CN110492965A - 一种主从系统内串行报文对时的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种主从系统内串行报文对时的方法和装置，系统内包含一个主机以及至少一个从机，主从机间使用高速串行总线通信。主机作为时钟源，从机作为被授时装置。对时流程由以下步骤：主机下发对时报文，发出的对时报文中包含发送起始时刻对应的精确时间戳；从机接收主机下发的对时报文，并记录接收报文的时刻；获取报文发送传输延时；从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，推算本地与主机时钟源的精确时间差，进而推算本地精确时间。本系统使用一条高速串行通信总线，完成精确的报文对时和高速数据通信，减少了布线复杂度和成本，具有较高的实用价值。

Description

一种主从系统内串行报文对时的方法和装置
技术领域
本发明属于网络通信对时技术领域，特别涉及工业过程控制领域串行报文对时的方法和装置。
背景技术
工业过程控制系统为了获取精确的事件时标，以及系统内不同模块间进行时间同步，系统内需要进行精准对时。
目前，时钟同步是利用时钟源装置接受GPS卫星发送的授时信号，时钟源装置处理后向监控、继电保护或工业控制等系统提供GPS时钟对时信号。系统内对时方式主要有IRIG-B、IEEE1588，PPS、
PPM，SNTP、IEC103报文对时等。IRIG-B、IEEE1588对时源可以得到精准且完整的时间信息，但被授时装置实现复杂；SNTP、IEC103报文对时虽提供了完整的时间信息，但对时精度偏低；而PPS、PPM精度高但只能支持时间秒或时间分同步。因此在实际应用中，PPS、PPM通常需要和报文对时源一起工作，比如空接点PPS+SNTP，空接点PPM+IEC103报文对时。
在主从系统内，现有技术可以采用串口对时和脉冲对时结合的方式。一条秒脉冲对时连接线负责下发同步信息；一条串口报文对时连接线负责设备年月日时分秒的对时，以实现精确授时。
在主从系统内，现有技术还可以采用异步串行通信接口实现串口对时和秒脉冲同步的方式。异步串行通信接口采用分时复用，先下发时间。在整秒时刻，时钟源下发秒脉冲同步码，被授时装置在中断中响应同步码报文，并将时钟时间设置为对时时间修正值。
在工业控制领域主从系统中，现有方案使用具有以下缺点：
(1)通信和对时需要两条通信线，增加了布线成本。
(2)要求授时装置在准确的整秒时刻下发同步信息，制约对时和通信总线复用的灵活性。
(3)对时同步使用脉冲或同步码，抗干扰性偏差。
(4)在中断中响应同步码会受关中断影响，而且对时过程存在报文传发送输延时等，影响对时精度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术提供主从控制领域主从系统中对时方法需要两条通信线而导致增加布线成本的问题，提供一种高性价比高可靠性的对时和时间同步方案。
为了达成上述目的，本发明的技术方案是：
在一方面，本发明提供一种用于主从系统的串行报文对时方法，所述系统内包含一个主机以及至少一个从机，主机作为时钟源，从机作为被授时装置，所述主机与从机之间采用高速串行总线通信，所述对时方法包括以下步骤：
主机下发对时报文，所述对时报文中包含发送起始时刻对应的时间戳；
从机接收主机下发的包含时间戳的对时报文，并确定接收报文的时刻；
从机通过获取的时间戳以及接收报文的时刻确定报文发送传输延时；
从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，确定本地与主机时钟源的时间差；
从机根据确定的时间差确定本地时间。
为了进一步提高系统对时的精确度，在以上技术方案中，进一步地，从机确定本地时间时补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差。
进一步地，从机采用FPGA或者硬件捕获确定得到接收对时报文的时刻。
进一步地，主机包含利用FPGA实现的串行通信模块。
在另一方面，本发明提供了一种用于主从系统的串行报文对时装置，所述系统内包含一个主机以及至少一个从机，主机作为时钟源，从机作为被授时装置，所述主机与从机之间采用高速串行总线通信；
