CN104243079A - 一种实时以太网的微秒级时钟同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实时以太网的微秒级时钟同步方法，通过系统的时钟校准方法实现时钟同步。本发明提出的时钟同步方法采用微秒级定时器作为系统的时钟源，通过定时器作为系统的定时基准。各主从通信站点均配置有定时器，系统主通信站点定时广播系统同步信号，从通信站点接收主通信站点的同步信号。时钟校准模块由定时器模块、加盖时间戳模块、定时器模块组成。本发明解决以太网系统时钟同步过程中时间戳不稳定、同步精度低的问题，可满足现有工业以太网系统中同步数据采集和控制的实时性要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种精确时钟同步方法，该方法主要用于需要精确时钟同步控制的网络系统，特别是对实时性要求高的以太网系统。
背景技术
对于工业自动化系统来说，目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为三个范围，它们是：信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是100ms或更长；绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5-10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在多传感器信息同步采集处理、控制信号同步传输处理、多节点的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求低于1ms，同步传送精度要小于1μs。
目前，工业自动化系统中普遍采用以太网进行信息交互，以太网的通信调度采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制(CSMA/CD)，是一种非确定性的通信调度方式，要将以太网应用到高性能的同步运动控制系统中，必须提高以太网的实时性和确定性，通常从改变网络架构、通信协议和调度方式、同步方式等提高以太网性能，也就是采用实时以太网系统。一般来说，以太网的同步性能受到三个因素的影响:一是网络通讯链路传输延迟时间的不确定性，二是网络传输路径的不对称性，三是同步时钟本身的精度。可以看出，时钟同步是实现以太网实时性和确定性的重要手段，通过提高时钟精度和改进时钟同步算法，可提高设备之间的同步误差，在工业自动化和武器装备信息与控制领域都具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种实时以太网微秒级时钟同步方法。
本发明的实时以太网微秒级时钟同步方法，依次包括如下步骤：
通过采用时钟源以及时钟偏差校准方法实现时钟同步；
各主从通信站点均配置有定时器，系统主通信站点定时广播系统同步信号，各从通信站点接收主通信站点的同步报文，通过加盖时间戳的同步报文可计算出从时钟与主时钟的偏差，偏差通过时钟校准模块进行校准；
当从通信站点时钟慢于主通信站点时钟时，增大计数频率，快于主通信站点时钟，则减小计数频率，通过技术频率调整实现时钟校准。
所述时钟源采用微秒级定时器，定时器采用硬件计数，定时精度为1μs；所述时钟校准模块由定时器模块、频率校准模块、加盖时间戳模块组成；定时器模块和频率校准模块与CPU接口连接，加盖时间戳模块直接与以太网物理层连接。
所述时钟偏差校准方法包括如下步骤：
a 、首先主通信站点向所有相连的从通信站点发同步报文，同时产生一个基于主通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是主通信站点发送同步报文的时间，计算完成通过CPU接口传送至CPU；
b 、从通信站点接收同步报文并产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点接收同步报文的时间,计算完成通过CPU接口传送至CPU；
c 、主通信站点把a)产生的发送同步报文的时间戳放入同步跟随报文中并发送同步跟随给从通信站点，发送完成；
d 、从通信站点发送一个延迟请求报文给主通信站点，同时产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点发送延迟请求报文的时间，计算完成通过CPU接口传送至CPU；
e 、主通信站点接收延迟请求报文并产生基于主通信站点的本地间戳，这个时间就是主通信站点接收延迟请求报文的时间,计算完成通过CPU接口传送至CPU；
f、主通信站点把接收延迟请求报文的时间放入延迟响应报文并发送给从通信站点；
g、在四个时间报文通信以后，从通信站点根据所掌握的四个时间戳来计算从通信站点与主通信站点的时间偏差，可得出，从通信站点与主通信站点的时钟偏差, 计算完成通过CPU接口传送至CPU；
h、各从站根据步骤g计算出的参数校准本地时钟，与主通信站点同步。
本发明的一种实时以太网微秒级时钟同步方法，能够克服以太网系统时钟同步过程中时间戳不稳定、同步精度低的不足，满足现有工业以太网系统中同步数据采集和控制的实时性要求。
附图说明
图1 本发明中的主从通信同步机制原理示意图；
图2 本发明中的时钟校准模块连接框图。
具体实施方式
为满足现有工业以太网系统中同步数据采集和控制的实时性要求，解决时钟同步过程中时间戳不稳定、同步精度低的问题，本发明提供了一种微秒级时钟同步方法，通过系统的定时器、主从同步方法、时钟校准方法实现时钟同步。
本发明提出的时钟同步方法采用微秒级定时器作为系统的时钟源，通过定时器作为系统的定时基准，定时器采用硬件计数实现，定时精度可达1μs。
本发明提出了一种主从同步方法，系统中的各通信站点均配置有定时器，系统主通信站点定时广播系统同步（周期）信号，各从通信站点接收到同步信号则表示系统同步（周期）开始。对于系统通信的同步，本发明从通信站点与主通信站点使用了五类同步报文：同步报文、同步跟随报文、延迟请求报文、延迟应答报文。通信过程中各站点发送或接受同步信息帧后，都加盖时间戳，该时间戳值通过CPU接口传送至CPU，根据主站点发送时间戳和从节点接收时间戳，计算出时钟偏差，并通过CPU接口电路送至频率校准电路进行时钟校准。
时钟偏差补偿值计算方式如下：
a )首先主通信站点向所有相连的从通信站点发同步报文，同时产生一个基于主通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是主通信站点发送同步报文的时间，计算完成转入b)；
b )从通信站点接收同步报文并产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点接收同步报文的时间,计算完成转入c)；
