JP2014235013A - 時刻同期装置、時刻同期システム及び時刻同期方法 - Google Patents

時刻同期装置、時刻同期システム及び時刻同期方法 Download PDF

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【課題】 基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、より正確な時刻を設定できる時刻同期装置を得ること。【解決手段】 推定時刻算出部は、基準となる時刻を示す基準時刻を送信する複数のタイムマスタ装置のうち対応するタイムマスタ装置から送信される基準時刻とタイムマスタ装置からの伝播遅延時間とに基づいて、対応するタイムマスタ装置の推定時刻を算出し、現在時刻算出部は、複数の推定時刻算出部が算出した複数の推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出する。【選択図】 図1

Description

ネットワークで接続された装置の時刻同期に関する。
ネットワークで接続された複数の機器が連携して動作するようなシステムにおいては、複数の機器の制御タイミングをあわせるために、各機器の時刻を一致させることが必要である。例えば、資材を搬送中に切断するシステムにおいて、資材を搬送するタイミングと資材を切断するタイミングが一致していると、搬送中であっても資材を正しい位置で切断できる。しかし、資材を搬送するタイミングと資材を切断するタイミングがずれていると、資材を誤った位置で切断することになってしまう。複数の機器の持つ時刻を一致させることを時刻同期と呼ぶ。
時刻同期の方法として、次の方法がある。基準となる時刻である基準時刻を持つ機器(以下、タイムマスタと称す)が基準時刻を配信する。タイムマスタ以外の機器(以下、タイムスレーブと称す)は、タイムマスタから配信された基準時刻を受信したタイミングで、配信された基準時刻から伝搬遅延時間分、経過した時刻を自身の時刻として設定する。タイムスレーブは時刻同期装置である。
しかし、タイムマスタが1台しか存在しない場合、タイムマスタに異常が発生すると、すべてのタイムスレーブの時刻が狂い、システムとして正しく動作できなくなってしまう。そこで、複数のタイムマスタから1台を選択し、選択したタイムマスタから配信される基準時刻に基づいて、タイムスレーブの時刻を設定する技術がある。タイムスレーブは、自身の持つ時刻と選択したタイムマスタから配信された基準時刻の時刻差を算出する。時刻差が前回時刻を設定したときより増加し、所定値を越えた場合、他のタイムマスタを選択し、その時刻を設定する。(下記特許文献1参照)
特開2007−178363号公報
しかしながら、タイムスレーブがタイムマスタから配信された基準時刻を受信するタイミングは、温度条件の違いや中継処理の待ち合わせなどにより伝搬遅延時間が揺らぎ、意図したタイミングからずれる場合がある。その結果、タイムスレーブは誤差を含む時刻を設定してしまうという問題点があった。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、より正確な時刻を設定できる時刻同期装置を得ることを目的としている。
推定時刻算出部は、基準となる時刻を示す基準時刻を送信する複数のタイムマスタ装置のうち対応するタイムマスタ装置から送信される基準時刻とタイムマスタ装置からの伝播遅延時間とに基づいて、対応するタイムマスタ装置の推定時刻を算出し、現在時刻算出部は、複数の推定時刻算出部が算出した複数の推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出する。
本発明によれば、時刻同期装置は、基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、より正確な時刻を設定することができる。
