接收时刻T_m2也可以取代从接收时刻T_m2中减去随机数而通过向接收时刻T_m2加上随机数等其他的方法进行校正。另外，将接收时刻T_m2、随机数、已校正的接收时刻T_m2’储存于校正表208的第几行的第几列是能够适当变更的。

在主装置200将Delay_Resp报文作为同步帧而发送的步骤S44中，时刻同步应用206生成Delay_Resp报文即同步帧。时刻同步应用206将在校正表208的第四行及第六行储存的校正前及已校正的接收时刻T_m1、T_m2’的组中的在最末列储存的校正前及已校正的接收时刻T_m1、T_m2’的组，即，将前一个Delay_Req报文的校正前及已校正的接收时刻T_m1、T_m2’储存于该同步帧。OS 205如果检测出由时刻同步应用206生成了同步帧，则启动优先中断，将该同步帧比其他帧早地输入至MAC驱动204。MAC驱动204在同步帧被输入进来的时刻生成软件时间戳。但是，MAC驱动204仅仅是检测出同步帧是Delay_Resp报文，将所生成的时间戳在缓冲区等保存一定时间，而不反馈至时刻同步应用206。之后，MAC驱动204将同步帧输入至MAC 203。MAC 203通过PHY 202对同步帧进行发送。

在时刻同步装置300将Delay_Resp报文作为同步帧而接收的步骤S54中，PHY 302从主装置200接收同步帧。PHY 302将接收到的同步帧输入至MAC 303。MAC驱动304在检测出同步帧已输入至MAC 303的时刻生成软件时间戳。但是，MAC驱动304仅仅是检测出同步帧是Delay_Resp报文，将所生成的时间戳在缓冲区等保存一定时间，而不输入至时刻同步应用306。之后，MAC驱动304将同步帧经由OS 305输入至时刻同步应用306。时刻同步应用306检测出由MAC驱动304输入的同步帧是Delay_Resp报文，提取储存于同步帧的校正前及已校正的接收时刻T_m1、T_m2’。

在步骤S54之后，时刻同步应用306使用在步骤S51中储存于校正表308的第一行及第三行的校正前及已校正的接收时刻T_s1、T_s1’、在步骤S52中提取出的校正前及已校正的发送时刻T_m1、T_m1’、在步骤S53中储存于校正表308的第四行及第六行的校正前及已校正的发送时刻T_s2、T_s2’、在步骤S54中提取出的校正前及已校正的接收时刻T_m2、T_m2’，计算偏移405。作为计算公式，如前所述，能够使用T_offset＝(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))－((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4、或T_offset＝﹣(((T_s1+T_s1’)－(T_m1+T_m1’))－((T_m2+T_m2’)－(T_s2+T_s2’)))/4，但也可以使用其他的公式。

随后，反复执行从步骤S41至步骤S44为止的流程和从步骤S51至步骤S54为止的流程。

***效果的说明***

在本实施方式中，对使用软件时钟而记录的时刻进行校正，因此软件实现下的时刻同步方式的时刻同步精度提高。

实施方式2.

对于本实施方式，主要对与实施方式1的差异进行说明。

参考图8对本实施方式涉及的时刻同步系统100的结构例进行说明。

在本例子中，采用了与图1所示的例子相同的树型的网络拓扑。

在实施方式1中，在所有的子网络内部的时刻同步中应用第2时刻同步方式102，但在本实施方式中，在一部分的子网络内部的时刻同步中应用第1时刻同步方式101。

因此，与GM 110连接的PLC 120中的一部分的PLC 120也是第1时刻同步方式101中的时刻发送侧的终端，相当于主装置200及时刻同步装置300双方。另外，与这一部分的PLC120连接的现场设备130是第1时刻同步方式101中的时刻接收侧的终端，相当于时刻同步装置300。

本实施方式涉及的主装置200及时刻同步装置300的结构及动作与实施方式1的相同。

实施方式3.

对于本实施方式，主要对与实施方式1的差异进行说明。

参考图9，对本实施方式涉及的时刻同步系统100的结构例进行说明。

在本例子中，部分地采用线型的网络拓扑。3台PLC 120与GM110串联连接。在这3台PLC 120的下级，连接有至少1台PLC 120或至少2台现场设备130，构成树型的子网络。

在GM 110与串联连接于GM 110的PLC 120之间的时刻同步中，应用第1时刻同步方式101。在与GM 110串联连接的PLC 120彼此的时刻同步中，也应用第1时刻同步方式101。

因此，与GM 110串联连接的PLC 120中的、中间的2台PLC 120也是第1时刻同步方式101中的时刻发送侧的终端，相当于主装置200及时刻同步装置300双方。这样，本实施方式是使主控功能分布于GM 110与2台PLC 120的方式。

