CN109194433B - 基于千兆afdx网络的高精度授时方法 - Google Patents

基于千兆afdx网络的高精度授时方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109194433B
CN109194433B CN201810939508.6A CN201810939508A CN109194433B CN 109194433 B CN109194433 B CN 109194433B CN 201810939508 A CN201810939508 A CN 201810939508A CN 109194433 B CN109194433 B CN 109194433B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frame
local
rtc
delay
clock
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810939508.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109194433A (zh
Inventor
罗泽雄
曲国远
谭永亮
袁鑫
汪小东
于乐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Original Assignee
China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Aeronautical Radio Electronics Research Institute filed Critical China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority to CN201810939508.6A priority Critical patent/CN109194433B/zh
Publication of CN109194433A publication Critical patent/CN109194433A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109194433B publication Critical patent/CN109194433B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0658—Clock or time synchronisation among packet nodes
    • H04J3/0661—Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0658—Clock or time synchronisation among packet nodes
    • H04J3/0661—Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps
    • H04J3/0667—Bidirectional timestamps, e.g. NTP or PTP for compensation of clock drift and for compensation of propagation delays
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0682—Clock or time synchronisation in a network by delay compensation, e.g. by compensation of propagation delay or variations thereof, by ranging

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

本发明揭示了一种基于千兆AFDX网络的高精度授时方法，通过记录RTC帧在主时钟源设备的调度时延、路径交换机的转发时延、以及从时钟设备接收处理的技术延时，将三种时延参数的和作为RTC帧从授时端到被授时端设备之间的实际时延来补偿授时的时钟，被授时端接收到授时的RTC帧提取帧中的主时间戳值加上计算获取的RTC帧传输的实际时延值写入本地时钟计时器，通过该实现方式主时钟计时器值和从时钟的计时器值的差异不会超过100ns，即该同步授时精度可达亚微秒级的精度。传统的交换机转发方式下不会对转发数据帧进行任何改变，本发明通过改变RTC帧在网络系统中的交换机的转发输出方式，在转发端口处改变了帧负载的内容以及重新计算CRC来达到高精度的性能。

