CN112583836A - 一种时间触发以太网时间同步方法、设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时间触发以太网时间同步方法、设备及系统，该方法包括以下步骤：接受控制器终端发送的报文；对同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的差值；基于M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正。该方法中时钟的频率同步依据最近的多个时间同步周期的时间差值进行修正，其方法简单有效，可实现时间和频率的同步修正，使用低频率的时间同步方法达到网络实时全局时间同步的要求，从而有效降低时间触发以太网网络的硬件和软件要求，并且完全兼容现有的时间同步协议，没有新增其他协议报文，使用低频率的报文进行时间同步，大大降低了网络的负载。
Description
技术领域
本发明属于时间触发以太网技术领域，具体地涉及一种时间触发以太网时间同步方法、设备及系统。
背景技术
时间触发以太网TTE(Time Triggered Ethernet)是一个高确定性的实时网络，它将事件规划在不同的时间窗口中，保证整个网络处于无冲突、低延时和高确定性的状态。时间触发以太网广泛应用于对网络实时性要求高的航空领域、汽车领域以及工业领域。时间触发以太网依据网络的拓扑结构和各个节点的行为进行调度规划，时间触发是以时间为基准，所以要求各个节点处于全局时间同步的状态。SAE AS6802标准是国外对于时间触发以太网的时间同步机制，采用无主从结构的同步方式，广泛应用于时间触发以太网工业中的时间同步。
目前时间触发以太网的时间同步使用通过各个网络节点之间周期性地发送PCF协议控制报文传递本地时钟信息，然后协议利用固化算法对网络中的积累延时进行补偿，获得各个节点的时钟相对差异，再利用压缩算法获得时钟差异的均值，最后各个节点利用这个均值对自己的本地时钟进行修正。现有的这种同步方法只同步了各个节点时钟的时间，没有进行各个时钟的频率同步，由于各个时钟晶振的频率和抖动差异，现有技术为了达到一定的全局时间同步要求，同步频率高达每秒上千次，如此高的同步频率对网络的硬件和软件要求都很高，并且高频率的PCF协议控制报文对网络产生很大的负荷影响。
发明内容
为了解决现有全局实现时间同步频率高对网络设备和软件要求高、高频报文传输对网络负荷大的问题，本发明提供一种可同时实现时间和频率同步且低频实现频率同步的时间触发以太网时间同步方法、设备及系统，以减小对软硬件的要求和网络负荷。
本发明通过以下技术方案实现：
一种时间触发以太网时间同步方法，其适用于太网交换机CM端，包括以下步骤：
A、接受控制器终端发送的报文；
B、对同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的差值；
C、基于M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正，其中M为大于1的自然数。
时间触发以太网TTE的网络构件主要包括：交换机CM、控制器终端SM、客户终端SC及物理链路。交换机CM作为时间同步的决策者，整合控制器终端SM发送的报文信息，并把整合结果发送给控制器终端SM、客户终端SC。控制器终端SM为时间同步的发起者，客户终端SC为时间同步的参与者，被动接收交换机CM整合后的报文信息。本方案在现有时间触发以太网时间同步标准中加入时钟的频率同步，时钟的频率同步依据最近的多个时间同步周期的时间差值进行修正，其方法简单有效，可实现时间和频率的同步修正，使用低频率的时间同步方法达到网络实时全局时间同步的要求，从而有效降低时间触发以太网网络的硬件和软件要求，并且完全兼容现有的时间同步协议，没有新增其他协议报文，使用低频率的报文进行时间同步，大大降低了网络的负载。
作为优选，还包括利用时间差值对本地时间进行修正。
作为优选，对频率进行修正的方法为：
对M个时间同步周期的时间差值的进行数学统计计算；
根据时间差值的该数学统计值计算得到本地时钟和标准时钟的频率差；
根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值进行频率修正。
进一步的，所述数学统计采用平均值、加权平均值或方差值的方法。
作为优选，采用固化和压缩的方式对报文进行处理。
一种时间触发以太网时间同步方法，其适用于控制器终端SM或客户终端SC端，包括以下步骤：
接收以太网交换机采用上述方法后生成的报文；
对报文进行固化算法处理；
进行时间和频率同步。
一种时间触发以太网时间同步设备，包括：
用于接收和发送报文数据的数据收发模块；
对接收的同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的时间差值的时间差值计算模块；
根据时间差值对本地时间进行修正的时间同步模块；
设置频率修正周期M*T0的周期设置模块，其中，M为大于1的自然数；
根据M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正的频率同步模块。
