CN112636860B

CN112636860B - 基于比例积分算法的ieee1588协议时间校准方法

Info

Publication number: CN112636860B
Application number: CN202011537556.6A
Authority: CN
Inventors: 王红春; 金星; 王国栋; 营志远; 邓熙玺; 王国建
Original assignee: Xi'an Yunwei Zhilian Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Yunwei Zhilian Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112636860A

Abstract

本发明公开了一种基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法：步骤1，计算得到时间偏差值；将系统时间戳寄存器system_time减去该值；步骤2，计算当前时间偏差值t_b，并将其存入当前时间偏差值表中，计算积分值；步骤3，计算频率补偿值；步骤4，设置寄存器addend存储频率补偿值；步骤5，硬件晶振产生时间计数时，将步骤1得到的更新后的系统时间戳寄存器system_time的值，加上硬件晶振的计数周期时长，再加上步骤4中寄存器addend中的值，得到当前的系统时间戳寄存器system_time的值，即完成系统时间的校准；步骤6，系统接收新的IEEE1588协议，重复执行2‑6步。

Description

基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法

技术领域

本发明属于计算机网络通信领域，具体涉及一种基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法。

背景技术

在现代化的工业制造领域，一个大的系统往往划分为多个子系统、子节点，各个节点间协同工作，这就需要每个节点设备的时间是一致的。而硬件的时间计时大多是基于晶振的计数式的计时方法，由于每个晶振的频率不可能完全一样，这就导致了不同硬件设备的时间出现不一致。因此，这就需要有一定的机制，每隔一定的时间对网络上的硬件设备进行时间同步，给整个网络提供基础的时间同步服务。

以太网的标准IEEE1588-2008(version 2)中规定了基于以太网的时间同步方法。该方法具有实现简单、同步精度高、标准化、应用广泛的特点，在实时性的工业以太网上得到了广泛应用。通过IEEE1588协议计算出主节点和从节点的时间偏差，然后校准从节点系统时钟，使得主从时钟趋于一致。如图1所示，IEEE1588的时间同步的原理是，一个设备作为主设备(Master)，一个或多个设备作为多个从设备(Slave)，Slave通过计算出与Master间的时间偏差，从而修正Slave的时间，使得Slave的时间与Master一致。

但是，IEEE1588协议并没有给出具体的时间校准方法，通常是直接给系统时间减去偏差值来校准。该方法准确性差，时钟抖动较大，最终使得时间同步精度变差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法。

为了实现上述目的，本发明给出如下技术方案予以解决：

一种基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法，具体包括如下步骤：

步骤1，使用IEEE1588协议计算得到时间偏差值t_b；将系统时间戳寄存器system_time减去t_b，得到更新后的系统时间戳寄存器system_time；

步骤2，使用IEEE1588协议计算得到当前的时间偏差值t_b，并将其存入当前时间偏差值表中，使用下式计算积分值：

ki_sum＝KI*∑t_b

其中，KI是积分系数；∑t_b是当前时间偏差值表中所有数值的累加；

步骤3，计算频率补偿值t_r，公式如下：

t_r＝KP*t_b+ki_sum

其中，t_b是由步骤2得到的当前的时间偏差值，KP是比例系数，不同的KP和不同的KI组合可适应不同的应用场景；

步骤4，设置寄存器addend，用于存储步骤3计算得到的频率补偿值t_r。

步骤5，硬件晶振产生时间计数时，将步骤1得到的更新后的系统时间戳寄存器system_time的值，加上硬件晶振的计数周期时长，再加上步骤4中寄存器addend中的值，得到当前的系统时间戳寄存器system_time的值，即完成系统时间的校准；

步骤6，系统接收新的IEEE1588协议，令i＝i+1，转至第2步。

进一步的，KP为0.7，KI为0.3。

进一步的，所述寄存器addend为32位的寄存器。

进一步的，所述硬件晶振的计数周期时长为1s。

进一步的，所述步骤6中，每隔100us-10s系统接收到一次IEEE1588协议，取1s。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

优点：

1、同步精度高。由比例积分算法预测整体修正时间偏差，考虑到了修正时间偏差过程本身带来的影响。

2、时间偏差修正的速度快。经过采集最少二次历史偏差数据，即可用比例积分算法计算出预测偏差值。在不更改IEEE1588标准的基础上，实现高效的时间校准，与原有系统兼容。

3、时间偏差的抖动小。由于采用了频率补偿值的方式校准时钟，比传统直接修改时钟的方式产生的时钟抖动小。

附图说明

图1是IEEE1588时间同步以太网体系结构；

图2是传统的时钟校准方法中与Master的时间偏差随时间的变化情况；

图3是使用了频率补偿值、比例积分算法校准时钟时与Master的时间偏差随时间的变化情况；

图4是传统的时钟校准的示意图。

图5是本发明的方法是算法流程图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

基于现有技术中存在的诸多技术问题，本发明的设计思路是：1)时钟频率增加补偿值，通过时钟频率补偿值，来修正时间偏差，解决常规修正导致的时间抖动过大的问题。2)每次IEEE1588同步得到的偏差值，通过比例积分的算法，计算出频率补偿值。以优化同步精度，同时加快补偿值计算速度。

