CN110943795A - 一种适用于总线通信系统的时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于总线通信系统的时间同步方法，属于机载网络通信技术领域。时间触发总线通信技术具有确定性强和可靠性高等优点，在安全关键系统的分布式控制中具有重要的应用价值和前景。由时间触发通信原理可知，全局统一的时间基准是时间触发总线通信系统正常工作和运行的基础。为实现高精度时间同步，本发明借鉴接收者时间同步方法的思想，结合总线通信系统中从节点几乎同时收到主节点广播的时间同步帧的特点，可从根本上保证从节点之间的时间同步误差很小；通过离线测量主节点与从节点之间的链路传输延迟，在线修正从节点与主节点的时间偏差，实现通信系统的全局时间同步，具有简单易实现，同步精度高等优点。

Description

一种适用于总线通信系统的时间同步方法
技术领域
本发明属于机载网络通信技术领域，涉及一种时间同步方法。
背景技术
时间同步是时间触发总线通信的基础条件。目前，主要的时间同步方法可分为互同步和主从式同步两大类，其中互同步方式存在迭代收敛过程，由于收敛性和迭代时间的不确定性难以适用时间触发通信系统。主从式时间同步方法的思路是选取一个节点作为时间基准参考源，称为时钟主节点，其他节点将其本地时间信息同步至主节点时间基准，具有思想简单，收敛快等优点。然而，由于时间同步信息帧网络传输时延的影响，导致现有主从式方法精度受限，且同步过程复杂，网络开销大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于总线通信系统的时间同步方法，以满足其在时间触发总线通信系统中的应用需求。
一种适用于总线通信系统的时间同步方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.用于实施所述适用于总线通信系统的时间同步方法的系统，其至少含有一个时钟主节点和N个时钟从节点(N>＝2)，所述时钟主节点发送时间同步信息帧至总线，并将时间同步信息帧的发送时刻tM，写入至时间同步信息帧的指定字段；
S2.第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)记录其收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的时刻
Figure BDA0002243009370000011
读取时间同步信息帧的发送时刻tM；
S3.第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)读取预先设定的延迟补偿值
Figure BDA0002243009370000012
将
Figure BDA0002243009370000013
作为修正值校正第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)的本地时间基准。
可选的，所述步骤S3中所述的延迟补偿值
Figure BDA0002243009370000021
的具体计算方法如下：所述时钟主节点在发送时间同步信息帧时产生一个脉冲信号，记为δM；第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧后产生一个脉冲信号，记为
Figure BDA0002243009370000022
用示波器测量脉冲信号δM和脉冲信号
Figure BDA0002243009370000023
之间的时间差，将其作为第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)与所述时钟主节点之间的所述延迟补偿值
Figure BDA0002243009370000024
本发明采用以上技术方案即可有效保证时间触发通信总线的时间同步精度，通过时钟主节点广播发送时间同步信息帧，由于各时钟从节点收到时间同步信息帧的时间基本相同，所以时钟从节点的时间基准可保证基本一致；通过离线测量时钟主节点到各时钟从节点之间的传输延迟，即可通过在线补偿的方式修正时钟主节点与各时钟从节点之间的时间偏差，因为总线通信系统中节点之间的通信延迟基本固定，尤其是在采用硬件同步方式的情况下，这样即可避免复杂的链路延迟在线测量和估计过程，减小了时间和资源开销。本发明所提出的适用于总线通信系统的时间同步方法具有同步精度高、易于实现、资源开销小等优点。
附图说明
图1：本发明的原理示意图。
图2：总线通信系统时间同步示例。
图3：通信延迟分析图。
图4：测试结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。
为便于理解，首先以图2中所示总线通信系统为例，简要介绍一下本发明所采用的时间同步方法。图2所示总线通信系统中，每个通信节点(包括主节点和从节点)采用100M以太网通信方式连接至总线，以太网PHY芯片采用RTL8211E，处理器采用Xilinx Artix-7系列FPGA XC7A100T，配置以太网PHY芯片工作在100M半双工模式。所搭建总线通信系统采用周期性主从式同步方式，时钟主节点每10ms发送一次时间同步信息帧，将其时间基准发送给时钟从节点。
时钟主节点在同步周期的固定时刻，产生时间同步信息帧，在其开始发送以太网帧前导码时刻读取其当前的时间基准，作为时间同步信息帧的起始发送时刻tM，并将其封装至时间同步信息帧的指定字段。时间同步信息帧发送成功后，总线通信系统中时钟从节点会收到时钟主节点的时间同步信息帧，并将其到达时间记录下来，作为时间同步信息帧的到达时刻。假设第i个时钟从节点(i＝1,2,…,N)测量的时间同步信息帧到达时间为
Figure BDA0002243009370000031
若以
Figure BDA0002243009370000032
为修正值校正时钟从节点的本地时间基准，可以保证时钟从节点之间的时间偏差很小。
由图1可知，在总线通信系统中，一个节点(假设为时钟主节点)发送消息后，其通过广播形式在整个总线通信系统中传输，其他节点均会收到。因传输过程基本一致，且物理链路长度对传播时延的影响较小，所以总线通信系统中其他节点几乎同时收到时钟主节点发送的消息。由于时钟从节点收到时间同步信息帧的时间基本一致，则修正本地时间的时刻一样，同时时间参考信息都是来自时钟主节点的tM，因此，该方法可从根本上保证时钟从节点之间的同步精度很高。
受链路传输延迟的影响，虽然时钟从节点之间基本没有时间偏差，但是时钟从节点与时钟主节点还存在时间偏差。为了消除时钟主节点与时钟从节点之间的时间偏差，采用离线估计传输延迟的方法，预先测量链路传输延迟大小，然后存储起来，在线时间同步过程中，认为每次时间同步信息帧的传输延迟基本相同，利用离线测量值修正当前的时间基准，减小时钟从节点与时钟主节点之间的时间偏差，形成总线通信系统的全局时间同步。因此，第i个时钟从节点(i＝1,2,…,N)进行时间修正时，先读取预先存储的链路传输延迟补偿值
Figure BDA0002243009370000033
以
Figure BDA0002243009370000034
为修正值校正其本地时间基准，则可以消除其与时钟主节点之间的时间偏差，同时时钟从节点之间的时间基准基本一致，即可实现全局时间基准的高精度同步。
在总线通信系统中，两个节点之间的数据传输延迟可划分为图3中的6个部分。其中发送延迟、处理延迟属于发送节点和接收节点软件处理产生的延迟，具有较大的不确定性，访问延迟主要是处理器与PHY芯片之间及PHY芯片将数据发送至链路的延迟，传输延迟和接收延迟两者数值相等，是在当前通信速率下发送数据总长度所需的时间，传播延迟是信号在通信链路上的传播时间，等于链路长度除以信号传播速度。在硬件同步方式下，发送延迟、处理延迟等软件延迟的影响可被屏蔽，消除了链路传输延迟的不确定性问题。其他的影响因素均为硬件传输延迟，其数值大小基本固定，因此，可通过离线测量的方式确定时钟主节点与各时钟从节点之间的传输延迟。
时钟主节点与第i个时钟从节点(i＝1,2,…,N)之间链路传输延迟的测量可采用如下方法：时钟主节点在发送时间同步信息帧前导码时产生一个脉冲信号；第i个时钟从节点(i＝1,2,…,N)收到时间同步信息帧后，在读取时间同步信息帧的发送时刻tM后产生一个脉冲信号；用示波器测量两个脉冲之间的时间差，作为链路传输延迟
Figure BDA0002243009370000041
的测量值。
利用上述方法即可实现总线通信系统的全局时间同步，图4是在实际系统中时间同步精度的测量结果，测试结果表明采用上述方法可将总线通信系统各节点之间的时间同步误差控制在几十个纳秒以内。