一种时间触发以太网时间同步设备的系统，包括上述时间同步设备、与时间同步设备进行信息交互实现时间同步的控制器终端、被动接收时间设备信息实现时间同步的客户终端。
本发明与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果:
本发明方法时钟的频率同步依据最近的多个时间同步周期的时间差值进行修正，其方法简单有效，可实现时间和频率的同步修正，使用低频率的时间同步方法达到网络实时全局时间同步的要求，从而有效降低时间触发以太网网络的硬件和软件要求，并且完全兼容现有的时间同步协议，没有新增其他协议报文，使用低频率的报文进行时间同步，大大降低了网络的负载。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法的一具体实施流程图。
图3是本发明方法的另一具体实施流程图。
图4是本发明系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选可能设计中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1
时间触发以太网TTE的网络中交换机CM作为时间同步的决策者，整合控制器终端SM发送的报文信息，并把整合结果发送给控制器终端SM、客户终端SC。本实施例公开以太网交换机端的一时间同步方法，即如图1所示的一种时间触发以太网时间同步方法，包括以下步骤：
A、接受控制器终端发送的报文；
B、对同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的时间差值；
C、基于M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正，其中M为大于1的自然数。
具体的，上述以太网交换机与控制器终端SM、客户终端SC信息交互处理方法流程为：
时间触发以太网的时间同步频率为F0，控制器终端每隔T0时间间隔发送PCF协议控制报文到以太网交换机，其中，T0＝1/F0。以太网交换机接收到控制器终端发送的报文数据后，将同一时间同步周期T0内的报文进行固化和压缩处理得到标准时钟和本地时钟的差值offset，可基于该差值对本地时钟进行时间修正，修正方法为：标准时钟＝本地时钟+offset。
以太网根据已设置好的频率更新周期M*T0，根据M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正，压缩报文后将其发送给控制器终端SM、客户终端SC。
控制器终端SM、客户终端SC接收到压缩的PCF报文后，进行固化算法处理，进行时间频率同步更新。
需要说明的是，此处的固化、压缩采用现有相关标准的方式实现，具体可参照SAEAS6802标准，在此不做赘述。
实施例2
基于上述实施例的方法和原理，本实施例公开一以太网交换机端的时间同步方法，具体的如图2所示：
各控制器终端SM在每个时间同步周期的起始时刻将PCF协议控制报文发送给以太网交换机；以太网交换机接收控制器终端SM发送的报文数据后，将同一时间同步周期T0内的PCF1、PCF2、PCF3等报文进行固化和压缩处理得到标准时钟和本地时钟的差值offset，可基于该差值对本地时钟进行时间修正，修正方法为：标准时钟＝本地时钟+offset。
在连续的M个时间同步周期内，得到M个标准时钟和本地时钟的差值offset1、offset2、…、offsetM。每个M个时间同步周期进行一次频率同步，同步方法为：
计算频率同步周期T1内的平均的时间差值clock_offset，T1＝M*T0，
clock_offset＝(offset1+offset2+…offsetM)/M。
计算本地时钟和标准时钟的频率差Δf：
Δf＝1/(1/f+clock_offset/N)-f，
其中，f为本地时钟的晶振频率，周期为T＝1/f,时间同步周期T0＝N*T，其中N为正整数。
根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值，以进行频率修正。
实施例3
基于实施例1的方法和原理，本实施例公开一以太网交换机端的时间同步方法，具体的：
各控制器终端SM在每个时间同步周期的起始时刻将PCF协议控制报文发送给以太网交换机；以太网交换机接收控制器终端SM发送的报文数据后，将同一时间同步周期T0内的PCF1、PCF2、PCF3等报文进行固化和压缩处理得到标准时钟和本地时钟的差值offset，可基于该差值对本地时钟进行时间修正，修正方法为：标准时钟＝本地时钟+offset。
在连续的M个时间同步周期内，得到M个标准时钟和本地时钟的差值offset1、offset2、…、offsetM。每个M个时间同步周期进行一次频率同步，同步方法为：
对频率同步周期T1内的数学进行数学统计值clock_offset的计算，T1＝M*T0，
clock_offset＝Function(offset1,offset2,…offsetM)，其中，Function为某种数学转换函数，可以是加权平均值、方差值或其他数学转换函数。
计算本地时钟和标准时钟的频率差Δf：
Δf＝1/(1/f+clock_offset/N)-f，
其中，f为本地时钟的晶振频率，周期为T＝1/f,时间同步周期T0＝N*T，其中N为正整数。
