一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步驟，1)將級(jí)聯(lián)系統(tǒng)劃分為四個(gè)層次；2)確定級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的采樣間隔Ts，并將物理信道劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩個(gè)邏輯信道；3)依次構(gòu)建級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中第二層、第三層、第四層的對(duì)同步采樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置；4)計(jì)算各層的信道延遲量；5)重建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端的本地同步信號(hào)；6)以采樣周期Ts為節(jié)拍控制數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明解決了不同物理分布的多個(gè)通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的采集控制節(jié)點(diǎn)之間由于物理鏈路長(zhǎng)度和軟件協(xié)議棧所產(chǎn)生的額外時(shí)延及為關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供硬實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)能力，同步精度和實(shí)時(shí)性高，通道建設(shè)成本和施工工作量低，具有良好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及適用于在分散距離較遠(yuǎn)的多個(gè)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，屬于電力系統(tǒng)保護(hù)和工業(yè)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在電力系統(tǒng)廣域保護(hù)和廣域過程控制領(lǐng)域，為精確地保留信號(hào)的相位信息，或?qū)Ξ惒桨l(fā)生的事件進(jìn)行精確時(shí)序分析，需要對(duì)某一組過程量進(jìn)行嚴(yán)格異地同步等間隔采集。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力和異步事件響應(yīng)速度需要各個(gè)過程量采集控制裝置的采樣數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)上送，并且處理裝置的命令設(shè)置信息需要實(shí)時(shí)地發(fā)往執(zhí)行機(jī)構(gòu)或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸抖動(dòng)更是提出近乎嚴(yán)苛的要求，如IEC61850-5就定義了 3個(gè)等級(jí)的采樣值同步準(zhǔn)確度:T3、T4和T5，其中用于計(jì)量T5等級(jí)，則要求為I μ S。
[0003]對(duì)廣域測(cè)量和控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)規(guī)模大、測(cè)控節(jié)點(diǎn)物理分布較遠(yuǎn)、組網(wǎng)成本高，如何保證全系統(tǒng)的嚴(yán)格等間隔同步采樣和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步低抖動(dòng)回傳就成為難題。針對(duì)這類應(yīng)用，還沒有統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)方法，現(xiàn)有的同步采樣控制方法主要包括以下四種方法:
[0004](I)遵循IEC61850體系結(jié)構(gòu)，由一個(gè)精確時(shí)鐘源同步多個(gè)合并器,再由合并器產(chǎn)生控制ADC的啟動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)采樣；
[0005](2)基于 ΙΕΕΕ1588 精確時(shí)間協(xié)議 PTP(Precis1n Time Protocol)的同步米樣系統(tǒng)，通過對(duì)滿足多點(diǎn)通信的分布式控制系統(tǒng)采用多播技術(shù)終端設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行微秒級(jí)同步，進(jìn)而根據(jù)絕對(duì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)采樣同步；
[0006](3)基于衛(wèi)星時(shí)鐘同步法，利用GPS或北斗模塊為不同物理分布節(jié)點(diǎn)提供秒脈沖，各節(jié)點(diǎn)采樣同步于GPS或北斗模塊輸出的秒脈沖實(shí)現(xiàn)全局同步采樣；
[0007](4)由一個(gè)通信裝置產(chǎn)生同步命令幀，過程量采集控制裝置在同步命令幀的控制下啟動(dòng)本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)回傳上一個(gè)采樣間隔的采樣數(shù)據(jù)和協(xié)議數(shù)據(jù)，在一對(duì)通信鏈路上實(shí)現(xiàn)同步控制和數(shù)據(jù)傳輸。
[0008]上述的同步采樣控制方法的均存在不足之處:
[0009]對(duì)于方法(I)，IEC61850體系結(jié)構(gòu)需要獨(dú)立的同步通道，普遍采用秒脈沖同步合并器，這種體系結(jié)構(gòu)沒有考慮傳輸鏈路長(zhǎng)度影響，而且數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚴菃蜗虻模谛枰鲝墓?jié)點(diǎn)交互信息時(shí)不適用，對(duì)同步鐘源和本地時(shí)鐘要求高，且本地需要執(zhí)行復(fù)雜的時(shí)鐘馴服算法。此外，由于引入了專門的同步接口和同步網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。
[0010]對(duì)于方法(2)，基于IEEE1588的同步采樣方法，需要支持IEEE1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)硬件接口和交換設(shè)備，增加額外的成本。而且，由于IEEE802.3對(duì)以太網(wǎng)傳輸距離和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)有要求，使之不適用物理上分布較遠(yuǎn)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的同步采集和控制，IEEE1588每秒啟動(dòng)一次同步過程，在時(shí)鐘校同步失敗后，再次同步需要反復(fù)計(jì)算兩側(cè)時(shí)鐘的相對(duì)誤差A(yù)t，同步延時(shí)較長(zhǎng)。此外，在高速多節(jié)點(diǎn)采集控制裝置連接到同一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)時(shí)，重載時(shí)網(wǎng)絡(luò)沖突加劇，影響實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，不能保證每個(gè)采樣數(shù)據(jù)在固定的時(shí)延下傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理終端。
