CN109150357A - 基于rs485和以太网的混合总线的时间同步方法 - Google Patents

基于rs485和以太网的混合总线的时间同步方法 Download PDF

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    • H04J3/06Synchronising arrangements
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    • H04J3/0638Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
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    • H04J3/0661Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps

Abstract

本发明公开了一种基于RS485和以太网的混合总线的时间同步方法,以太网节点之间形成星型拓扑网络,RS485节点与以太网节点形成链式拓扑网络,在星型拓扑网络完成时间同步后,RS485节点通过以下步骤与以太网节点进行同步:一、向以太网节点发送延迟请求信息包并记录发送时间;二、接收返回的延时响应包并记录接收时间;其中,延时响应包包含以太网节点接收到延迟请求信息包的时间和发送延时响应包的时间;三、计算网络延迟时间;四、在固定时间间隔接收以太网节点发送的同步信息包,根据同步信息包中包含的局部时间戳进行时钟修正。本发明实现了时间信息在不同拓扑之间的传递,有效解决混合总线的时钟同步问题。

Description

基于RS485和以太网的混合总线的时间同步方法
技术领域
本发明适用于基于RS485和以太网的混合总线结构的民用航空机载测试系统,为其提供了一种时间同步方法。实现了机载测试系统在混合总线架构下的同步授时,保证了测试数据时间戳的准确性。
本发明涉及飞行试验领域,飞行试验是航空装备及民用飞机研制过程中必不可少的重要组成环节,它是在真实飞行环境下对飞行器、机载设备或装备进行试验的过程,具有风险高、周期长、投入大、探索性强等特点,飞行试验的目的是验证理论和地面试验的结果,鉴定飞机的设计指标、适航和使用性能。
背景技术
随着集成化技术和高速串行总线技术的发展,分布式采集系统在航空领域得到了广泛应用,其中不乏基于并行总线与串行总线混合的采集系统,此类系统能够将多个信号采集单元通过一根线连接至数据汇聚节点,大量减少整个系统的线缆敷设数量,提高系统的可靠性,并适合在狭窄空间里进行安装和测试,但也存在串行链路过长、节点过多导致的同步效果差,跳与跳之间延迟较大,同步时戳易抖动。由于目前航空业常用以太网的测试架构,需要开发一种能与现有的以太网时钟同步方法兼容的混合总线同步方法。
传统的机载测试设备以太网同步方法为基于IEEE1588的PTP同步方法,在存在多级交换机及数据差错控制的情况下,取得了较好的效果,而对于机载测试设备采用混合总线的情况,即一级采用星型拓扑以太网、二级采用串行拓扑RS485总线时,以太网常采用NTP、SNTP、PTP等基于消息的同步,由于以太网采用星型拓扑,通过多条报文实现时间同步占用大量带宽,在带宽有限的RS485总线上不适用,且随着交换机级数增加,同步精度逐渐降低。RS485串行总线常用的同步方法为基于帧同步信号的硬线同步方法或基于同步消息的指令同步方法,缺点是不包含时间信息,无法与其他授时网络兼容,同步精度无法进一步提高且效率很低。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的发明目的在于提出一种基于RS485和以太网混合总线的时间同步方法,拥有统一的时间信息,仅通过一次延时测量即可,按照一定周期对各个RS485节点进行广播授时,且局部时戳精度可调,实现时间信息在不同拓扑之间的传递,有效解决混合总线的时钟同步问题。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现:
一种基于RS485和以太网的混合总线的时间同步方法,应用于由以太网节点和RS485节点组成的混合网络中,其中以太网节点作为一级网络节点,以太网节点与主节点之间形成星型拓扑网络,RS485节点作为二级网络节点,RS485节点与以太网节点形成链式拓扑网络,在星型拓扑网络完成时间同步后,RS485节点通过以下步骤与以太网节点进行同步:
步骤一、向以太网节点发送延迟请求信息包并记录延迟请求信息包的发送时间TS1;
步骤二、接收以太网节点返回的延时响应包并记录延时响应包的接收时间TS2;其中,延时响应包包含以太网节点接收到延迟请求信息包的时间TM1和发送延时响应包的时间TM2;
步骤三、计算网络延迟时间Delay:
Delay=((TS1-TM1)+(TM2-TS2))/2;
步骤四、在固定时间间隔接收以太网节点发送的同步信息包,根据同步信息包中包含的局部时间戳进行时钟修正:
Ts′=Tm1+Delay
其中,Ts′为RS485节点修正后的时钟。
优选地,步骤四中的固定时间间隔由超帧结构实现,在超帧结构的第一个GTS时隙由以太网节点发送同步信息包。
优选地,星型扑拓网络中的以太网节点通过以下步骤与主节点进行同步:
步骤A、在固定时间间隔接收主节点发送的Sync报文,并记录接收时间;
步骤B、接收主节点发送的Follow_up报文;其中,Follow_up报文包含了主节点发送Sync报文的发送时间;
步骤C、根据Sync报文的发送时间和接收时间计算出以太网节点与主节点的延迟,据此调整以太网节点的时钟的频率;
步骤D、在固定时间间隔向主节点发送Delay_Request报文,并记录Delay_Request报文的发送时间;
步骤E、接收主节点返回Delay_Response报文;其中,Delay_Response报文包含主节点接收Delay_Request报文的接收时间;
步骤F、根据Delay_Response报文的发送时间和接收时间计算出主节点和以太网节点之间的传输延迟并调整以太网节点的时钟漂移误差。
优选地,以太网节点在RS485节点进行时钟修正时输出32bit的局部时间戳给RS485节点,在其余时刻星型拓扑网络中的各个以太网节点仍使用80bit的全局时间戳与主节点同步。
附图说明
图1为基于RS485和以太网的混合总线结构示意图;
图2基于RS485和以太网的混合总线的时间同步方法的流程示意图;
图3为RS485节点进行延迟测量的流程示意图;
图4为超帧结构示意图;
图5为RS485节点进行时钟修正的流程示意图;
图6为以太网工点上可调时钟模块的结构示意图;
图7时间戳超帧配置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
本实施例所示的基于RS485和以太网的混合时间同步方法所适用的环境如图1所示,以太网节点作为一级网络节点,以太网节点之间形成星型拓扑网络,RS485节点作为二级网络节点,RS485节点与以太网节点形成链式拓扑网络。以太网节点和RS485节点的同步功能都可以通过上层软件进行设置,参见图2所示,包含星型拓扑网络同步原理、链式拓扑网络同步原理和时钟分配原理三部分内容,下以进行分别说明:
(1)星型拓扑网络同步原理
星型拓扑网络同步原理借鉴了IEEE1588协议中的同步原理。面向现有网络交流、本地计算和分配对象实现工业自动化系统中的精确同步时钟协议(PTP协议)。
使用与IEEE1588相似的四种同步报文Sync,Follow_up,Delay_Request,Delay_Response。基本同步过程:
步骤A、以太网节点接收主节点在固定时间间隔(同步时间可根据具体情况设置)发送的Sync报文,并打下接收时间标记。本设计中在物理层截获报文并打下时间戳。而在主节点也需要在物理层准确记录此Sync报文发送的时间。
步骤B、以太网节点接收主节点发送的Follow_up报文,这个Follow_up报文包含主节点发送Sync报文的准确的发送时间的标记。
步骤C、以太网节点根据Sync报文的发送时间和接收时间可以得到它与主节点的延迟,据此可调整它的时钟的频率。
步骤D、以太网节点在固定时间间隔向主节点发送Delay_Request报文(延时请求报文),Delay_Request的固定时间间隔是独立设置的,一般应较步骤A中发送Sync报文的固定时间间隔长,这个报文是由以太网节点记录它的准确发送时间,由主节点打上准确的接收时间标记。
步骤E、以太网节点接收主节点返回的Delay_Response报文,这个Delay_Response报文带着先前的Delay_Request报文被主节点接收的准确的时间标记。
步骤F、以太网节点利用Delay_Request报文的发送时间和接收时间,可计算出主节点和以太网节点之间的传输延迟并调整它的时钟漂移误差。
(2)链式拓扑网络同步原理