実施の形態1に係るタイムスレーブの構成を示すブロック図。 実施の形態1に係るタイムマスタの構成を示すブロック図。 実施の形態1に係る基準時刻通知フレームの構成の例を示す図。 実施の形態1に係るタイムマスタの基準時刻計数部及び送信部の処理の流れを示すフローチャート。 実施の形態1に係るタイムスレーブの受信部、推定時刻算出部、及び現在時刻算出部の処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態2に係るタイムスレーブの受信部、推定時刻算出部、及び現在時刻算出部の処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態3に係るタイムスレーブの受信部、推定時刻算出部、及び現在時刻算出部の処理の流れを示すフローチャートである。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るタイムスレーブ11の構成を示すブロック図である。タイムスレーブ11は、N台のタイムマスタ12a〜nと接続されている。タイムマスタ12a〜nはN台としたが、3台以上であれば何台でもよい。タイムスレーブ11は1台としたが、複数台としてもよい。タイムスレーブ11はタイムマスタ12a〜nから通知される基準時刻に同期する時刻同期装置である。
タイムスレーブ11は、受信部13、推定時刻算出部14a〜n、及び現在時刻算出部15から構成される。受信部13は、タイムマスタ12a〜nから送信される基準時刻を受信する。推定時刻算出部14a〜nは、N台のタイムマスタ12a〜nそれぞれに対応し、N個存在する。受信部13は、タイムマスタ12a〜nから受信した基準時刻をタイムマスタ12a〜nに対応する推定時刻算出部14a〜nに通知する。推定時刻算出部14a〜nは、それぞれタイムマスタ12a〜nの基準時刻から推定時刻を算出し、現在時刻算出部15に通知する。現在時刻算出部15は、推定時刻算出部14a〜nから通知された推定時刻に基づいて現在時刻を算出する。
タイムマスタを3台以上とするのは、次の理由からである。例えばタイムマスタ12aが故障しているのか否かは、他のタイムマスタ12b〜nから送信される基準時刻とタイムマスタ12aから送信される基準時刻とを比較することにより判定する。このとき、3台以上あれば多数決で判定することができるからである。
タイムスレーブ11及びタイムマスタ12a〜nは、同じ周波数のクロックを保持している。推定時刻算出部14a〜nは、推定時刻カウンタSa〜nを保持している。推定時刻算出部14a〜nは、クロックの周期にあわせて推定時刻カウンタSa〜nの値を増加させている。また、現在時刻算出部15は、現在時刻カウンタを保持している。現在時刻算出部15も、クロックの周期にあわせて現在時刻カウンタの値を増加させている。よって、推定時刻カウンタSa〜nと現在時刻カウンタは、タイムマスタ12a〜nに同期して値を更新している。
タイムスレーブ11の推定時刻算出部14a〜nは、それぞれ対応するタイムマスタ12a〜nからタイムスレーブ11までの伝搬遅延時間Ta〜Tnを保持しているものとする。伝搬遅延時間Ta〜Tnは、複数回測定した値から求めた平均値でもよい。推定時刻算出部14a〜nは、タイムスレーブ11の起動時に伝播遅延時間の値を設定するようにしてもよいし、タイムスレーブ11の起動中に定期的又は不定期で伝搬遅延時間を測定し、すでに保持している値との平均値を求めるようにしてもよい。
タイムマスタ12a〜nの構成について、タイムマスタ12aを例として説明する。
図2は、実施の形態1に係るタイムマスタ12aの構成を示すブロック図である。タイムマスタ12aは、基準時刻計数部21及び送信部22から構成される。基準時刻計数部21は、基準時刻カウンタKaを保持している。基準時刻計数部21は、タイムマスタ12aが保持するクロックの周期にあわせて基準時刻カウンタKaの値を増加させていく。基準時刻計数部21は基準時刻カウンタKaを参照し、基準時刻として基準時刻カウンタKaの値を送信部22に通知する。送信部22は、通知された基準時刻カウンタKaの値をタイムスレーブ11にブロードキャストで送信する。