Description

基于千兆AFDX网络的高精度授时方法
【技术领域】
本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，特别涉及确定性的数据交换通信架构下时间完整性维护和提高授时精度的设计方法。
【背景技术】
随着航空电子领域的传感器技术高速发展，机载飞机系统集成的传感器的种类和数量越来越多，系统用户对不同传感器数据的传输需求特性不用，就要求航空电子通信能够面向不同安全关键性和实时性的分布式通信需求提供高精度授时守时功能实现各模块的协同工作。传统的航空机载通信网络如百兆AFDX以及FC采用主从式的网络授时守时机制。虽然主从式的网络授时守时功能具有设计简单可控性好固有的优势，但是原有运行在百兆AFDX主从授时方式采用的两种方式：1、采用预先估计一个主时钟设备到各从设备的传输时延即AFDX网络中端到端传输的最大时延(该时延由AFDX的固有确定性来计算定义)，并配置到各从设备端实现从设备接收到主时钟信息加上主从设备间的传输链路平均时延值作为接收设备本地的同步授时时钟值更新本地时钟，该方式存在较大误差，我们知道AFDX估计的最大时延上界是一个最悲观的估计值，同时又是一个统一值，而网络上任一周期的任意时刻一个节点广播传输的数据帧到各接收节点的传输时延均有差异；2、采用在线双向握手测试估计各条链路上的主从时钟设备的传输时延，各从设备端接收到主时钟信息加上在线测试的平均时延作为接收设备本地的同步授时时钟值更新本地时钟，该方式需要新增一条握手数据流占用有效的带宽，同时增加了设计复杂度，而且双向握手计算的平均时延存在较大误差。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于千兆AFDX网络的高精度授时方法，用以解决现有AFDX通信机制采用低精度的授时问题。
为实现上述目的，实施本发明的千兆AFDX网络高精度授时时统的方法包括如下步骤：
步骤一：设定RTC帧的虚拟链路序号、虚拟链路的类别和RTC帧的调度周期，同时测量网络系统中主时钟设备与交换机之间的物理传输长度和交换机到各从时钟设备的物理传输长度，并折算为ns为单位的传播时延，传播时延的计算公式为:(10*物理传输长度(m)/2(ns))。
步骤二：在作为主时钟设备的AFDX端系统方，设定一个周期为RTC帧的调度周期的周期计时器，周期计时器在每个调度周期计时完成产生一个第一脉冲，该第一脉冲触发主时钟设备读取当前本地时钟值local_timer_pit1_1，同时触发RTC帧的组包发送。
在RTC帧的组包发送过程中，将local_timer_pit1_1赋值到RTC帧的8字节的时间戳信息字段；当RTC帧从主时钟设备的端口输出第一个bit位的数据产生一个第二脉冲，该第二脉冲触发时读取当前本地时钟值local_timer_pit1_2，将local_timer_pit1_2与local_timer_pit1_1的时间差值转化为以ns为单位的发送时延send_delay再加上折算的主时钟设备与交换机之间传播时延pro_delay1作为主时钟源设备的调度时延sche_delay赋值到4字节的延时计数信息中，计算CRC发送RTC帧。
步骤三：在AFDX交换机方，交换机的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍产生一个脉冲读取交换机的当前本地时钟值local_timer_pit2_1，并将该local_timer_pit2_1与数据帧组合一起存放到交换机的数据缓冲区，等待调度转发；同时将RTC帧的转发信息写入到交换机所有转发端口的帧信息输出队列中，交换机的转发端口从帧信息输出队列获取到RTC帧的转发信息，根据RTC帧的VL类别识别出为RTC帧后，进入到RTC帧的转发处理流程，首先将RTC帧从AFDX交换机的数据缓冲区取出保存到转发端口MAC层的缓冲区，当RTC帧从该转发端口输出第一个bit位的数据产生一个第三脉冲，该第三脉冲触发读取交换机的当前本地时钟值local_timer_pit2_2，将local_timer_pit2_2与local_timer_pit2_1的时间差值转化为以ns为单位的数值作为交换机的转发时延增加到RTC帧的4字节的延时计数信息中，计算CRC，实现RTC帧的转发功能，每经过一级交换机转发，该交换机都对网络的RTC帧按照步骤三进行处理。
步骤四：在作为从时钟设备的AFDX端系统方，从时钟设备的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍后产生一个第四脉冲，该第四脉冲触发读取从时钟设备的当前本地时钟值local_timer_pit3_1，通过匹配对应RTC帧信息中VL类别识别为RTC帧，提取RTC帧中8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp和4字节的延时计数信息trans_delay，以4字节的延时计数信息提取完毕的时刻点产生一个第五脉冲，该第五脉冲触发读取本从时钟设备的本地时钟值local_timer_pit3_2。
下一个时钟使能计算出local_timer_pit3_2和local_timer_pit3_1差值作为接收技术时延tech_delay。通过4字节的延时计数信息trans_delay加上tech_delay再加上折算的交换机与从时钟设备与之间传播时延pro_delay2折算为本地时钟值精度的数值，与8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp求和值为master_colck_pit。
再下一个时钟使能用master_colck_pit+1时钟值修正从时钟设备的本地时钟，完成网络的授时功能的整个过程。
