[发明专利]一种实时以太网的微秒级时钟同步方法

说明书

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。