CN114615736A - 一种时间同步网络装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时间同步网络装置，包括主控模块以及分别与主控模块连接的上行Eth模块、高精度原子钟和数据缓存模块，还包括与主控模块连接的下行Eth接入模块、WIFI接入模块、RS485接入模块和Zigbee接入模块；还公开了其方法；本发明通过上行Eth和上行设备使用IEEE1588 v2时间同步，实现对网络基准时间溯源，同时使用同步得到的基准时间，驯服高精度原子钟，下行网络节点通过Eth、WIFI、RS485和Zigbee方式接入，根据相应的接入方式，选择相应的授时方案，实现下行网络节点该时间同步装置之间的时间同步。

Description

一种时间同步网络装置及方法
技术领域
本发明属于工业物联网技术领域，特别涉及一种时间同步网络装置及方法，用于电力等工业领域高精度时间同步物联网感知层传感器。
背景技术
目前，物联网已在各行各业中得到了迅猛的发展，很多应用中需要物联网设备之间实现时间同步。
在高精度时空信息的互联网应用场景中，需要网络节点之间的时间精确同步。特别在涉及电力等工业物联网中需要高精度的时间信息支持网络节点之间的协同。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的之一是提供一种高精度、高可靠的时间同步网络装置，支持Eth、WIFI、RS485、Zigbee等方式接入，并支持对接入的网络设备授时。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种时间同步网络装置，包括主控模块以及分别与主控模块连接的上行Eth模块、高精度原子钟和数据缓存模块，还包括与主控模块连接的下行Eth接入模块、WIFI接入模块、RS485接入模块和Zigbee接入模块。
本发明的目的之二是提供一种时间同步网络装置的时间同步方法，包括如下步骤：
S1，时间同步网络装置的主控模块通过上行Eth模块采用IEEE 1588 v2协议和上行网络节点实现时间同步；
S2，该时间同步网络装置的主控模块使用上行Eth模块输入的和上行网络节点同步之后的1PPS时间信号驯服高精度原子钟的时间信号，由高精度原子钟3提供内生时间源，在上行时间信号不可用时，为下行网络提供高精度时间；
S3，根据该时间同步网络装置的下行网络节点的接入方式选择下行Eth接入模块、WIFI接入模块、RS485接入模块或Zigbee接入模块采用相应的时间同步方式完成对下行网络节点授时；
S4，当主控模块检测到该时间同步网络装置的上行网络节点异常时，可以将下行数据输送至数据缓存模块缓存处理，在上行链路恢复之后，将缓存数据上报。
所述步骤S1中的同步流程为：
S11，通过上行设备同步得到的主时钟向网络中广播Sync 报文并标记报文的出端口时间𝑡1，高精度原子钟产生的从时钟接收 Sync 报文并标记报文的入端口时间𝑡2，此时从时钟获取时间戳𝑡2；
S12，主时钟向网络中广播 Follow_up 报文，该报文中包含时间戳𝑡1，从时钟获取Follow_up 并解析数据包，通过广播方式发送的 Sync 与 Follow_up 依赖报文中的SequenceId 数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2；
S13，从时钟在上一步完成后等待定时器信息，Delay_Req 报文在该报文定时器溢出后发送，从时钟向网络中广播该报文并标记报文的出端口时间𝑡3，主时钟接收 Delay_Req 报文并标记报文的入端口时间𝑡4，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3；
S14，主时钟向网络中广播 Delay_Resp 报文，该报文中包含时间戳𝑡4，从时钟获取Delay_Resp 并解析数据包，通过广播方式发送的 Delay_Req 与Delay_Resp 依赖报文中的 SequenceId 数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3、𝑡4；
S15，从时钟按照如下公式对获取的时间戳进行计算，可以得到主从时钟偏差offset以及平均链路延时Mean Path Delay：
Figure 65145DEST_PATH_IMAGE001
。
所述的时间同步方法，其步骤S2中的驯服具体为：
S21，高精度原子钟输出1PPS信号给该时间同步网络装置的主控模块；
S22，主控模块使用1PPS时间信号和高精度原子钟输出的1PPS信号对比，得到两路时间信号的差值；