図3は、実施の形態1に係る基準時刻通知フレーム31の構成の一例を示す図である。タイムマスタ12aから通知される場合を例として説明する。基準時刻通知フレーム31は、宛先アドレス、送信元アドレス、長さ/タイプ、データ、エラー検出符号から構成される。宛先アドレスには、ブロードキャストアドレスが設定される。送信元アドレスには、基準時刻通知フレーム31の送信元であるタイムマスタ12aを示すアドレスが設定される。
長さ/タイプには、データの長さとデータの種類を識別する値が設定される。データには、データ種別、及び基準時刻が設定される。データ種別はデータの種類を示す識別子である。この場合、基準時刻通知フレーム31であることを示す識別子が設定される。基準時刻にはタイムマスタ12aの基準時刻カウンタKaの値が設定される。エラー検出符号は、通信中に誤りが発生していないか検出するための符号である。
次に、タイムマスタ12a〜nの動作について、タイムマスタ12aを例として説明する。
図4は、実施の形態1に係るタイムマスタ12aの基準時刻計数部21及び送信部22の処理の流れを示すフローチャートである。タイムマスタ12aは、定期的又は不定期で図4に示す処理を実施する。定期的に実施するのは、例えば、基準時刻カウンタKaの値が前回基準時刻カウンタKaの値を送信したときよりM増加した場合である。Mは1以上の整数とする。また、不定期に実施するのは、例えば、ネットワークにタイムスレーブ装置が新たに追加され、ユーザがタイムマスタ12aに基準時刻を送信するようにトリガをかけた場合である。タイムマスタ12aは、ステップS41より処理を開始する。
ステップS41において、基準時刻計数部21は、基準時刻カウンタKaを参照し、基準時刻カウンタKaの値xを送信部22へ通知する。処理はステップS42へ進む。
ステップS42において、送信部22は、基準時刻カウンタKaの値xを含む基準時刻通知フレーム31を生成し、タイムスレーブ11にブロードキャストで送信し、処理を終了する。
次に、タイムスレーブ11の動作について説明する。タイムマスタ12aから基準時刻通知フレーム31が送信された場合を例とする。
図5は、実施の形態1に係るタイムスレーブ11の受信部13、推定時刻算出部14a、及び現在時刻算出部15の処理の流れを示すフローチャートである。タイムスレーブ11は、タイムマスタ12aからブロードキャストで送信された基準時刻通知フレーム31を受信すると、ステップS51より処理を開始する。
ステップS51において、受信部13は、タイムマスタ12aから基準時刻通知フレーム31を受信する。受信部13は、あらかじめタイムマスタ12a〜nのアドレス情報を保持し、推定時刻算出部14a〜nとの対応付けを保存しているものとする。受信部13は、基準時刻通知フレーム31の送信元アドレスを参照し、タイムマスタ12aのアドレス情報と一致するため、推定時刻算出部14aへ基準時刻カウンタKaの値xを通知する。処理はステップS52へ進む。
ステップS52において、推定時刻算出部14aは、基準時刻カウンタKaの値xが通知されると、推定時刻として推定時刻カウンタSaの値を算出する。推定時刻算出部14aは、タイムマスタ12aからタイムスレーブ11までの伝搬遅延時間Taに対応するカウンタ値αを基準時刻カウンタKaの値xに加算し、推定時刻カウンタSaの値x+αを算出する。推定時刻算出部14aは、伝搬遅延時間Taに対応するカウンタ値αを保持しているものとする。なお、推定時刻算出部14aは、伝搬遅延時間Taから対応するカウンタ値αを算出してもよい。推定時刻算出部14aは、推定時刻カウンタSaの値x+αを現在時刻算出部15に通知する。処理はステップS53へ進む。