c )主通信站点把a)产生的发送同步报文的时间戳放入同步跟随报文中并发送同步跟随给从通信站点，发送完成进入d）；
d )从通信站点发送一个延迟请求报文给主通信站点，同时产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点发送延迟请求报文的时间，计算完成进入e）；
e )主通信站点接收延迟请求报文并产生基于主通信站点的本地间戳，这个时间就是主通信站点接收延迟请求报文的时间,计算完成进入f）；
f )主通信站点把接收延迟请求报文的时间放入延迟响应报文并发送给从通信站点，进入g）；
g )在四个时间报文通信以后，从通信站点根据所掌握的四个时间戳来计算从通信站点与主通信站点的时间偏差，可得出，从通信站点与主通信站点的时钟偏差, 计算完成进入h）；
h )各从站根据g)计算出的参数校准本地时钟，与主通信站点同步。
在本发明所述系统中，要使从时钟同步于主时钟，首先要确定从时钟与主时钟的偏差。
如图1所示，主通信站点向所有相连的从通信站点发同步报文，同时产生一个基于主通信站点的本地时钟的时间戳t1，这个时间就是主通信站点发送同步报文的时间。从通信站点接收同步报文并产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳t2，这个时间就是从通信站点接收同步报文的时间。主通信站点把上次发送同步报文的时间戳t1放入同步跟随报文中并发送同步跟随给从通信站点。从通信站点发送一个延迟请求报文给主通信站点，同时产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳t3，这个时间就是从通信站点发送延迟请求报文的时间。主通信站点接收延迟请求报文并产生基于主通信站点的本地间戳t4，这个时间就是主通信站点接收延迟请求报文的时间。主通信站点把接收延迟请求报文的时间t4放入延迟响应报文并发送给从通信站点。
在四个时间报文通信以后，从通信站点根据所掌握的t1,t2,t3和t4四个时间戳来计算从通信站点与主通信站点的时间偏差，可得出，
从通信站点与主通信站点的时钟偏差：toffset=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。
主站点到从站点的时延：tm_s_delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。
各从站根据此参数调整本地时钟，与主通信站点同步。
在本发明所述系统中，除要确定从时钟与主时钟的偏差，还需对主从时钟进行校准。如图2所示为时钟校准模块组成，校准模块由定时器模块122、频率校准模块123、加盖时间戳模块121组成。定时器和频率校准模块与CPU接口11连接，加盖时间戳模块121直接与以太网物理层13连接。
时间偏差会导致各个网络节点的时钟不同步，时间不一致。因此，必须根据网络节点的主从关系对从节点的时间进行校准，由于时间直接校准可能破坏时间的连续性，造成任务的丢失，所以直接进行时间的校准不科学。而采用频率校准，从时钟慢于主时钟，增大计数频率，快于主时钟，则减小技术频率，不会造成时间的间断和任务的丢失。
Claims (3)
1.一种实时以太网微秒级时钟同步方法，依次包括如下步骤：
通过采用时钟源以及时钟偏差校准方法实现时钟同步；
各主从通信站点均配置有定时器，系统主通信站点定时广播系统同步信号，各从通信站点接收主通信站点的同步报文，通过加盖时间戳的同步报文可计算出从时钟与主时钟的偏差，偏差通过时钟校准模块进行校准；
当从通信站点时钟慢于主通信站点时钟时，增大计数频率，快于主通信站点时钟，则减小计数频率，通过技术频率调整实现时钟校准。
2.根据权利要求1所述的实时以太网微秒级时钟同步方法，其特征在于：所述时钟源采用微秒级定时器，定时器采用硬件计数，定时精度为1μs；所述时钟校准模块由定时器模块（122）、频率校准模块（123）、加盖时间戳模块（121）组成；定时器模块（122）和频率校准模块（123）与CPU接口（11）连接，加盖时间戳模块（121）直接与以太网物理层（13）连接。
3.根据权利要求1所述的实时以太网微秒级时钟同步方法，其特征在于：所述时钟偏差校准方法包括如下步骤：
a、首先主通信站点向所有相连的从通信站点发同步报文，同时产生一个基于主通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是主通信站点发送同步报文的时间，计算完成通过CPU接口传送至CPU；
b 、从通信站点接收同步报文并产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点接收同步报文的时间,计算完成通过CPU接口传送至CPU；
c 、主通信站点把a)产生的发送同步报文的时间戳放入同步跟随报文中并发送同步跟随给从通信站点，发送完成；
d 、从通信站点发送一个延迟请求报文给主通信站点，同时产生一个基于从通信站点的本地时钟的时间戳，这个时间就是从通信站点发送延迟请求报文的时间，计算完成通过CPU接口传送至CPU；
e、主通信站点接收延迟请求报文并产生基于主通信站点的本地间戳，这个时间就是主通信站点接收延迟请求报文的时间,计算完成通过CPU接口传送至CPU；
f、主通信站点把接收延迟请求报文的时间放入延迟响应报文并发送给从通信站点；
g 、在四个时间报文通信以后，从通信站点根据所掌握的四个时间戳来计算从通信站点与主通信站点的时间偏差，可得出，从通信站点与主通信站点的时钟偏差, 计算完成通过CPU接口传送至CPU；
h 、各从站根据步骤g计算出的参数校准本地时钟，与主通信站点同步。
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|---|---|
| CN (1) | CN104243079A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104836654A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-08-12 | 浙江大学 | 一种基于Ethernet POWERLINK的时钟同步方法 |
| CN104993978A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-21 | 北京交通大学 | 轨道交通系统中车地通信传输延迟的测量方法 |
| CN106160905A (zh) * | 2015-03-24 | 2016-11-23 | 上海航天有线电厂有限公司 | 混合型网络时钟同步系统及其方法 |