S23，主控模块将差值通过数据总线反馈给高精度原子钟；
S24，高精度原子钟根据对比数据，校正输出的时间信号。
进一步，采用时间比对方法用上行IEEE1588v2同步时间输出1pps信号与本地高精度时钟（从时钟）分频输出1pps信号进行时差比对，每秒测量一次，根据频率和周期互为倒数的关系，计算频率准确度为
Figure 128916DEST_PATH_IMAGE002
，
式中A为频率准确度，f0为频标(10MHz) ，Δf为频率偏差，Δtn为第Tn时刻测得的从时钟（高精度原子钟）输出1pps与主时钟（上行同步基准时间）输出1pps信号的时间差，Tn为测量时刻；根据计算的频率准确度以及绝对时差综合产生本地高精度时间模块的压控电压，实现对本地高精度时钟频率的校准和本地时间调整，达到时钟驯服的目的。
所述的时间同步方法，其步骤S2中将驯服后的高精度原子钟的时间信号作为该时间同步网络装置的备份时间。
所述的时间同步方法，其步骤S4中下行网络节点上报缓存数据具体为：
S41，检测该时间同步网络装置的上行链路状态；
S42，如果上行链路异常，将下行网络节点上报的数据存放在数据缓存模块；
S43，接收到该时间同步网络装置的上行链路恢复消息后将缓存在数据缓存模块的本地数据通过上行网络端口发送出去。
本发明的有益效果是：本发明集成Eth模块、WIFI AP、RS485接口以及Zigbee接入模块，具备下行网络节点通过Eth、WIFI、RS485和Zigbee等方式接入；对下行Eth、WIFI、Zigbee、RS485等方式接入的网络设备通过IEEE1588 v2、NTP、以及时间同步算法等方式完成高精度授时；可作为网络汇聚节点通过Eth、WIFI、RS485和Zigbee等方式支持其他网络设备接入该时间同步装置，并根据接入方式，对下行加入网络节点完成授时。
附图说明
图1是本发明时间同步网络装置的结构示意图；
图2是本发明的应用场景示意图；
图3是本发明的基准时间溯源原理图；
图4是本发明的驯服原理图；
图5是本发明时间同步方法的驯服流程；
图6是下行网络节点通过Eth接入本发明装置的时间同步流程；
图7是下行网络节点通过WIFI接入本发明装置的时间同步流程；
图8是下行网络节点通过RS485或Zigbee接入本发明装置的时间同步流程。
各附图标记为：1—主控模块，2—上行Eth模块，3—高精度原子钟，4—数据缓存模块，5—下行Eth接入模块，6—WIFI接入模块，7—RS485接入模块，8—Zigbee接入模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参照图1、图2所示，本发明公开的一种时间同步网络装置，包括主控模块1以及分别与主控模块1连接的上行Eth模块2、高精度原子钟3和数据缓存模块4，还包括与主控模块1连接的下行Eth接入模块5、WIFI接入模块6、RS485接入模块7以及Zigbee接入模块8。
本发明时间同步网络装置具备时间溯源能力：能够将设备的本地时间同步至网络的基准时间。
本发明时间同步网络装置提供内生高精度时间源：具备高精度内生时间能力，在外部时间不可用时，可以给下行网络节点提供可用时间信息。
本发明时间同步网络装置提供内生高精度时间源：该时间同步装置具备高精度内生时间能力，在外部时间不可用时，可以给下行网络节点提供可用时间信息
本发明时间同步网络装置能实现基于高精度时间戳的数据交换：具备对下行网络节点授时能力，支持高精度时间戳的数据交换。
本发明时间同步网络装置提供丰富的下行网络节点接入能力：包括但不限于Eth、WIFI、RS485、Zigbee等下行网络节点接入能力。
在网络中部署本发明时间同步网络装置，有以下收益：
1），该时间同步网络装置能对网络基准时间溯源，和基准时间之间的同步精度达到IEEE 1588 v2的同步精度。
2），该时间同步网络装置提供高可靠时间源，在外部时间信号不可用时，给下行网络节点提供高精度、高可靠时间源。
3），该时间同步网络装置通过对下行网络节点授时，支持网络基于高精度时间戳的数据报文交换。
4），该时间同步网络装置支持下行网络节点通过Eth、WIFI、RS485和Zigbee等方式通过该时间同步装置接入网络。
本发明公开的时间同步方法，包括如下步骤：
S1，基准时间溯源：时间同步网络装置的主控模块1通过上行Eth模块2采用IEEE1588 v2协议和上行网络节点实现时间同步；因上行Eth模块2支持IEEE 1588v2协议，通过上行网络端口和上层网络节点时间同步，实现该装置对网络基准时间溯源，基准时间溯源的实现方案如图3所示。