ステップS53において、現在時刻算出部15は、推定時刻算出部14aから推定時刻カウンタSaの値を受信する。図示していないが、現在時刻算出部15は、他の推定時刻算出部14b〜nからも推定時刻カウンタSb〜nの値を受信する。現在時刻算出部15は、推定時刻カウンタSa〜nの値から平均値を算出する。
現在時刻算出部15が推定時刻カウンタSa〜nの平均値を算出するタイミングは特に限定しない。例えば、受信部13がタイムマスタ12a〜nから同じ周期で基準時刻カウンタの値を受信する場合、現在時刻算出部15は、新たな推定時刻カウンタSa〜nの値をすべて受信したタイミングで平均値を算出してもよい。また、新たな推定時刻カウンタa〜nのいずれかの値を受信したタイミングで、すでに算出した平均値を用いて新たな平均値を算出するようにしてもよい。
現在時刻算出部15は、算出した推定時刻カウンタSa〜nの平均値を現在時刻カウンタの値とし、設定する。処理は、ステップS54へ進む。
ステップS54において、現在時刻算出部15は、現在時刻カウンタの値から現在時刻を算出する。例えば、現在時刻算出部15は、数式1により現在時刻を算出する。z、wは0以上の整数とする。また、現在の現在時刻カウンタの値はzとする。処理は終了する。
Figure 2014235013
なお、本実施の形態において、タイムマスタ12a〜nは基準時刻通知フレーム31をブロードキャストでタイムスレーブ11に送信するようにしたが、ユニキャストで送信するようにしてもよい。また、複数台のタイムスレーブ11が接続されている場合、タイムマスタ12a〜nは基準時刻通知フレーム31をマルチキャストでタイムスレーブ11に送信するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、推定時刻算出部14a〜nは、タイムマスタ12a〜nと1対1に対応するようにしたが、推定時刻算出部14a〜nが複数のタイムマスタに対応するようにしてもよい。
したがって、本実施の形態では、推定時刻算出部14a〜nは、基準となる時刻を示す基準時刻を送信するタイムマスタ12a〜nのうち対応するタイムマスタから送信される基準時刻とタイムマスタからの伝播遅延時間とに基づいて、対応するタイムマスタの推定時刻を算出し、現在時刻算出部15は、複数の推定時刻算出部14a〜nが算出した複数の推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出しているので、基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、より正確な時刻を設定することができる。
よって、例えばFA(Factory Automation)の分野の複数の機器が連携して動作するようなシステムにも本実施の形態を適用することができる。
また、現在時刻算出部15は、複数の推定時刻の平均値を現在時刻として設定しているので、基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、中心極限定理によって、より正確な時刻を設定することができる。
また、推定時刻算出部14a〜nは、タイムマスタに同期して値を更新する推定時刻カウンタを保持し、基準時刻と伝播遅延時間とに基づいて推定時刻カウンタSa〜nの値を算出して出力し、現在時刻算出部15は、タイムマスタに同期して値を更新する現在時刻カウンタを保持し、複数の推定時刻算出部14a〜nから入力される複数の推定時刻カウンタSa〜nの値に基づいて現在時刻カウンタの値を算出し、現在時刻カウンタの値から現在時刻を算出しているので、基準時刻の伝搬遅延時間が揺らいだ場合でも、より正確な時刻を設定することができる。
また、受信部13は、複数のタイムマスタから基準時刻を受信し、送信元のタイムマスタを示すアドレス情報に基づいて対応する推定時刻算出部14a〜nに基準時刻を通知しているので、複数のタイムマスタの推定時刻を算出することができる。
実施の形態2.