所述串行报文对时装置包括主机端的对时报文发送模块以及从机端的报文接收模块、报文发送传输延时确定模块、时间差计算模块、对时模块；
所述对时报文发送模块，用于主机下发对时报文，所述对时报文中包含发送起始时刻对应的时间戳；
所述报文接收模块，用于从机接收主机下发的包含时间戳的对时报文，并确定接收报文的时刻；
所述报文发送传输延时确定模块，用于从机通过获取的时间戳以及接收报文的时刻确定报文发送传输延时；
所述时间差计算模块，用于从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，确定本地与主机时钟源的时间差；
所述对时模块，用于从机根据确定的时间差确定本地时间。
为了进一步提高系统对时的精确度，在以上技术方案中，所述串行报文对时装置还包括从机端的时间补偿模块，所述时间补偿模块用于从机确定本地时间时补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差。
本发明所取得的有益技术效果：
本案既利用了现有处理器的硬件优势、高速串行通信带宽，又降低了布线成本、提高了系统内时钟的精确性和可靠性；
本系统使用一条高速串行通信总线，完成精确的报文对时和高速数据通信，减少了布线复杂度和成本，具有较高的实用价值，以实现对时和通信总线复用的灵活性；
本发明进一步从机确定本地时间时补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差，使系统对时准确度更高；
本发明的从机在接收主机下发的对时报文后对其进行校验，当校验不通过则将对时报文丢弃，提高了系统对时的有效性。
附图说明
图1是本发明具体实施例通信系统结构示意图；
图2是本发明具体实施例对时流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。
一种主从系统内串行报文对时的方法，所述系统内包含一个主机、若干条通信支路，每条通信支路上有接有若干个从机，主从机间使用高速串行总线通信。主机作为时钟源，通过高速串行通信总线下发对时报文负责授时；从机作为被授时装置，接收对时报文进行同步。
本系统结构如附图1所示，系统内包含一个主机，至少一条通信支路和至少一个从机。系统使用高速串行总线传输对时报文、应用报文等。
本系统主机为时钟源，是授时装置，从机作为被授时装置。对时流程如附图2所示。
(1)主机下发对时报文，发出的对时报文中包含发送起始时刻对应的精确时间戳。
为了提高对时精度，主机串行通信模块可以由FPGA实现。FPGA发出广播对时报文的时刻为S0、S1、S2、……、SN，下发报文时间戳信息包含发送起始时刻对应的年月日时分秒、闰秒标志等，还包含发出报文时刻的纳秒时间。
主机下发对时报文时刻不受整秒限制。考虑从机的守时精度，主机下发广播对时报文的时间间隔一般在十秒以内。优选地，主机每隔一秒左右下发一次对时报文，考虑从机守时进秒机制，下发的时刻一般在该秒的100ms-900ms之间。
(2)从机接收主机下发的对时报文，并记录接收报文时刻。
从机可以采用FPGA、硬件捕获功能准确得到接收对时报文对应的从机内部时钟。由于采用硬件获取时刻，故不受关中断等程序执行的影响。设从机接收对时报文对应的从机内部节拍依次为I0、I1、I2、……、IN。
具体实施中，在接收到对时报文后，包括对接收报文的时刻的有效性进行校验。当相邻两个对时报文的时间差与从机内部节拍对应的时间差超过一定范围时，认为时钟发生跳变或受到干扰。当对时报文受到干扰时，该对时报文将被丢弃；当发生时钟跳变时，需要进行多次对时报文有效性确认。
(3)获取报文发送传输延时。
对于串行通信网络，一般没有转发环节，报文发送传输延时可以根据实测得到经验值，由于通信线长度改变造成传输延时的影响在几个ns级别，一般可以忽略。
当具有转发环节时，可以根据下述方法获取。主机向从机发送报文包含时间戳T1；从机接收到报文的时间戳为T2，从机回复报文的时间戳为T3，主机收到回复报文的时间戳为T4。则报文发送传输延时为:
d＝((T4-T1)-(T3-T2))/2