本发明的有益效果在于提出了一种易于实现，授时精度高的实现方式，通过在AFDX网络中授时功能的RTC帧增加实时的传输时延信息，通过记录RTC帧在主时钟源设备的调度时延、路径交换机的转发时延、以及从时钟设备接收处理的技术延时，将三种时延参数的和作为RTC帧从授时端到被授时端设备之间的实际时延来补偿授时的时钟，被授时端接收到授时的RTC帧提取帧中的主时间戳值加上计算获取的RTC帧传输的实际时延值写入本地时钟计时器，通过该实现方式主时钟计时器值和从时钟的计时器值的差异不会超过100ns，即该同步授时精度可达亚微秒级的精度。传统的交换机转发方式下不会对转发数据帧进行任何改变，该授时方式下通过改变RTC帧在网络系统中的交换机的转发输出方式，在转发端口处改变了帧负载的内容以及重新计算CRC来达到高精度的性能。通过该方法较好的解决了低精度的授时问题，提高了设备间协同的操作能力。
【附图说明】
图1为基于千兆AFDX网络的高精度授时方法的流程示意图。
图2为RTC帧的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，一种基于千兆AFDX网络的高精度授时方法，包括如下步骤：
步骤一：设定RTC帧的虚拟链路序号(以下简称VL ID)号、虚拟链路(以下简称VL)的类别和RTC帧的调度周期，同时测量网络系统中主时钟设备与交换机之间的物理传输长度和交换机到各从时钟设备的物理链路传输长度，并折算为ns为单位的传播时延，传播时延的计算公式为:(10*物理传输长度(m)/2(ns))。设定VL类别是用于区分其它通信VL。设定RTC帧的调度周期是为让主时钟源按照该调度周期大小周期性的广播RTC帧。
步骤二：，将折算的主时钟设备与交换机之间传播时延pro_delay1写入到主时钟设备的fpga寄存器空间，作为主时钟设备的AFDX端系统设定一个周期计时器，该周期计时器的周期为RTC帧的调度周期，每个调度周期计时完成产生一个第一脉冲，该第一脉冲触发主时钟设备读取64位本地时钟值local_timer_pit1_1，同时触发RTC帧的组包发送。RTC帧按照AFDX的协议标准组成64字节的最小包，其中17个字节的payload部分包含8字节的时间戳信息和4字节的延时计数信息(单位为1ns)以及5个字节的保留信息，其中将local_timer_pit1_1赋值到8字节的时间戳信息字段；当RTC帧从主时钟设备的端口输出第一个bit位的数据产生一个第二脉冲，该第二脉冲触发时读取当前64位本地时钟值local_timer_pit1_2，将local_timer_pit1_2与local_timer_pit1_1的时间差值转化为以ns为单位的发送时延send_delay再加上pro_delay1作为主时钟源设备的调度时延sche_delay赋值到4字节的延时计数信息中，计算CRC发送RTC帧。
步骤三：AFDX交换机的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍产生一个脉冲读取AFDX交换机当前64位本地时钟值local_timer_pit2_1，并将该时钟值与数据帧组合一起存放到交换机的数据缓冲区，等待调度转发；同时将RTC帧的转发信息写入到交换机所有转发端口的帧信息输出队列中，交换机的转发端口从帧信息输出队列获取到RTC帧的转发信息，根据RTC帧的VL类别识别出为RTC帧后，进入到RTC帧的转发处理流程，首先将RTC帧从AFDX交换机的数据缓冲区取出保存到转发端口MAC层的缓冲区，当RTC帧从该转发端口输出第一个bit位的数据产生一个第三脉冲，该第三脉冲触发读取交换机的当前64位本地时钟值local_timer_pit2_2，将local_timer_pit2_2与local_timer_pit2_1的时间差值转化为以ns为单位的数值作为交换机的转发时延增加到4字节的延时计数信息中，计算CRC，实现RTC帧的转发功能，每经过一级交换机转发，该交换机都对网络的RTC授时帧按照步骤三进行处理。
步骤四：将折算的交换机与从时钟设备与之间传播时延pro_delay2写入到从时钟设备的fpga寄存器空间，作为从时钟设备的AFDX端系统的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍产生一个第四脉冲读取本设备当前64位本地时钟值local_timer_pit3_1，通过匹配对应帧信息中VL ID参数识别为RTC帧，提取RTC帧中8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp和4字节的延时计数信息trans_delay，以4字节的延时计数信息提取完毕的时刻点产生一个第五脉冲，该第五脉冲触发读取本设备的当前64位本地时钟值local_timer_pit3_2。
下一个时钟使能计算local_timer_pit3_2和local_timer_pit3_1的差值作为接收技术时延tech_delay。通过4字节的延时计数信息trans_delay加上tech_delay再加上pro_delay2折算为64位本地时钟值精度的数值，与8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp求和值为master_colck_pit。
master_colck_pit＝time_stamp+(local_timer_pit3_2-local_timer_pit3_1)+(trans_delay)折算与64位本地时钟值精度相同的值。
再下一个时钟使能用master_colck_pit+1时钟值修正从时钟设备的64位本地时钟，完成网络的授时功能的整个过程。