本发明时间同步网络装置和上行网络节点之间的同步时间是上行网络节点时间作为主时钟时间，时间同步网络装置的时间作为从时钟的时间；下行网络节点和时间同步网络装置之间的同步时间是时间同步网络装置的时间作为主主时钟时间，下行网络节点的时间作为从时钟的时间。
因此主时钟是通过上行设备同步得到的时钟，从时钟是高精度原子钟3产生的时钟
同步流程为：
S11，主时钟向网络中广播Sync 报文并标记报文的出端口时间𝑡1，从时钟接收Sync 报文并标记报文的入端口时间𝑡2，此时从时钟获取时间戳𝑡2。
S12，主时钟向网络中广播 Follow_up 报文，该报文中包含时间戳𝑡1，从时钟获取Follow_up 并解析数据包，通过广播方式发送的 Sync 与 Follow_up 依赖报文中的SequenceId 数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2。
S13，从时钟在步骤S12完成后等待定时器信息，Delay_Req 报文在该报文定时器溢出后发送，从时钟向网络中广播该报文并标记报文的出端口时间𝑡3，主时钟接收 Delay_Req 报文并标记报文的入端口时间𝑡4，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3。
S14，主时钟向网络中广播 Delay_Resp 报文，该报文中包含时间戳𝑡4，从时钟获取Delay_Resp 并解析数据包，通过广播方式发送的 Delay_Req 与Delay_Resp 依赖报文中的 SequenceId 数据字段进行对应，此时从时钟获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3、𝑡4。
S15，从时钟按照如下公式对获取的时间戳进行计算，可以得到主从时钟偏差offset以及平均链路延时Mean Path Delay：
Figure 62237DEST_PATH_IMAGE001
。
S2，内生高精度时间源：该时间同步网络装置的主控模块1使用上行Eth模块2输入的和上行网络节点同步之后的1PPS时间信号驯服高精度原子钟3的时间信号；由高精度原子钟3提供内生时间源，在上行时间信号不可用时，为下行网络提供高精度时间；同时将驯服后的高精度原子钟3的时间信号作为该时间同步网络装置的备份时间。
因该时间同步网络装置可通过内置的高精度原子钟3使用同步时间信号对内部时间模块校准，将驯服后的高精度原子钟3作为该装置的备份时间源，在外部时间不可用时，使用内部时间源作为该装置以及其下行网络的基准时间。
其中内生高精度时间模块的驯服方案为：采用时间比对方法用上行IEEE1588v2同步时间输出1pps信号与本地高精度时钟分频输出1pps信号进行时差比对，每秒测量一次，根据频率和周期互为倒数的关系，计算频率准确度为：
Figure 731116DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，A为频率准确度；f0为频标(10MHz)；Δf为频率偏差；Δtn为第Tn时刻测得的本地高精度时间输出1pps与上行同步基准时间输出1pps信号的时间差；Tn为测量时刻。根据计算的频率准确度以及绝对时差综合产生本地高精度时间模块的压控电压，实现对本地高精度时钟频率的校准和本地时间调整，达到时钟驯服的目的。本地高精度时间驯服的系统组成原理如图4所示。
S21，高精度原子钟3输出1PPS信号给该时间同步网络装置的主控模块1。
S22，主控模块1使用1PPS时间信号和高精度原子钟3输出的1PPS信号对比，得到两路时间信号的差值，如图5所示。
S23，主控模块1将差值通过数据总线反馈给高精度原子钟3。
S24，高精度原子钟3根据对比数据，校正输出的时间信号。
S3，基于高精度时间戳的数据通信：根据该时间同步网络装置的下行网络节点的接入方式选择下行Eth接入模块5、WIFI接入模块6、RS485接入模块7或Zigbee接入模块8采用相应的时间同步方式完成对下行网络节点授时。
对应的时间同步实现技术方案如下：
下行网络节点通过Eth口接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图6所示。
下行网络节点通过WIFI接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图7所示。
下行网络节点通过RS485或Zigbee接口接入该时间同步装置，对应的时间同步流程如图8所示。
S4，当主控模块1检测到该时间同步网络装置的上行网络节点异常时，可以将下行数据输送至数据缓存模块4缓存处理，在上行链路恢复之后，将缓存数据上报。
上报缓存数据具体为：