链式拓扑网络由以太网节点和RS485节点来共同完成同步的工作。以太网节点和RS485节点采用相同频率的晶振,此时时钟同步的关键就是解决时钟相位对准问题和时钟漂移的问题。根据链式网络的超帧结构进行时间同步。进行时钟同步时,首先,完成以太网节点与RS485节点之间的延迟测量;然后,由以太网节点发出时钟同步报文,所有与以太网节点在同一个域中的RS485节点都将收到该同步报文,RS485节点收到同步报文后,根据同步报文中的时间戳和主时钟到从时钟的线路延时计算出与主时钟的偏差,对本地的时钟进行时钟修正。下面对延迟测量和时钟修正二个阶段作说明。
1.延迟测量
延迟测量阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。定义一个延迟请求信息包Delay Request Packet,简称“Delay_Req”。延迟测量示意图如图3所示。
为了简化程序,且因为RS485链式网络时延稳定,所以在开始仅测量一次网络延迟,过程如下:
步骤一、RS485节点向以太网节点发送延迟请求信息包Delay_Req并记录延迟请求信息包的发送时间TS1;
步骤二、RS485节点接收以太网节点返回的延时响应包Delay_Back并记录延时响应包的接收时间TS2;其中,延时响应包包含以太网节点接收到延迟请求信息包的时间TM1和发送延时响应包的时间TM2;
步骤三、RS485节点计算网络延迟时间Delay:
TM1→TS1∶Delay1=TS-Offset-TM1
TS2→TM2∶Delay2=TM2-(TS2-Offset)
其中的TS1为Delay_Req帧在RS485节点发送的时刻,TM1为Delay_Req帧在以太网节点接收的时刻,TM2为Delay_Back帧在以太网节点发送的时刻,TS2为Delay_Back帧在RS485节点接收的时刻,Offset为RS485节点与以太网节点之间的时间偏差。
因为网络延迟时间是对称相等的,所以:
Delay=(Delay1+Delay2)/2=((TS1-TM1)+(TM2-TS2))/2
需要说明的是,在这个测量过程中,假设传输介质是对称均匀的,且线路是对称的,且由于RS485链路的特性,可以在Delay_back帧同时携带TM1和TM2。
2.时钟修正
为保证协议通讯效率,在RS485节点完成传感器数据、配置采样率、滤波等参数的采集后正确配置并建立时间同步后,RS485节点采用超帧结构进行通讯,参见图4所示,其中GTS(Guarantee Time Slot)保证时隙为活动超帧的一部分,每个超帧结构的第一个GTS时隙固定为主动时间同步,此处以太网节点将从星形拓扑网络中获取并分解的同步时间发送到各个RS485节点,而每个RS485节点并不需要获取全部时间信息,只需要完成与以太网节点之间局部时间同步即可。
时钟修正用来修正以太网节点和RS485节点的时间差。参见图5所示,在这个时间修正过程中,以太网节点周期性地发出一个确定的同步信息包(Sync)(一般为每2秒1次),它包含一个时间印章(time stamp),即局部时间戳,精确地描述了数据包的发出时刻。本案采用的简单同步模式,主要就是约定了同步修正包的发出时刻。
假设同步前以太网节点的时间为发出时钟Tm1=2.000s,而RS485节点的接收时钟为Ts1=2.001s。如果以太网节点和RS485节点是同步的,则同步的RS485节点的接收时钟是:Tm1+Delay=2 000+0.3=2000.3ms。只需将时钟调整为2000.3,即Ts′=Tm1+Delay。
简易时钟同步的关键就在此。同步包内可包含以太网节点发出的时刻。RS485节点收到后,即可与测得的Delay相加为自己的该时刻时钟。
(3)时钟分配原理:
在以太网节点上设计可调时钟模块,参见图6所示,具备时钟周期/频率设置功能,通过时钟输入、周期设置、频率设置和主时戳输出管脚,与星型网络同步模块共同实现主时钟戳的获取和传输。主时间戳具备标准IEEE时间帧格式,可直接实现网络授时、GPS授时等操作。之后通过超帧配置设置可调时钟模块输出局部时间戳实现整体网络时间同步。
IEEE标准时间戳通过80bit表示,其中48bit表示整秒时间,32bit表示纳秒部分。RS485节点工作时,RS485节点会周期收到以太网节点的sync同步帧,所以RS485节点无需保留完整主时间戳,仅需要保留局部时戳就可以保证整体的同步。参见图7所示,在初始设置中,此设计中保留2bit整秒部分和30bit纳秒,以适应2秒的同步周期。若RS485节点数量较少,距离也较近的情况下,也可以将时钟修正的频率适当放宽,例如4s一次,整秒部分就需要3bit,纳秒部分29bit。在工作中,可通过32bit活动窗口在主时钟戳上位置来适应同步需求、超帧配置等的变化。