Claims (1)

1.一种基于千兆AFDX网络的高精度授时方法，包括如下步骤：
步骤一：设定RTC帧的虚拟链路序号、虚拟链路的类别和RTC帧的调度周期，同时测量网络系统中主时钟设备与交换机之间的物理传输长度和交换机到各从时钟设备的物理传输长度，并折算为ns为单位的传播时延，传播时延的计算公式为:(10*物理传输长度(m)/2(ns))；
步骤二：在作为主时钟设备的AFDX端系统方，设定一个周期为RTC帧的调度周期的周期计时器，周期计时器在每个调度周期计时完成产生一个第一脉冲，该第一脉冲触发主时钟设备读取当前本地时钟值local_timer_pit1_1，同时触发RTC帧的组包发送；
在RTC帧的组包发送过程中，将local_timer_pit1_1赋值到RTC帧的8字节的时间戳信息字段；当RTC帧从主时钟设备的端口输出第一个bit位的数据时产生一个第二脉冲；该第二脉冲触发读取当前本地时钟值local_timer_pit1_2，将local_timer_pit1_2与local_timer_pit1_1的时间差值转化为以ns为单位的发送时延send_delay再加上折算的主时钟设备与交换机之间的传播时延pro_delay1作为主时钟源设备的调度时延sche_delay赋值到RTC帧的4字节的延时计数信息中，计算CRC发送RTC帧；
步骤三：在AFDX交换机方，交换机的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍后产生一个脉冲读取交换机的当前本地时钟值local_timer_pit2_1，并将该local_timer_pit2_1与数据帧组合一起存放到交换机的数据缓冲区，等待调度转发；同时将RTC帧的转发信息写入到交换机所有转发端口的帧信息输出队列中，交换机的转发端口从帧信息输出队列获取到RTC帧的转发信息，根据RTC帧的VL类别识别出为RTC帧后，进入到RTC帧的转发处理流程，首先将RTC帧从AFDX交换机的数据缓冲区取出保存到转发端口MAC层的缓冲区，当RTC帧从该转发端口输出第一个bit位的数据时产生一个第三脉冲，该第三脉冲触发读取交换机的当前本地时钟值local_timer_pit2_2，将local_timer_pit2_2与local_timer_pit2_1的时间差值转化为以ns为单位的数值作为交换机的转发时延增加到RTC帧的4字节的延时计数信息中，计算CRC，实现RTC帧的转发功能，每经过一级交换机转发，该交换机都对网络的RTC帧按照步骤三进行处理；
步骤四：在作为从时钟设备的AFDX端系统方，从时钟设备的接收端口采集到数据帧GMII的使能信号的第一拍后产生一个第四脉冲，该第四脉冲触发读取从时钟设备的当前本地时钟值local_timer_pit3_1，通过匹配对应RTC帧信息中VL类别识别为RTC帧，提取RTC帧中8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp和4字节的延时计数信息trans_delay，以4字节的延时计数信息提取完毕的时刻点产生一个第五脉冲，该第五脉冲触发读取本从时钟设备的本地时钟值local_timer_pit3_2；
下一个时钟使能计算local_timer_pit3_2和local_timer_pit3_1的差值作为接收技术时延tech_delay；将折算的交换机与从时钟设备之间的传播时延pro_delay2和trans_delay、tech_delay相加后折算为本地时钟值精度的数值，与8字节的主时钟设备的时间戳信息time_stamp求和值为master_colck_pit；
再下一个时钟使能用master_colck_pit+1时钟值修正从时钟设备的本地时钟，完成网络的授时功能的整个过程。
CN201810939508.6A 2018-08-17 2018-08-17 基于千兆afdx网络的高精度授时方法 Active CN109194433B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810939508.6A CN109194433B (zh) 2018-08-17 2018-08-17 基于千兆afdx网络的高精度授时方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810939508.6A CN109194433B (zh) 2018-08-17 2018-08-17 基于千兆afdx网络的高精度授时方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109194433A CN109194433A (zh) 2019-01-11
CN109194433B true CN109194433B (zh) 2020-10-09