[0011]對(duì)于方法(3)，GPS和北斗同步法受捕獲衛(wèi)星數(shù)量影響，以及自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境等因素的制約，并且需要相應(yīng)的硬件支持，對(duì)天線的安裝位置要求較高，需要額外的數(shù)據(jù)傳輸通道，成本較高。
[0012]對(duì)于方法(4)，基于非級(jí)聯(lián)通信裝置控制同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄔ谙到y(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大且距離很遠(yuǎn)時(shí)，需要連接多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路，增加工程施工成本且系統(tǒng)容量擴(kuò)充困難。
[0013]以上幾種方法雖可解決同步采樣問題，但都沒有涉及廣域數(shù)據(jù)同步傳輸問題，尤其是對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及缺陷，本發(fā)明的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，解決了不同物理分布的多個(gè)通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的采集控制節(jié)點(diǎn)之間由于物理鏈路長(zhǎng)度和軟件協(xié)議棧所產(chǎn)生的額外時(shí)延及為關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供硬實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)能力，同步精度和實(shí)時(shí)性高，通道建設(shè)成本和施工工作量低，具有良好的應(yīng)用前景。
[0015]為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0016]一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0017]步驟(I)，將級(jí)聯(lián)系統(tǒng)劃分為四個(gè)層次，包括位于系統(tǒng)第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和時(shí)間服務(wù)器、位于系統(tǒng)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、位于系統(tǒng)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，位于系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端；
[0018]步驟(2)，確定級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的采樣間隔Ts，并將物理信道劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩個(gè)邏輯信道，按業(yè)務(wù)的時(shí)間特性需求，將具有硬實(shí)時(shí)要求的業(yè)務(wù)歸入到實(shí)時(shí)邏輯信道中傳輸，將通用業(yè)務(wù)歸入非實(shí)時(shí)邏輯信道傳輸，并通過帶寬保留法為實(shí)時(shí)邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時(shí)隙，保證在固定時(shí)刻傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；
[0019]步驟(3)，依次構(gòu)建級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中第二層、第三層、第四層的同步采樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置，
[0020](a)構(gòu)建第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置，該裝置通過上行以太網(wǎng)接口與第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連，通過下行支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口級(jí)聯(lián)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入通用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過連接時(shí)間服務(wù)器，接收絕對(duì)時(shí)間和同步參考信號(hào)；
[0021](b)構(gòu)建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，該裝置通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向上連接上一級(jí)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置或第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口，通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向下級(jí)聯(lián)到下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，普通業(yè)務(wù)通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入，通過含同步信息編碼的信號(hào)連接采集控制裝置；
[0022](c)構(gòu)建系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端，負(fù)責(zé)過程量采集和執(zhí)行輸出，通過接收來自數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的編碼信號(hào)，利用恢復(fù)出的同步信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)回傳；
[0023](d)以第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口為根節(jié)點(diǎn)劃分沖突域，同步建立過程在不同的沖突域中獨(dú)立進(jìn)行，而同一個(gè)沖突域中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需要在同步建立之后；
[0024]步驟(4)，在系統(tǒng)建立后的第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端之間通過一組報(bào)文交換進(jìn)行延遲測(cè)量，測(cè)量過程如下:
