專利名稱：一種實現(xiàn)以太網(wǎng)精確對時的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對時方法，尤其是涉及一種實現(xiàn)以太網(wǎng)精確對時的方法。用于網(wǎng) 絡(luò)時間同步。
背景技術(shù)：
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)的自動化系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化 的時代已經(jīng)到來。計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為各控制和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應(yīng)用提 供了更好的平臺、這樣對各種實時和歷史數(shù)據(jù)時間戳的準確性也就提出了更高的要求，然 而網(wǎng)絡(luò)中的這些設(shè)備各自走自己的時間，日積月累中整個系統(tǒng)的時間混亂不堪，造成正常 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析業(yè)務(wù)無法正常進行，這時就需要把整個網(wǎng)絡(luò)時間同步起來。一般在小型的局域網(wǎng)內(nèi)(如變電站的監(jiān)控系統(tǒng))需要精確的網(wǎng)絡(luò)時鐘，會有一臺 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為時鐘源，給其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對時。通過網(wǎng)絡(luò)報文對時，因為網(wǎng)絡(luò)報文在處理及發(fā) 送接收過程中有延時，特別是通過交換機路由器等裝置，延時不好估計，產(chǎn)生毫秒級的誤差 是完全有可能的。通過通用輸入輸出GPIO輔助對時信號可以把對時精度保證在微秒級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服網(wǎng)絡(luò)報文對時實時性的不足，提供一種以太 網(wǎng)對時的方法，使對時精度為微秒級的功能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下CPU通過網(wǎng)口發(fā)送對時網(wǎng)絡(luò)報文，通用輸入輸出GPIO(General_Purpose Input / Output)通過電平變化發(fā)送輔助對時信號。對時過程如下對時裝置Dl的CPU讀取實時時 鐘tl之后，立即通過通用輸入輸出GPI0，發(fā)出輔助對時信號，只需將電平變化一次即可。然 后將讀出的時鐘信息組裝成網(wǎng)絡(luò)報文，通過物理層接口，發(fā)送給接收對時裝置。接收對時裝 置D2同樣通過通用輸入輸出GPIO信號，接收到信號變化，并記錄下該時刻，標記為t2。經(jīng) 過一段時間的延時，接收對時裝置接收到網(wǎng)絡(luò)對時報文，送給接收對時裝置D2的CPU處理， 接收對時裝置D2的CPU分析完報文，提取出時間信息在寫入實時時鐘芯片前，記錄下該時 刻，標記為t3。t3-t2作為網(wǎng)絡(luò)延時及接收對時裝置D2的CPU處理報文時延，用該值修正 時間信息，則寫入接收對時裝置D2實時時鐘芯片的時間信息為tl+t3-t2。如果通過計算機 器周期，計算出寫入實時芯片的固定延時，可以使對時更加精確。本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明裝置易實現(xiàn)、安裝方便，采用微處理器的通用輸入 輸出GPIO功能，保證了局域網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)時鐘的精確與同步。


圖1為本發(fā)明使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為延時測試示意圖。
具體實施例方式實現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)精確對時功能的新型裝置，其特征是組成包括對時裝置(Dl)，被對 時裝置(D2)即為接收對時的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并且接收對時的裝置個數(shù)可以大于1。本發(fā)明工作原理及過程如下首先只使用網(wǎng)絡(luò)對時報文進行對時并估算對時誤差。本例使用的網(wǎng)絡(luò)裝置為 INTEL的網(wǎng)絡(luò)處理器IXP465，操作系統(tǒng)為Vxworks。在Vxworks系統(tǒng)下，利用網(wǎng)絡(luò)套接字建 立基于UDP協(xié)議的客戶端/服務(wù)器通信模式。由于UDP是無連接的協(xié)議，授時發(fā)送方并不清 楚發(fā)出的報文是否已經(jīng)正確到達接收方，于是提出一種支持重傳和定時等待確認的協(xié)議。這個協(xié)議要求發(fā)送方發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)對時報文與接收方回復(fù)的確認報文具有對應(yīng)的 序列號，發(fā)送方和接收方都可以通過序列號來判斷是不是想要得到的報文。序列號是循環(huán) 的。如果用1個字節(jié)來表示序列號，則可以設(shè)定序列號為256。Vxfforks內(nèi)核時鐘的tickLab庫增加、改變、獲得tick。在VxWorks中的一個參數(shù) 就是SYS_CLK_RATE，也就是系統(tǒng)時鐘率，即系統(tǒng)時鐘在一秒鐘之內(nèi)發(fā)生多少次。在IXP465 系統(tǒng)中可以設(shè)置SYS_CLK_RATE為1000，這樣1個tick就是1毫秒。發(fā)送方送出一個對時 報文后立即記錄下當(dāng)前的tick為tl，接收到回復(fù)確認立即記錄下此時的tick為t2。