Claims (2)

1.一种适用于总线通信系统的时间同步方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.用于实施所述适用于总线通信系统的时间同步方法的系统，其至少含有一个时钟主节点和N个时钟从节点(N>＝2)，所述时钟主节点发送时间同步信息帧至总线，并将时间同步信息帧的发送时刻tM，写入至时间同步信息帧的指定字段；
S2.第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)记录其收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧的时刻
Figure FDA0002243009360000011
读取时间同步信息帧的发送时刻tM；
S3.第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)读取预先设定的延迟补偿值
Figure FDA0002243009360000012
将
Figure FDA0002243009360000013
作为修正值校正第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)的本地时间基准。
2.根据权利要求1中所述适用于总线通信系统的时间同步方法，其特征在于，所述步骤S3中所述的延迟补偿值
Figure FDA0002243009360000014
的具体计算方法如下：所述时钟主节点在发送时间同步信息帧时产生一个脉冲信号，记为δM；第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)收到所述时钟主节点发送的时间同步信息帧后产生一个脉冲信号，记为
Figure FDA0002243009360000015
用示波器测量脉冲信号δM和脉冲信号
Figure FDA0002243009360000016
之间的时间差，将其作为第i个所述时钟从节点(i＝1,2,…,N)与所述时钟主节点之间的所述延迟补偿值
Figure FDA0002243009360000017
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