根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值，以进行频率修正。
要实现频率和时间的同步，以太网的频率同步采用上述方法，但是其实现方法不仅限于上述方法，需要说明的是，只要其是基于时间同步周期的数学统计计算方法对本地时钟频率进行修正的方案，其均属于本方案的保护范围。控制器终端SM、客户终端SC接收到上述压缩的PCF报文后，进行固化算法处理，进行时间频率同步更新，该方法具体可参照图3。
实施例4
本实施例公开一种时间触发以太网时间同步设备，其实现与上述实施例中交换机CM同样的功能，如图4所示，其包括数据收发模块、时间差值计算模块、时间同步模块、周期设置模块、频率同步模块。数据收发模块用于接收和发送报文数据；时间差值计算模块对接收的同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的时间差值；时间同步模块根据时间差值对本地时间进行修正；周期设置模块设置频率修正周期M*T0，主要是设置M；频率同步模块根据M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正。具体的，频率同步模块包括：转换值计算模块、频率差值计算模块、频率修正模块。转换值计算模块计算M个时间同步周期的时间差值的平均值、加权平均值或方差值；频率差值计算模块根据时间差值的平均值、加权平均值或方差值计算得到本地时钟和标准时钟的频率差；频率修正模块根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值进行频率修正。
同样的，上述设备与控制器终端、客户终端构成系统使用。
采用本方案的方法、设备及系统，其频率的同步依据最近几个时间同步周期的时间差值的均值对本地时钟频率进行修正，简单有效，保证时钟时间和频率的同时同步修正，可以使用低频率的时间同步方法达到网络实时全局时间同步的要求。随着时间推移，可以计算统计出时间偏差的趋势，调节本地时钟频率轻微变慢或者加快，使得本地时钟与标准时钟计数值趋势一致，从而可以使用低频率的时间同步方法达到网络实时全局时间高度同步的要求。
以上所描述的实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (9)
1.一种时间触发以太网时间同步方法，其适用于以太网交换机CM端，其特征在于，包括以下步骤：
A、接受控制器终端发送的报文；
B、对同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的时间差值；
C、基于M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正，其中M为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网时间同步方法，其特征在于，还包括利用时间差值对本地时间进行修正。
3.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网时间同步方法，其特征在于，对频率进行修正的方法为：
对M个时间同步周期的时间差值进行数学统计计算；
根据时间差值的数学统计值计算得到本地时钟和标准时钟的频率差；
根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值进行频率修正。
4.根据权利要求3所述的一种时间触发以太网时间同步方法，其特征在于，所述数学统计采用计算平均值、加权平均值或方差值的方法。
5.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网时间同步方法，其特征在于，采用固化和压缩的方式对报文进行处理。
6.一种时间触发以太网时间同步方法，其适用于控制器终端SM或客户终端SC端，其特征在于：包括以下步骤：
接收以太网交换机采用上述权利要求1-5任一方法后生成的报文；
对报文进行固化算法处理；
进行时间和频率同步。
7.一种时间触发以太网时间同步设备，其特征在于，包括：
用于接收和发送报文数据的数据收发模块；
对接收的同一时间同步周期T0的报文进行处理得到标准时钟和本地时钟的时间差值的时间差值计算模块；
根据时间差值对本地时间进行修正的时间同步模块；
设置频率修正周期M*T0的周期设置模块，其中，M为大于1的自然数；
根据M个时间同步周期的时间差值对本地时钟频率进行修正的频率同步模块。
8.根据权利要求7所述的一种时间触发以太网时间同步设备，其特征在于，所述频率同步模块包括：
计算M个时间同步周期的时间差值的平均值、加权平均值或方差值的转换值计算模块；
根据时间差值的平均值、加权平均值或方差值计算得到本地时钟和标准时钟的频率差的频率差值计算模块；
根据本地时钟的晶振频率调整计数器每个周期的计数值进行频率修正的频率修正模块。
9.一种时间触发以太网时间同步设备的系统，其特征在于，包括权利要求7-8任一所述的时间同步设备、与时间同步设备进行信息交互实现时间同步的控制器终端、被动接收时间设备信息实现时间同步的客户终端。
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