此外，与GM 110串联连接的PLC 120中的、中间的2台PLC 120也可以不成为第1时刻同步方式101中的时刻发送侧的终端，仅单纯地对在GM 110与其他的PLC 120之间发送、接收的同步帧进行转发。在该情况下，中间的2台PLC 120仅相当于时刻同步装置300。这样，本实施方式能够变更为将主控功能集中于GM 110的方式。

本实施方式涉及的主装置200及时刻同步装置300的结构及动作与实施方式1的相同。

下面，参考图10，对本发明的实施方式涉及的时刻同步装置300的硬件结构例进行说明。

时刻同步装置300是计算机。时刻同步装置300具有诸如处理器901、辅助存储装置902、存储器903、通信装置904、输入接口905、显示器接口906之类的硬件。处理器901经由信号线910与其他的硬件连接，对上述其他的硬件进行控制。输入接口905与输入装置907连接。显示器接口906与显示器908连接。

处理器901是进行处理的IC(Integrated Circuit)。处理器901例如是CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)或GPU(GraphicsProcessing Unit)。

辅助存储装置902是ROM(Read Only Memory)、闪存或HDD(Hard Disk Drive)等记录媒介。

存储器903例如是RAM(Random Access Memory)。

通信装置904包含接收数据的接收器921及发送数据的发送器922。通信装置904例如是通信芯片或NIC(Network Interface Card)。

输入接口905是与输入装置907的线缆911连接的端口。输入接口905例如是USB(Universal Serial Bus)端子。

显示器接口906是与显示器908的线缆912连接的端口。显示器接口906例如是USB端子或HDMI(注册商标)(High Definition Multimedia Interface)端子。

输入装置907例如是鼠标、触控笔、键盘或触控板。

显示器908例如是LCD(Liquid Crystal Display)。

在辅助存储装置902中存储有实现诸如接收部310、发送部320、记录部330、校正部340、同步部350之类的“部”的功能的程序。该程序被载入至存储器903，被处理器901读入，由处理器901执行。辅助存储装置902也存储有OS。OS的至少一部分被载入至存储器903，处理器901一边执行OS一边执行实现“部”的功能的程序。

在图10中示出了1个处理器901，但时刻同步装置300也可以具有多个处理器901。并且，多个处理器901也可以协作而执行实现“部”的功能的程序。

表示“部”的处理的结果的信息、数据、信号值或变量值被存储于辅助存储装置902、存储器903或处理器901内的寄存器或缓存。

也可以通过“电路系统”提供“部”。另外，也可以将“部”换做“电路”、“工序”、“流程”或“处理”。“电路”及“电路系统”是不仅包含处理器901，还包含逻辑IC、GA(GateArray)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-ProgrammableGate Array)等其他种类的处理电路的概念。

此外，也能够将图10所示的硬件结构应用于本发明的实施方式涉及的主装置200中。

上面，对本发明的实施方式进行了说明，但也可以将这些实施方式中的几个组合而实施。或者，也可以部分地实施这些实施方式中的任一个或几个。例如，也可以仅采用在这些实施方式的说明中作为“部”来说明的要素中的任一个，还可以采用几个之间的任意的组合。此外，本发明不限定于这些实施方式，能够根据需要进行各种变更。

标号的说明

100时刻同步系统，101第1时刻同步方式，102第2时刻同步方式，110 GM，120 PLC，130现场设备，200主装置，201主时钟，202 PHY，203 MAC，204 MAC驱动，205 OS，206时刻同步应用，207其他的应用，208校正表，210发送部，220接收部，230记录部，240校正部，300时刻同步装置，301从时钟，302 PHY，303 MAC，304 MAC驱动，305OS，306时刻同步应用，307其他的应用，308校正表，310接收部，320发送部，330记录部，340校正部，350同步部，400网络，401第1数据，402第2数据，403第3数据，404第4数据，405偏移，901处理器，902辅助存储装置，903存储器，904通信装置，905输入接口，906显示器接口，907输入装置，908显示器，910信号线，911线缆，912线缆，921接收器，922发送器。

Claims (11)

1.一种时刻同步装置，其具有：

接收部，其从具有主时钟的主装置接收第1数据；

发送部，其在由所述接收部接收到所述第1数据之后，将第2数据发送至所述主装置；

记录部，其使用作为软件时钟的从时钟，对所述接收部处的所述第1数据的接收时刻和所述发送部处的所述第2数据的发送时刻进行记录；

校正部，其对通过所述记录部记录的所述第1数据的接收时刻和所述第2数据的发送时刻进行校正；以及

同步部，其至少根据从所述主装置通知的在所述主装置处的所述第1数据的发送时刻、通过所述校正部校正后的所述第1数据的接收时刻、通过所述校正部校正后的所述第2数据的发送时刻和从所述主装置通知的在所述主装置处的所述第2数据的接收时刻，计算所述主时钟与所述从时钟的时刻偏差即偏移。