(4)从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，推算本地与主机时钟源的精确时间差，进而推算本地精确时间。
在以上实施例的基础上，为了提高系统对时的精确度和可靠度，从机推算出本地精确的时间时从机需要补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差，推算出准确度更高的本地精确的时间。
从机晶振偏差可以根据相邻两次对时报文的时刻获取。设从机内部时钟源晶振理论频率为FS，实际内部时钟源晶振频率为FI。则从机内部节拍到实际时钟的转换系数为
k＝FS/FI＝(Sn-Sn-1)*FS/(In-In-1)n＝1,2,3……N
使用相邻两次对时报文计算k值会出现一定抖动时，可以采用加权平均或算数平均进行计算。
对于从机而言，由于晶振产生的偏差，对应主机一定的时间间隔t，在不校准的情况下，实际对应从机的时间间隔为:
t’＝k*t
若不考虑报文发送传输延时，则对于主机当前时刻S，对应从机的当前节拍I，则从机的时刻为:
R＝k*(I-In)/FS+Sn
考虑报文发送传输延时d，使用上一步骤测得的结果，则对于主机当前时刻S，对应从机的当前节拍I，从机的时刻为:
R＝k*(I-In)/FS+Sn+d
采用该方案后，从机的对时精度可以达到亚微秒级别，完全满足系统时间精度要求。
本系统使用一条高速串行通信总线，完成精确的报文对时和高速数据通信，减少了布线复杂度和成本，具有较高的实用价值。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种用于主从系统的串行报文对时方法，其特征在于,所述系统内包含一个主机以及至少一个从机，主机作为时钟源，从机作为被授时装置，所述主机与从机之间采用高速串行总线通信，所述对时方法包括以下步骤：
主机下发对时报文，所述对时报文中包含发送起始时刻对应的时间戳；
从机接收主机下发的包含时间戳的对时报文，并确定接收报文的时刻；
从机通过获取的时间戳以及接收报文的时刻确定报文发送传输延时；
从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，确定本地与主机时钟源的时间差；
从机根据确定的时间差确定本地时间。
2.根据权利要求1所述的一种用于主从系统的串行报文对时方法，其特征在于：从机确定本地时间时补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差。
3.根据权利要求1所述一种用于主从系统的串行报文对时方法，其特征在于：从机采用FPGA或者硬件捕获确定得到接收对时报文的时刻。
4.根据权利要求1所述的一种用于主从系统的串行报文对时方法，其特征在于：主机包含利用FPGA实现的串行通信模块。
5.根据权利要求1所述的一种用于主从系统的串行报文对时方法，其特征在于：所述从机接收到主机下发的对时报文，对接收报文的时刻的有效性进行验证，相邻两个对时报文的时间差与从机内部节拍对应的时间差超过预设阈值，则将对时报文丢弃。
6.一种用于主从系统的串行报文对时装置，其特征在于，所述系统内包含一个主机以及至少一个从机，主机作为时钟源，从机作为被授时装置，主机与从机之间采用高速串行总线通信；
所述串行报文对时装置包括主机端的对时报文发送模块以及从机端的报文接收模块、报文发送传输延时确定模块、时间差计算模块、对时模块；
所述对时报文发送模块，用于主机下发对时报文，所述对时报文中包含发送起始时刻对应的时间戳；
所述报文接收模块，用于从机接收主机下发的包含时间戳的对时报文，并确定接收报文的时刻；
所述报文发送传输延时确定模块，用于从机通过获取的时间戳以及接收报文的时刻确定报文发送传输延时；
所述时间差计算模块，用于从机根据主机对时报文中时间戳、报文发送传输延时和晶振偏差，确定本地与主机时钟源的时间差；
所述对时模块，用于从机根据确定的时间差确定本地时间。
7.根据权利要求6所述的一种用于主从系统的串行报文对时装置，其特征在于，所述串行报文对时装置还包括从机端的时间补偿模块，所述时间补偿模块用于从机确定本地时间时补偿报文发送传输延时和晶振偏差引起的时间差。
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