Claims (4)

1.一种基于RS485和以太网的混合总线的时间同步方法,应用于由以太网节点和RS485节点组成的混合网络中,其中以太网节点作为一级网络节点,以太网节点与主节点之间形成星型扑拓网络,RS485节点作为二级网络节点,RS485节点与以太网节点形成链式拓扑网络,在星型扑拓网络完成时间同步后,RS485节点通过以下步骤与以太网节点进行同步:
步骤一、向以太网节点发送延迟请求信息包并记录延迟请求信息包的发送时间TS1;
步骤二、接收以太网节点返回的延时响应包并记录延时响应包的接收时间TS2;其中,延时响应包包含以太网节点接收到延迟请求信息包的时间TM1和发送延时响应包的时间TM2;
步骤三、计算网络延迟时间Delay:
Delay=((TS1-TM1)+(TM2-TS2))/2;
步骤四、在固定时间间隔接收以太网节点发送的同步信息包,根据同步信息包中包含的局部时间戳Tm1进行时钟修正:
Ts′=Tm1+Delay
其中,Ts′为RS485节点修正后的时钟。
2.根据权利要求1所述的时间同步方法,其特征在于所述步骤四中的固定时间间隔由超帧结构实现,在超帧结构的第一个GTS时隙由以太网节点发送同步信息包。
3.根据权利要求1所述的时间同步方法,其特征在于星型扑拓网络中的以太网节点通过以下步骤与主节点进行同步:
步骤A、在固定时间间隔接收主节点发送的Sync报文,并记录接收时间;
步骤B、接收主节点发送的Follow_up报文;其中,Follow_up报文包含了主节点发送Sync报文的发送时间;
步骤C、根据Sync报文的发送时间和接收时间计算出以太网节点与主节点的延迟,据此调整以太网节点的时钟的频率;
步骤D、在固定时间间隔向主节点发送Delay_Request报文,并记录Delay_Request报文的发送时间;
步骤E、接收主节点返回Delay_Response报文;其中,Delay_Response报文包含主节点接收Delay_Request报文的接收时间;
步骤F、根据Delay_Response报文的发送时间和接收时间计算出主节点和以太网节点之间的传输延迟并调整以太网节点的时钟漂移误差。
4.根据权利要求1所述的时间同步方法,其特征在于所述以太网节点在RS485节点进行时钟修正时输出32bit的局部时间戳给RS485节点,在其余时刻星型拓扑网络中的各个以太网节点仍使用80bit的全局时间戳与主节点同步。
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