本发明的具体设计过程如下：

1、使用时钟频率补偿值修正时钟

如图2所示，传统的时钟校准是直接修正系统时间，就是在IEEE1588协议计算出时间偏差后，在系统时间上减去偏差值。由于时间偏差随时间不断增大，而校准是每隔一段时间修正一次，所以时间偏差会存在比较大的抖动。

本发明使用频率补偿值来校准时钟，就是在硬件晶振产生时间计数时，加上一个补偿值，从而使得系统时间被校准。这种补偿值作用于整个计时过程，不会出现时间偏差随时间逐步增加的情况。

从图3中可以看到，整个系统的时间偏差抖动可以变得更加小，更加平缓。

2、比例积分计算频率补偿值

如图4所示，传统的时钟校准从计算出偏差值到修正时间，中间经过了多个软硬件模块的数据传输和计算，导致时间修正的延迟过大，同步精度过大。

由于整个时间修正过程经过了数据传输、计算偏差值、修正时钟等过程，所以实际的真实偏差值应该是计算偏差值+校准时间。即：

t_r＝t_b+t_c

其中t_r是实际的偏差(也是频率补偿值)，t_b是IEEE1588协议计算出的时间偏差值，t_c是校准过程消耗的时间，就是上图中的t1+t2+t3。在直接修正时钟时，t_c的值被忽略掉了，因此整个校准结果就变得精度比较差。

比例积分(Proportional Integral，简称PI)，是一种经典的控制策略，由于其算法简单、鲁棒性好可靠性高，被广泛应用于工业控制。此处PI算法的基本公式为：

t_r＝KP*t_b+KI*Σt_b

其中，t_r是频率补偿值，KP是比例系数，KI是积分系数，t_b是协议IEEE1588计算出的时间偏差值。不同的KP和不同的KI组合可以适应不同的应用场景，默认情况下KP为0.7，KI为0.3。

经过比例积分计算出频率补偿值，然后修正系统时钟，整个同步精度可以从传统方法的微秒级提高到100纳秒以内。

实施例1：

遵循上述本发明的设计思路，本实施例的基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法，具体包括如下步骤：

由于频率补偿值是针对系统1秒钟时间做出的补偿，补偿值不能大于1秒，此步骤可以把系统时间偏差降低到1ms以内。

ki_sum＝KI*∑t_b

本步骤即对t_b的所有历史值进行累加，然后乘以积分系数KI；经过采集二次历史偏差数据，即可用比例积分算法计算出预测偏差值。在不更改IEEE1588标准的基础上，实现高效的时间校准，与原有系统兼容。

步骤3，计算频率补偿值t_r，公式如下：

t_r＝KP*t_b+ki_sum

其中，t_b是由步骤2得到的当前的时间偏差值，KP是比例系数，不同的KP和不同的KI组合可以适应不同的应用场景，默认情况下KP为0.7，KI为0.3。

上述步骤由比例积分算法预测整体修正时间偏差，考虑到了修正时间偏差过程本身带来的影响，使得同步精度相较于现有技术大大提高。

步骤4，设置一个32位的寄存器addend，用于存储步骤3计算得到的频率补偿值tr。

步骤5，硬件晶振产生时间计数时，将步骤1得到的更新后的系统时间戳寄存器system_time的值，加上硬件晶振的计数周期时长(一般为1s)，再加上步骤4中寄存器addend中的值，得到当前的系统时间戳寄存器system_time的值，即完成系统时间的校准；

步骤6，系统接收新的IEEE1588协议，令i＝i+1，转至第2步。

一般每隔100us-10s系统接收到一次IEEE1588协议，通常为1s；

由上述方案可知，经过步骤1对时间戳寄存器system_time减去t_b得到更新后的时间戳寄存器，即对时间偏差进行去除，实现对系统时间的初步调节，再经过步骤2-5，由比例积分算法预测整体修正时间偏差过程带来的影响，在更新后的时间戳寄存器system_time加上动态更新的频率补偿值，即对系统时间去除的偏差进行修正，实现对系统时间的精细调节，克服了现有技术中同步精度不高的缺陷。进一步的，通过实时动态循环上述过程，实现对系统时间的动态精细调节。同时，本发明由于采用了频率补偿值的方式校准时钟，比传统直接修改时钟的方式产生的时钟抖动小。

经实验，在直接使用时间偏差值修正时钟时，系统的时间偏差值是323±30ns。而使用了比例积分算法修正后，系统的时间偏差值是0.19±20ns。

Claims

1.一种基于比例积分算法的IEEE1588协议时间校准方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

ki_sum＝KI*∑t_b

步骤3，计算频率补偿值t_r，公式如下：

t_r＝KP*t_b+ki_sum

步骤4，设置寄存器addend，用于存储步骤3计算得到的频率补偿值t_r；

步骤6，系统接收新的IEEE1588协议，令i＝i+1，转至第2步；

KP为0.7，KI为0.3；

所述寄存器addend为32位的寄存器；

所述硬件晶振的计数周期时长为1s；

所述步骤6中，每隔100us-10s系统接收到一次IEEE1588协议，取1s。