我們 用(tl-t2)/2計算出網(wǎng)絡(luò)延時，經(jīng)過多次測試計算出均值為2. 18毫秒。該值和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通 信鏈路等多種因素有關(guān)，具有很大的不確定性。圖2所示為報文按時、正確地接收的情況。CPU通過網(wǎng)口發(fā)送對時網(wǎng)絡(luò)報文，通用輸入輸出GPIO(General_Purpose Input / Output)通過電平變化發(fā)送輔助對時信號。則對時過程如下對時裝置Dl的CPU讀取實時 時鐘tl之后，立即通過通用輸入輸出GPI0，發(fā)出輔助對時信號，只需將電平變化一次即可。因為VxWorks的中斷響應(yīng)時間比較小，INTEL465網(wǎng)絡(luò)處理器的硬件平臺在5微 秒左右(該時間與硬件性能相關(guān))。如果我們認為晶振頻率一直穩(wěn)定，精確，這個定時最多 受中斷響應(yīng)時間的影響，或者是中斷嵌套的影響(也就是若干個微秒，條件是把需要處理 的內(nèi)容放在ISR中而不是需要調(diào)度的任務(wù)中，如果掛在主時鐘上，就沒有中斷嵌套的影響 了，因為它的優(yōu)先級是最高的)，而且不會產(chǎn)生累計誤差。所以接收端接收到通用輸入輸出GPIO的電平變化能在5微秒利用中斷通知cpu 處理記錄。此時為了精確到微秒，我們采用記錄機器周期t的方法，INTEL425網(wǎng)絡(luò)處理器 有一個64位寄存器用來記錄CPU上電后的機器周期個數(shù)。在接收到通用輸入輸出GPIO后 中斷服務(wù)程序立即獲取一次CPU機器周期，讀數(shù)cl為0X000001b37aClf701，即記錄了發(fā)送 裝置讀取時鐘芯片信息的時間戳。此時對時裝置將讀出的時鐘信息組裝成網(wǎng)絡(luò)報文，通過 物理層接口，發(fā)送給接收對時裝置。接收對時端收到網(wǎng)絡(luò)對時報文再次獲取CPU機器周期， 讀數(shù) c2 為 0x000001b37aclfbd9o對時裝置Dl讀取時鐘芯片到被對時裝置D2接收到網(wǎng)絡(luò)對時報文的延時，通過d =(c2-cl)*t計算出來，INTEL425網(wǎng)絡(luò)處理器的內(nèi)核頻率400MHz，機器周期f = 0. 0025微 秒，則能夠計算出的延時d = 3. 1毫秒的修正時間信息，則寫入接收對時裝置D2實時時鐘 芯片的時間信息則精確到微秒級。如果通過計算機器周期，計算出寫入實時芯片的固定延 時，可以使對時更加精確。通用輸入輸出GPIO輔助對時裝置，包括通用輸入輸出GPIO連接線及輔助對時程 序。在一個小型局域網(wǎng)內(nèi)多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能通過交換機路由器等通信，網(wǎng)絡(luò)報文的延時具
4有不確定性，各個接收對時報文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收到的同一對時信息的延時將會不同，通過通 用輸入輸出GPIO的輔助信號校正延時的誤差，將可以是小型局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間 同步在微秒級。 本發(fā)明裝置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理器需要有通用輸入輸出GPIO功能，或者網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有 輸入輸出功能。 除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形 式的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種實現(xiàn)以太網(wǎng)精確對時的方法，其特征在于，包括如下步驟對時裝置D1的CPU讀取實時時鐘t1之后，立即通過通用輸入輸出GPIO，發(fā)出輔助對時信號，只需將電平變化一次即可；然后將讀出的時鐘信息組裝成網(wǎng)絡(luò)報文，通過物理層接口，發(fā)送給接收對時裝置；接收對時裝置D2同樣通過通用輸入輸出GPIO信號，接收到信號變化，并記錄下該時刻，標記為t2；經(jīng)過一段時間的延時，接收對時裝置接收到網(wǎng)絡(luò)對時報文，送給接收對時裝置D2的CPU處理，接收對時裝置D2的CPU分析完報文，提取出時間信息在寫入實時時鐘芯片前，記錄下該時刻，標記為t3；t3 t2作為網(wǎng)絡(luò)延時及接收對時裝置D2的CPU處理報文時延，用該值修正時間信息，寫入接收對時裝置D2實時時鐘芯片的時間信息為t1+t3 t2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)以太網(wǎng)精確對時的方法，其特征在于，所述接收對 時裝置的數(shù)量為一個或者多個。
全文摘要
一種實現(xiàn)以太網(wǎng)精確對時的方法包括如下步驟對時裝置D1的CPU讀取實時時鐘t1之后，立即通過通用輸入輸出GPIO，發(fā)出輔助對時信號，只需將電平變化一次即可；然后將讀出的時鐘信息組裝成網(wǎng)絡(luò)報文，通過物理層接口，發(fā)送給接收對時裝置；接收對時裝置D2同樣通過通用輸入輸出GPIO信號，接收到信號變化，并記錄下該時刻，標記為t2；接收對時裝置接收到網(wǎng)絡(luò)對時報文，送給接收對時裝置D2的CPU處理，接收對時裝置D2的CPU分析完報文，提取出時間信息在寫入實時時鐘芯片前，記錄下該時刻，標記為t3；t3-t2作為網(wǎng)絡(luò)延時及接收對時裝置D2的CPU處理報文時延，用該值修正時間信息。本發(fā)明的有益效果在于裝置易實現(xiàn)、安裝方便。
文檔編號H04J3/06GK101951300SQ20101028878
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者孫軍陵, 田小鋒, 鄧路, 馬新平 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院