以上の実施の形態1では、タイムスレーブ11はタイムマスタ12a〜nより送信される基準時刻カウンタの値をすべて推定時刻カウンタの値の算出に用いるようにしたものであるが、本実施の形態においては、タイムマスタ12a〜nから送信される基準時刻カウンタの値から算出した推定時刻カウンタの値と平均値とを比較し、その差が閾値以上の場合にはそのタイムマスタに異常が発生していると判断し、当該推定時刻カウンタの値を破棄する実施の形態を示す。
なお、本実施の形態において、タイムスレーブ11及びタイムマスタ12a〜nの構成は、実施の形態1と同様である。
タイムスレーブ11の動作について、タイムマスタ12aから基準時刻通知フレーム31を受信した場合を例として説明する。
図6は、実施の形態2に係るタイムスレーブ11の受信部13、推定時刻算出部14a、及び現在時刻算出部15の処理の流れを示すフローチャートである。ステップS61〜S62の処理は、図5のステップS51〜S52と同じであるため、説明を省略する。
ステップS61〜S62の処理が行われ、処理はステップS63へ進む。ステップS63において、現在時刻算出部15は、推定時刻算出部14aから通知された推定時刻カウンタSaの値を受信する。図示していないが、現在時刻算出部15は、他の推定時刻算出部14b〜nからも推定時刻カウンタSb〜nの値を受信する。現在時刻算出部15は、推定時刻カウンタSa〜nの値から平均値を算出する。現在時刻算出部15は、閾値を保持しているものとする。
現在時刻算出部15は、推定時刻カウンタSaの値と平均値を比較する。推定時刻カウンタSaの値と平均値との差が閾値以上の場合、処理はステップS64へ進む。推定時刻カウンタSaの値と平均値との差が閾値以上でない場合、処理はステップS65へ進む。
ステップS64において、現在時刻算出部15は、タイムマスタ12aに異常が発生したと判断し、推定時刻カウンタSaの値を破棄する。処理はステップS66へ進む。
ステップS65において、現在時刻算出部15は、平均値との差が閾値以上でない推定時刻カウンタの値から平均値を算出する。例えば、推定時刻カウンタSaの値が破棄された場合には、現在時刻算出部15は、推定時刻カウンタSb〜nの値から平均値を算出する。現在時刻算出部15は、算出した平均値から現在時刻カウンタの値を算出し、設定する。処理はステップS66へ進む。
ステップS66において、現在時刻算出部15は、現在時刻カウンタの値から現在時刻を算出し、処理を終了する。
したがって、本実施の形態では、現在時刻算出部15は、複数の推定時刻カウンタの値から求めた平均値との差が閾値以上の推定時刻カウンタの値を破棄するので、異常が発生しているタイムマスタからの基準時刻の影響を受けず、より正確な時刻を設定することができる。
実施の形態3.
以上の実施の形態2では、タイムマスタ12a〜nから送信される基準時刻から算出した推定時刻カウンタの値と平均値とを比較し、その差が閾値以上の場合にはタイムマスタに異常が発生していると判断し、当該推定時刻カウンタの値を破棄するようにしたものであるが、本実施の形態においては、タイムマスタ12a〜nから送信される基準時刻の受信間隔が所定の時間以上の場合に当該タイムマスタに異常が発生していると判断し、当該基準時刻を破棄する実施の形態を示す。
なお、本実施の形態において、タイムスレーブ11及びタイムマスタ12a〜nの構成は、実施の形態2と同様である。
タイムスレーブ11の動作について、タイムマスタ12aから基準時刻通知フレーム31を受信した場合を例として説明する。
図7は、実施の形態3に係るタイムスレーブ11の受信部13、推定時刻算出部14a、及び現在時刻算出部15の処理の流れを示すフローチャートである。タイムスレーブ11は、タイムマスタ12aからブロードキャストで送信された基準時刻通知フレーム31を受信すると、ステップS71より処理を開始する。
ステップS71において、受信部13は、タイムマスタ12aから基準時刻通知フレーム31を受信し、推定時刻算出部14aへ基準時刻カウンタの値を通知する。処理はステップS72へ進む。
ステップS72において、推定時刻算出部14aは、基準時刻を前回受信してから今回受信するまでの受信間隔と閾値を比較する。推定時刻算出部14aは、閾値を保持しているものとする。受信間隔が閾値以上の場合、処理はステップS73へ進む。受信間隔が閾値以上でない場合、処理はステップS74へ進む。
ステップS73において、推定時刻算出部14aは、タイムマスタ12aに異常が発生したと判断し、基準時刻カウンタの値を破棄する。処理はステップS75へ進む。