Family

ID=64918156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810939508.6A Active CN109194433B (zh) 2018-08-17 2018-08-17 基于千兆afdx网络的高精度授时方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109194433B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109104312A (zh) * 2018-08-13 2018-12-28 北京航测精仪科技有限公司 一种可配置afdx总线数据帧延时设备和afdx数据帧延时方法
CN110492961B (zh) * 2019-08-17 2022-03-25 长园深瑞继保自动化有限公司 高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统
CN110943795B (zh) * 2019-10-22 2021-05-14 清华大学 一种适用于总线通信系统的时间同步方法
CN113660558A (zh) * 2021-07-29 2021-11-16 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种基于fc交换芯片的时间同步延迟补偿装置及方法
CN113922907B (zh) * 2021-09-08 2023-11-14 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种低延时的数据传输方法
CN115174455B (zh) * 2022-06-29 2023-09-08 中国航空无线电电子研究所 一种基于异步时钟的arinc664交换机启动时间测试方法
CN115047743B (zh) * 2022-08-16 2022-11-01 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于反馈的用时端高精度时延补偿方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011131006A1 (zh) * 2010-04-20 2011-10-27 中兴通讯股份有限公司 一种精密时间同步协议的时间处理装置及方法
CN104837197A (zh) * 2015-04-14 2015-08-12 中山大学 一种无线传感网络双向时间同步方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7768960B1 (en) * 2004-07-20 2010-08-03 Atheros Communications, Inc. Efficient communication channel survey
WO2011025746A1 (en) * 2009-08-25 2011-03-03 Semtech Corporation Measurement and adjustment of real-time values according to residence time in networking equipment without access to real time
CN102255803B (zh) * 2011-07-06 2014-02-12 北京航空航天大学 一种适用于时间触发交换式网络的周期调度时刻表构建方法
US10951261B2 (en) * 2016-04-29 2021-03-16 Texas Instruments Incorporated Pseudo channel hopping in mesh networks without time synchronization
CN106254021B (zh) * 2016-07-18 2018-08-31 自连电子科技（上海）有限公司 实现物联网设备间时间同步的系统及其方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011131006A1 (zh) * 2010-04-20 2011-10-27 中兴通讯股份有限公司 一种精密时间同步协议的时间处理装置及方法
CN104837197A (zh) * 2015-04-14 2015-08-12 中山大学 一种无线传感网络双向时间同步方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109194433A (zh) 2019-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109194433B (zh) 基于千兆afdx网络的高精度授时方法
CN110113242B (zh) 环形通信网络中多节点同步采样和数据传输方法
CN106850466B (zh) 一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置
US9742514B2 (en) Method, apparatus, and system for generating timestamp
CN106059701B (zh) 一种通过捕获协议控制帧测试时间触发以太网的时钟同步修正值的装置
CN101977104B (zh) 基于ieee1588精确时钟同步协议系统及其同步方法
WO2016119525A1 (zh) 数据弹性交互综合总线系统
CN101335602B (zh) 一种基于fpga的点到多点udp实时数据发送和确认方法
CN105846941B (zh) 基于ieee 1588标准的时钟透明传输装置及方法
Ferrari et al. A distributed instrument for performance analysis of real-time ethernet networks
CN106209693B (zh) 基于片上网络的高速数据采集方法
EP3174237B1 (en) Time synchronization method and apparatus for network devices and time synchronization server
CA2833465A1 (en) Synchronization control system
EP3136633B1 (en) Network module for sending and/or receiving of data packages from a network arrangement and method
CN102594683B (zh) 具备同步数字体系sdh网络精确对时功能的专用网络交换方法及设备
CN112073141B (zh) 一种基于soc的tte与1394互通信的网关控制器
CN106877967B (zh) Ieee1588透明时钟驻留时间测量方法及其装置
CN112671598B (zh) 一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块
CN109547157B (zh) 一种支持时间触发以太网的万兆网络控制器及控制方法
CN103746878A (zh) 一种测定SpaceWire数据包的传输时间的仿真系统
Qi et al. Design and implementation of IEEE1588 time synchronization messages timestamping based on FPGA
CN114884605A (zh) 基于fpga实现网络节点时间同步的方法
Dong et al. Design and Implementation of AS6802 Clock Synchronization System in TTE thernet
EP3017560B1 (en) A merging unit
Gaisbauer et al. Unified communication framework

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant