[发明专利]带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法

说明书

本发明涉及带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。使用时钟状态决策算法确定各个控制器设备状态，作为主时钟和从时钟节点的控制器分别根据IEEE1588时钟同步原理发送和接收带硬件时间戳的时钟同步报文，并在控制器内部建立缓存表，维护管理时钟同步报文的序列号与时间戳；从时钟节点根据IEEE1588时钟同步原理计算出时钟偏差值，利用改进滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正从节点控制器的本地时钟。本发明方法解决了因网络内发生拥塞、时钟同步报文传输产生明显延时，从而对时钟同步过程的稳定性和精度产生影响的问题，提高了整体控制系统中各个控制器之间的时间同步精度，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于网络通信领域，具体涉及一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法。

背景技术

在工业生产中，随着工业生产规模的扩大和复杂程度的提高，实际应用对工业控制系统的控制要求越来越高，而基于交换式以太网技术的工业以太网分布式控制系统以其高集成度、高效性、利于远程集中控制的优点正在工业控制系统领域中得到广泛应用。

在工业以太网分布式控制系统中，各个控制器分别运行在分布式的网络环境中，整个控制系统的运行需要一个统一、准确的时间标准，从而协调各个控制器之间进行多任务控制。IEEE1588高精度时间同步标准定义了一个在工业控制系统中的时间同步协议，采用开源的IEEE1588协议实现代码即可使网络中的其他时钟同步到最精准的时钟，保证了分布式系统中各控制器之间的精确同步。

但随着工业生产技术的日益复杂，工业生产过程中的需要监测控制的参数也在不断增加，参数数据量亦成几何倍数的增涨，多控制器协同的监测参数数据与控制参数数据的混流传输已逐步成为常态，在这种情况下，时间同步过程极易受到监测控制数据的干扰，导致时钟同步报文传输延时甚至丢失的情况频繁发生，进而影响整个控制网络内部各个控制器之间的时间同步精度。在现有的产品和技术中，无论是改进IEEE1588高精度时间同步方法时间戳的获取位置，还是对IEEE1588高精度时间同步结果进行各种类型滤波处理，皆是建立在整个时间同步过程稳定可靠的基础之上，而对于时钟同步过程中同步报文频繁发生延时甚至丢失的情况，现有方法显得无能为力。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，主要用于当网络环境十分复杂时，时钟同步过程中同步报文频繁发生延时甚至丢失的情况下，分布式系统中各控制器之间的精确同步。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案：带缓存机制的基于改进滑动平均滤波的时间同步优化方法，包括以下步骤：

控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点；

当控制器为从时钟节点时，内部缓存管理时钟同步报文的序列号与时间戳；根据序列号与时间戳得出时钟偏差值，并利用滑动平均滤波算法对时钟偏差值进行滤波处理，最后使用滤波结果修正当前控制器的本地时钟。

控制器根据时钟状态决策算法确定当前控制器是否为从时钟节点，包括以下步骤：

通过计算当前控制器传输至网络内其他控制器传输时间总和，选取时间总和最小的控制器作为主时钟节点，其他控制器作为从时钟节点。

控制器内部建立多张缓存表，分别用来维护管理接收和发送的时钟同步报文的序列号和时间戳信息，以及各个时钟同步报文之间的对应关系。

采用时钟同步报文离开和进入控制器网络接口卡MAC层的时刻，以硬件时间戳的形式记录在时钟同步报文内。

所述滑动平均滤波算法包括以下步骤：

通过将计算得到的时钟偏差值Offset_new与存储的历史时钟偏差值平均值和标准差δ_offset进行比较，检查本次时钟偏差值是否在范围内；