[发明专利]基于晶振频率数字补偿的时间触发以太网时钟同步方法

说明书

基于晶振频率数字补偿的时间触发以太网时钟同步方法，涉及分布式通信网络的时钟同步技术领域，解决了时钟同步过程中频率偏差校准问题。该方法基于SAE AS6802协议搭建时钟触发以太网模型，通过网络演算对时钟同步过程进行仿真。采用VerilogHDL工具设计晶振频率‑温度特性曲线查找表以及包含晶振频率数字补偿模的改进本地时钟模块，并将其应用于网络节点硬件模型中。改进本地时钟模块占用较少的硬件开销，对晶振数字频率偏差进行补偿，有效提高了网络时钟同步精度，可广泛应用于航空航天电子系统与车载控制系统中。

技术领域

本发明涉及分布式通信网络的时钟同步技术领域，特别涉及基于晶振频率数字补偿的时间触发以太网时钟同步方法及其各个网络节点模型的硬件结构设计方案。

背景技术

时间触发以太网将实时性、容错性同普通以太网的灵活性、高速率相结合，为航空航天电子系统，自动驾驶等控制领域提供支持。作为一种分布式通讯网络，它承载着系统中任务调度、时序控制、数据传输等关键信息的操作，其实时性与稳定性对测控任务的完成效果具有重要影响。

在时间触发以太网中，SAE AS6802协议制定时间触发机制，建立一个全局统一的同步时钟，在保证一定精度范围内的时钟同步的前提下，使各个节点在规定时刻正确的收发关键数据消息。

时间触发以太网中SAE AS6802协议周期性的通过pcf帧来传输节点间的时间信息，在CM节点使用压缩算法计算网络节点的平均时刻，网络各个节点收到CM节点派发的PCF帧后，提取出时间信息并与节点的本地时钟进行对比，并矫正本地时钟来完成时钟同步。由于时间触发以太网的时间确定性与高速率特征，它在航空航天电子系统总线领域发挥重要作用，自动驾驶与工业领域逐渐采用时间触发以太网作为其车载总线。

由于环境因素影响，时间触发以太网中各个节点本地时钟在建立同步前可能存在初始相位偏差；由于各个节点所处环境的温度存在差别(温度是影响晶振频率的主要因素)，导致每个节点的晶振频率存在偏差。时间触发以太网仅周期性地矫正节点本地时钟的相位偏差，晶振频率偏差的问题并未改善，导致节点在下一个同步操作时刻到来前，本地时钟的计数值将产生偏差。若该偏差累加到某个阈值，则时间触发以太网再次进入异步状态，严重影响关键信息的收发。通过缩短同步周期，即加快同步的频率能在一定程度上解决上述问题，但它降低了时间触发以太网的传输速率。

综上，针对时间触发以太网时钟同步过程中由于频率偏差造成同步精度降低进入异步状态的问题，本发明提出一种基于晶振频率数字补偿的时间触发以太网时钟同步方法。它的整体思想旨在提高时钟精度，在本地时钟模块中引入一个晶振频率数字补偿模块，该模块的由VerilogHDL硬件描述语言设计，内部集成晶振频率-温度ppm查找表，它根据节点所处环境的温度补偿晶振频率偏差，从而消除频率偏差，极大地提高时间触发以太网时钟同步精度。该方案在不影响时间触发以太网的传输速率、不改变SAE AS6802协议的前提下，仅以很小的硬件面积开销实现了高精度的时钟同步。

发明内容

本发明的目的在于针对时间触发以太网时钟同步过程中由于频率偏差造成同步精度降低从而导致网络节点进入异步状态的问题，采用Opnet网络演算工具，基于SAEAS6802协议建立时间触发以太网模型，仿真得出同步时间信息；采用VerilogHDL对Opnet中建立的网络节点模型进行硬件设计，在节点本地时钟模块中设计一个晶振频率数字补偿模块，根据节点所处环境的温度补偿晶振频率偏差，消除晶振频率偏差，提高时间触发以太网时钟同步精度。

本发明具体包括如下内容：

1.基于SAE AS6802协议的时间触发以太网建模技术

1.1对TTEthernet典型拓扑结构进行建模，典型拓扑结构模型为星形结构，其中包括一个CM节点、三个SM节点与一个SC节点。

1.2对典型拓扑结构中涉及到的网络节点建立节点模型，节点模型由接收机、发送机与控制机组成。