S41，检测该时间同步网络装置的上行链路状态。
S42，如果上行链路异常，将下行网络节点上报的数据存放在数据缓存模块4。
S43，接收到该时间同步网络装置的上行链路恢复消息后将缓存在数据缓存模块4的本地数据通过上行网络端口发送出去。
以上所述仅是用以说明的技术方案而非对其限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的实施例，所述领域的技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种时间同步网络装置，其特征在于：包括主控模块（1）以及分别与主控模块（1）连接的上行Eth模块（2）、高精度原子钟（3）和数据缓存模块（4），还包括与主控模块（1）连接的下行Eth接入模块（5）、WIFI接入模块（6）、RS485接入模块（7）和Zigbee接入模块（8）。
2.一种如权利要求1所述网络装置的时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，主控模块（1）通过上行Eth模块（2）采用IEEE 1588 v2协议和上行网络节点实现时间同步；
S2，主控模块（1）使用上行Eth模块（2）输入的1PPS时间信号驯服高精度原子钟（3）的时间信号，由高精度原子钟（3）提供内生时间源，在上行时间信号不可用时，为下行网络提供高精度时间；
S3，根据下行网络节点的接入方式选择下行Eth接入模块（5）、WIFI接入模块（6）、RS485接入模块（7）或Zigbee接入模块（8）完成对下行网络节点授时；
S4，当主控模块（1）检测到上行网络节点异常时，将下行数据输送至数据缓存模块（4），上行链路恢复之后将缓存数据上报。
3.根据权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S1中的同步流程为：
S11，通过上行设备同步得到的主时钟向网络中广播Sync 报文并标记报文的出端口时间𝑡1，高精度原子钟（3）产生的从时钟接收 Sync 报文并标记报文的入端口时间𝑡2，获取时间戳𝑡2；
S12，主时钟向网络中广播包含时间戳𝑡1的Follow_up 报文，从时钟获取Follow_up 并解析数据包，获取时间戳𝑡1、𝑡2；
S13，从时钟向网络中广播该报文并标记报文的出端口时间𝑡3，主时钟接收 Delay_Req报文并标记报文的入端口时间𝑡4，获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3；
S14，主时钟向网络中广播包含时间戳𝑡4的Delay_Resp 报文，获取Delay_Resp 并解析数据包，获取时间戳𝑡1、𝑡2、𝑡3、𝑡4；
S15，从时钟按照如下公式对获取的时间戳进行计算，得到主从时钟偏差offset以及平均链路延时Mean Path Delay：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S2中的驯服具体为：
S21，高精度原子钟（3）输出1PPS信号给主控模块（1）；
S22，主控模块（1）使用1PPS时间信号和高精度原子钟（3）输出的1PPS信号对比，得到两路时间信号的差值；
S23，主控模块（1）将差值通过数据总线反馈给高精度原子钟（3）；
S24，高精度原子钟（3）根据对比数据，校正输出的时间信号。
5.根据权利要求4所述的时间同步方法，其特征在于，用上行IEEE1588v2同步时间输出1pps信号与本地高精度时钟分频输出1pps信号进行时差比对，每秒测量一次，计算频率准确度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，式中A为频率准确度，f0为频标，Δf为频率偏差，Δtn为第Tn时刻测得的从时钟输出1pps与主时钟输出1pps信号的时间差，Tn为测量时刻，实现对本地高精度时钟频率的校准和本地时间调整。
6.根据权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S2中将驯服后的高精度原子钟（3）时间信号作为备份时间。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S4中下行网络节点上报缓存数据具体为：
S41，检测上行链路状态；
S42，如果上行链路异常，将下行网络节点上报的数据存放在数据缓存模块（4）；
S43，接收到上行链路恢复消息后将数据缓存模块（4）的本地数据通过上行网络发送出去。
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