分布式數據采集系統中的時(shí)鐘同步

　　引言

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，各種分布式的網(wǎng)絡(luò )和局域網(wǎng)都得到了廣泛的應用[1]。分布式數據采集系統廣泛應用于船舶、飛機等采集數據多、實(shí)時(shí)性要求較高的地方。同步采集是這類(lèi)分布式數據采集系統的一個(gè)重要要求，數據采集的實(shí)時(shí)性、準確性和系統的高效性都要求系統能進(jìn)行實(shí)時(shí)數據通信。因此，分布式數據采集系統中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現數據的同步傳輸。

　　由于產(chǎn)生時(shí)鐘的晶振具有頻率漂移的特性，故對于具有多個(gè)采集終端的分布式系統，如果僅僅在系統啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行一次同步，數據的同步傳輸將會(huì )隨著(zhù)系統運行時(shí)間的增長(cháng)而失步。因此時(shí)鐘的同步就是保證數據同步傳輸的關(guān)鍵所在。2002年提出的IEEE1588標準旨在解決網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步問(wèn)題。它制定了將分散在測量和控制系統內的分離節點(diǎn)上獨立運行的時(shí)鐘，同步到一個(gè)高精度和高準確度時(shí)鐘上的協(xié)議。

　　由于分布式數據采集系統工作于局域網(wǎng)的環(huán)境中，于是借鑒IEEE1588標準中的思想，設計出一種針對基于局域網(wǎng)的分布式系統的時(shí)鐘同步的機制，成功地在分布式數據采集系統中實(shí)現了μs級的同步。

　　1 時(shí)鐘同步原理及實(shí)現

　　時(shí)鐘同步原理借鑒了IEEE1588協(xié)議中的同步原理。IEEE1588 定義了一個(gè)在工業(yè)自動(dòng)化系統中的精確同步時(shí)鐘協(xié)議(PTP協(xié)議)，該協(xié)議與網(wǎng)絡(luò )交流、本地計算和分配對象有關(guān)。IEEE1588時(shí)鐘協(xié)議規定，在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí),先由主設備通過(guò)多播形式發(fā)出時(shí)鐘同步報文,所有與主設備在同一個(gè)域中的設備都將收到該同步報文。從設備收到同步報文后,根據同步報文中的時(shí)間戳和主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的線(xiàn)路延時(shí)計算出與主時(shí)鐘的偏差,對本地的時(shí)鐘進(jìn)行調整[2]。

　　系統由各個(gè)單元的系統控制板（簡(jiǎn)稱(chēng)“系統板”）來(lái)完成同步的工作。同步模型與IEEE1588時(shí)鐘協(xié)議一致，采用主從結構。主從單元采用相同頻率的晶振，此時(shí)時(shí)鐘同步的關(guān)鍵就是解決時(shí)鐘相位對準問(wèn)題和時(shí)鐘漂移的問(wèn)題。

　　系統中采用的時(shí)間同步算法，是借鑒IEEE1588的同步原理，主要是采用約定固定周期同步的算法。和IEEE1588同步算法一樣，同步過(guò)程分為兩個(gè)階段: 延遲測量階段和偏移測量階段。下面以一主一從模式為例介紹其原理。

　　1.1 延遲測量

　　延遲測量階段用來(lái)測量網(wǎng)絡(luò )傳輸造成的延遲時(shí)間[3]。定義一個(gè)延遲請求信息包(Delay Request Packet),簡(jiǎn)稱(chēng)“Delay_Req”。延遲測量示意圖如圖1所示。

圖1 延遲測量示意圖

　　為了簡(jiǎn)化程序，采用固定的周期測量網(wǎng)絡(luò )延遲，一般系統每工作一個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次測量。從屬時(shí)鐘TSd 時(shí)刻發(fā)出延遲請求信息包Delay_Req,主時(shí)鐘收到Delay_ Req 后再立刻返回一個(gè)延時(shí)響應包delay_back發(fā)送給從屬時(shí)鐘,因此從屬時(shí)鐘就可以非常準確地計算出網(wǎng)絡(luò )延時(shí):

TM2 →TS2∶Delay1 = TS2-Offset-TM2 TS3 →TM3∶Delay2 = TM3-(TS3 - Offset)

　　其中的Offset為從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。

　　因為網(wǎng)絡(luò )延遲時(shí)間是對稱(chēng)相等的,所以:

Delay =（Delay1 + Delay2）/2=（（TS2-TM2）+（TM3-TS3））/2

　　需要說(shuō)明的是,在這個(gè)測量過(guò)程中,假設傳輸介質(zhì)是對稱(chēng)均勻的，且線(xiàn)路是對稱(chēng)的[4]。

　　1.2 時(shí)鐘修正

　　時(shí)鐘修正用來(lái)修正主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘的時(shí)間差。在這個(gè)時(shí)間修正過(guò)程中,IEEE1588中主時(shí)鐘周期性地發(fā)出一個(gè)確定的同步信息包(Sync) (一般為每2秒1次) ,它包含一個(gè)時(shí)間印章(time stamp),精確地描述了數據包的發(fā)出時(shí)刻[3]。本案采用的簡(jiǎn)單同步模式，主要就是約定了同步修正包的發(fā)出時(shí)刻，整秒時(shí)刻，系統會(huì )在整秒時(shí)刻不做其他工作，這樣就可以省掉IEEE1588中用于發(fā)送同步包預計發(fā)包時(shí)間的同步跟隨包。

　　假設同步前主時(shí)鐘的時(shí)間為發(fā)出時(shí)鐘Tm1=2000 s,而從屬時(shí)鐘的接收時(shí)間為T(mén)s1=2001s。如果主從時(shí)鐘是同步的，則同步的接收時(shí)鐘是：Tm1+Delay=2 000+0.5=2 000.5。只需將時(shí)鐘調整為2000.5，即Ts′＝Tm1+Delay

　　簡(jiǎn)易時(shí)鐘同步的關(guān)鍵就在此。同步包內可包含主端發(fā)出的時(shí)刻。從端收到后，即可與測得的Delay相加為自己的該時(shí)刻時(shí)鐘。

　　這里要說(shuō)明的是:

　?、?上式中的Delay 就是主時(shí)鐘與從屬時(shí)鐘之間的傳輸延遲時(shí)間,從上面的延遲測量階段得到。

　?、?如果收到的同步包信息出錯，從單元可以根據自己的時(shí)刻，依據臨近取整原則推知主端發(fā)出的整秒時(shí)刻時(shí)間，與接收包進(jìn)行對比。因為時(shí)間偏移一般都在μs級，如果誤差太大，則舍棄該包。