2.根据权利要求1所述的时刻同步装置，其中，

所述接收部从所述主装置反复接收所述第1数据，

所述记录部在每次由所述接收部接收所述第1数据时，对所述接收部处的所述第1数据的接收时刻进行记录，

所述校正部在每次通过所述记录部对所述第1数据的接收时刻进行记录时，生成随机数，使用所生成的随机数，计算通过所述记录部记录的所述第1数据的接收时刻的校正值，

所述同步部在计算所述偏移时，将通过所述校正部计算出的所述第1数据的接收时刻的校正值作为所述第1数据的接收时刻使用。

3.根据权利要求2所述的时刻同步装置，其中，

所述发送部在每次由所述接收部接收所述第1数据时，将所述第2数据发送至所述主装置，

所述记录部在每次通过所述发送部发送所述第2数据时，对所述发送部处的所述第2数据的发送时刻进行记录，

所述校正部在每次通过所述记录部对所述第2数据的发送时刻进行记录时，生成随机数，使用所生成的随机数，计算通过所述记录部记录的所述第2数据的发送时刻的校正值，

所述同步部在计算所述偏移时，将通过所述校正部计算出的所述第2数据的发送时刻的校正值作为所述第2数据的发送时刻使用。

4.根据权利要求2或3所述的时刻同步装置，其中，

所述同步部在每次由所述接收部接收所述第1数据时，计算所述偏移，对所述偏移的多个计算值进行累积，进行所累积的多个计算值的统计处理，与所述统计处理的结果对应地，对所述从时钟的时刻进行调整。

5.根据权利要求4所述的时刻同步装置，其中，

所述同步部将所累积的多个计算值的平均作为所述统计处理的结果使用，对所述从时钟的时刻进行调整。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的时刻同步装置，其中，

所述接收部从所述主装置接收用于对所述主装置处的所述第1数据的发送时刻进行通知的第3数据和用于对所述主装置处的所述第2数据的接收时刻进行通知的第4数据，

所述同步部在计算所述偏移时，参考通过所述接收部接收到的所述第3数据和所述第4数据。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的时刻同步装置，其中，

所述同步部根据通过所述主装置记录的所述第1数据的发送时刻、通过所述主装置校正后的所述第1数据的发送时刻、通过所述记录部记录的所述第1数据的接收时刻、通过所述校正部校正后的所述第1数据的接收时刻、通过所述记录部记录的所述第2数据的发送时刻、通过所述校正部校正后的所述第2数据的发送时刻、通过所述主装置记录的所述第2数据的接收时刻和通过所述主装置校正后的所述第2数据的接收时刻，来计算所述偏移。

8.根据权利要求7所述的时刻同步装置，其中，

所述同步部根据下述差值来计算偏移，即：通过所述主装置记录的所述第1数据的发送时刻和通过所述主装置校正后的所述第1数据的发送时刻的合计，与通过所述记录部记录的所述第1数据的接收时刻和通过所述校正部校正后的所述第1数据的接收时刻的合计之差；以及通过所述记录部记录的所述第2数据的发送时刻和通过所述校正部校正后的所述第2数据的发送时刻的合计，与通过所述主装置记录的所述第2数据的接收时刻和通过所述主装置校正后的所述第2数据的接收时刻的合计之差。

9.一种时刻同步系统，其具有：

权利要求1至8中任一项所述的时刻同步装置；以及

主装置，其使用作为软件时钟的主时钟，对所述第1数据的发送时刻和所述第2数据的接收时刻进行记录，对所记录的所述第1数据的发送时刻和所述第2数据的接收时刻进行校正，至少将校正后的所述第1数据的发送时刻和所述第2数据的接收时刻通知给所述时刻同步装置。

10.根据权利要求9所述的时刻同步系统，其中，

所述主装置还将所记录的所述第1数据的发送时刻和所述第2数据的接收时刻通知给所述时刻同步装置。

11.一种时刻同步方法，其中，

具有主时钟的主装置发送第1数据，

具有作为软件时钟的从时钟的时刻同步装置接收所述第1数据，

所述时刻同步装置在接收到所述第1数据之后，发送第2数据，

所述主装置接收所述第2数据，

所述主装置对所述第1数据的发送时刻和所述第2数据的接收时刻进行通知，

所述时刻同步装置使用所述从时钟而对所述第1数据的接收时刻和所述第2数据的发送时刻进行记录，对所记录的所述第1数据的接收时刻和所述第2数据的发送时刻进行校正，至少根据从所述主装置通知的所述第1数据的发送时刻、校正后的所述第1数据的接收时刻、校正后的所述第2数据的发送时刻和从所述主装置通知的所述第2数据的接收时刻，来计算所述主时钟与所述从时钟的时刻偏差即偏移。