ステップS74の処理は、図5のステップS52と同じであるため、説明を省略する。処理はステップS75へ進む。
ステップS75において、現在時刻算出部15は、推定時刻カウンタSa〜nのうち通知された値から現在時刻カウンタの値を算出する。算出方法は、図5のステップS53と同じであるため、説明を省略する。処理はステップS76へ進む。
ステップS76の処理は、図5のステップS54と同じであるため、説明を省略する。処理は終了する。
なお、現在時刻算出部15は、さらに実施の形態2で示したように、平均値との差が閾値以上の推定時刻カウンタの値を破棄し、現在時刻の算出に用いないようにしてもよい。
したがって、本実施の形態では、推定時刻算出部14a〜nは、対応するタイムマスタ装置12a〜nから送信される基準時刻の受信間隔が閾値以上の基準時刻を破棄するので、異常が発生しているタイムマスタからの基準時刻の影響を受けず、より正確な時刻を設定することができる。
11 タイムスレーブ
12、12a〜n タイムマスタ
13 受信部
14a〜n 推定時刻算出部
15 現在時刻算出部
21 基準時刻計数部
22 送信部
31 基準時刻通知フレーム

Claims (8)

  1. 基準となる時刻を示す基準時刻を送信する複数のタイムマスタ装置のうち対応する前記タイムマスタ装置から送信される前記基準時刻と前記タイムマスタ装置からの伝播遅延時間とに基づいて、対応する前記タイムマスタ装置の推定時刻を算出する複数の推定時刻算出部と、
    複数の前記推定時刻算出部が算出した複数の前記推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出する現在時刻算出部と、
    を備えることを特徴とする時刻同期装置。
  2. 前記現在時刻算出部は、複数の前記推定時刻の平均値を前記現在時刻として設定することを特徴とする請求項1に記載の時刻同期装置。
  3. 前記推定時刻算出部は、前記タイムマスタ装置に同期して値を更新する推定時刻カウンタを保持し、前記基準時刻と前記伝播遅延時間とに基づいて前記推定時刻カウンタの値を算出して出力し、
    前記現在時刻算出部は、前記タイムマスタ装置に同期して値を更新する現在時刻カウンタを保持し、複数の前記推定時刻算出部から入力される複数の前記推定時刻カウンタの値に基づいて前記現在時刻カウンタの値を算出し、前記現在時刻カウンタの値から前記現在時刻を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の時刻同期装置。
  4. 前記現在時刻算出部は、複数の前記推定時刻カウンタの値から求めた平均値との差が閾値以上の前記推定時刻カウンタの値を破棄することを特徴とする請求項3に記載の時刻同期装置。
  5. 前記推定時刻算出部は、対応する前記タイムマスタ装置から送信される前記基準時刻の受信間隔が閾値以上の前記基準時刻を破棄することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の時刻同期装置。
  6. 複数の前記タイムマスタ装置から前記基準時刻を受信し、送信元の前記タイムマスタ装置を示すアドレス情報に基づいて対応する前記推定時刻算出部に前記基準時刻を通知する受信部を備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の時刻同期装置。
  7. 基準となる時刻を示す基準時刻を送信する複数のタイムマスタ装置と、
    対応する前記タイムマスタ装置から送信される前記基準時刻と前記タイムマスタ装置からの伝播遅延時間とに基づいて、対応する前記タイムマスタ装置の推定時刻を算出する推定時刻算出部と、
    複数の前記推定時刻算出部が算出した複数の前記推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出する現在時刻算出部と、
    を備える1以上の時刻同期装置と、
    を備えることを特徴とする時刻同期システム。
  8. 基準となる時刻を示す基準時刻を送信するタイムマスタ装置から送信される前記基準時刻と前記タイムマスタ装置からの伝播遅延時間とに基づいて、複数の前記タイムマスタ装置のうち対応する前記タイムマスタ装置の推定時刻を算出する推定時刻算出ステップと、
    前記推定時刻算出ステップが算出した複数の前記推定時刻に基づいて、現在の時刻を示す現在時刻を算出する現在時刻算出ステップと、
    を有する時刻同期方法。
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