| CN106707738A (zh) * | 2017-02-10 | 2017-05-24 | 广东大仓机器人科技有限公司 | 两个超声波模块之间校准时钟的方法 |
| CN112260789A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 哲库科技(北京)有限公司 | 时钟源系统、时钟同步系统和时钟同步方法 |
| CN113485205A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-10-08 | 杭州力超智能科技有限公司 | 一种基于canbus总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法 |
| CN113923837A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-11 | 深圳市轩火部落科技有限公司 | 圣诞灯群组显示控制方法及相关产品 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070140209A1 (en) * | 1998-10-30 | 2007-06-21 | Broadcom Corporation | Methods for the synchronization of multiple base stations in a wireless communication system |
| CN101834712A (zh) * | 2010-04-19 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 利用ieee1588协议实现精确时间同步的方法 |
| CN101977104A (zh) * | 2010-11-13 | 2011-02-16 | 上海交通大学 | 基于ieee1588精确时钟同步协议系统及其同步方法 |
| CN102013967A (zh) * | 2009-09-08 | 2011-04-13 | 郑州威科姆科技股份有限公司 | 基于1588协议的北斗时间同步装置及其应用 |
-
2014
- 2014-10-09 CN CN201410526879.3A patent/CN104243079A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070140209A1 (en) * | 1998-10-30 | 2007-06-21 | Broadcom Corporation | Methods for the synchronization of multiple base stations in a wireless communication system |
| CN102013967A (zh) * | 2009-09-08 | 2011-04-13 | 郑州威科姆科技股份有限公司 | 基于1588协议的北斗时间同步装置及其应用 |
| CN101834712A (zh) * | 2010-04-19 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 利用ieee1588协议实现精确时间同步的方法 |
| CN101977104A (zh) * | 2010-11-13 | 2011-02-16 | 上海交通大学 | 基于ieee1588精确时钟同步协议系统及其同步方法 |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106160905A (zh) * | 2015-03-24 | 2016-11-23 | 上海航天有线电厂有限公司 | 混合型网络时钟同步系统及其方法 |
| CN106160905B (zh) * | 2015-03-24 | 2018-10-23 | 上海航天有线电厂有限公司 | 混合型网络时钟同步系统 |
| CN104836654A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-08-12 | 浙江大学 | 一种基于Ethernet POWERLINK的时钟同步方法 |
| CN104836654B (zh) * | 2015-04-15 | 2018-06-22 | 浙江大学 | 一种基于Ethernet POWERLINK的时钟同步方法 |
| CN104993978A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-21 | 北京交通大学 | 轨道交通系统中车地通信传输延迟的测量方法 |
| CN104993978B (zh) * | 2015-07-10 | 2018-08-07 | 北京交通大学 | 轨道交通系统中车地通信传输延迟的测量方法 |
| CN106707738A (zh) * | 2017-02-10 | 2017-05-24 | 广东大仓机器人科技有限公司 | 两个超声波模块之间校准时钟的方法 |
| CN112260789A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 哲库科技(北京)有限公司 | 时钟源系统、时钟同步系统和时钟同步方法 |
| CN112260789B (zh) * | 2020-10-20 | 2023-08-22 | 哲库科技(北京)有限公司 | 时钟源系统、时钟同步系统和时钟同步方法 |
| CN113485205A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-10-08 | 杭州力超智能科技有限公司 | 一种基于canbus总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法 |
| CN113485205B (zh) * | 2021-08-05 | 2022-07-29 | 杭州力超智能科技有限公司 | 一种基于canbus总线的伺服驱动器时钟同步和位置重构方法 |
| CN113923837A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-11 | 深圳市轩火部落科技有限公司 | 圣诞灯群组显示控制方法及相关产品 |
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