[0025](a)數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口在T1時(shí)刻發(fā)送由硬件標(biāo)記的測(cè)距報(bào)文，數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T2時(shí)刻接收到該報(bào)文，并在T3時(shí)刻發(fā)回測(cè)距應(yīng)答報(bào)文，該報(bào)文在T4時(shí)刻到達(dá)數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置，在補(bǔ)償因軟件延遲產(chǎn)生的修正時(shí)間Tpkt。。_。,后，根據(jù)公式
(I)和公式(2)，計(jì)算數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口和第三層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置路徑延遲Tniu delay和時(shí)鐘偏差Tniu tjffsrt,
[0026]Tmu delay = {[ (T4-Tpkt correct) -T1] - (T2-T3)} /2
[0027](I)
[0028]Tmu offset = {(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2
[0029](2)
[0030](b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在同步脈沖的控制下在T5時(shí)刻發(fā)送同步編碼信號(hào)，數(shù)據(jù)采集和控制終端在T6時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，與此同時(shí)在該信號(hào)的觸發(fā)下立即回發(fā)包含采樣數(shù)據(jù)的報(bào)文，而數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T7時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，根據(jù)公式(3)計(jì)算第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端的鏈路延遲Tdae delay為，
[0031]Tdae delay — (T7-T5)/2(3)；
[0032]步驟(5)，根據(jù)步驟(4)測(cè)得的鏈路延遲，重建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端的本地同步信號(hào)，過程如下，
[0033](a)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行端口發(fā)送包含同步信息的背景掃描控制報(bào)文，為級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置提供同步參考；
[0034](b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置從第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)，再將該信號(hào)超前移相Ts-Tmu delay作為本地同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MSYN);超前移相^ —,后作為本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置根路徑延遲；
[0035](c)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地同步信號(hào)MSYN的觸發(fā)下向各下級(jí)的第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端發(fā)送間隔Ts的背景掃描控制報(bào)文，為第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端提供同步參考；
[0036](d)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端從第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱DSYN)，再將該信號(hào)超前移相Ts-Td-y作為本地同步信號(hào)，Ttte delay為第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端的鏈路延遲；
[0037](e)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在恢復(fù)出的本地同步信號(hào)(DSYN)的觸發(fā)下控制本地的模擬量或數(shù)字量的采集，完成系統(tǒng)級(jí)同步采樣控制；
[0038]步驟(6)，本地同步信號(hào)建立以后，以采樣周期Ts為節(jié)拍控制數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)拍傳送的數(shù)據(jù)的過程如下，
[0039](a)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將一個(gè)節(jié)拍劃分前后兩部分Tw和Tp，實(shí)時(shí)窗口Tw傳遞實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)窗口 Tp傳輸普通業(yè)務(wù)，按照第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口劃分傳輸域，每個(gè)下行端口對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立傳輸域，按第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的每個(gè)傳輸域掛接的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的數(shù)量，將實(shí)時(shí)窗口 Tw劃分成多個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙的寬度Tslrt，根據(jù)公式(4)得到，
[0040]Tslot = pkt_size*8*TB (4)
[0041]其中，Pkt_siZe為每級(jí)的數(shù)據(jù)量，Tb為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送每個(gè)比特的時(shí)間；
[0042](b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地實(shí)時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)(MU_TX_SYN)的觸發(fā)下產(chǎn)生傳輸節(jié)拍，將本地采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后安排在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙中發(fā)送，在其他的時(shí)隙向上直通轉(zhuǎn)發(fā)來自其他第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；
[0043](C)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在外同步信號(hào)的觸發(fā)下在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)續(xù)傳兩次上一間隔所采集到測(cè)量數(shù)據(jù)，以完成控制命令和同步信息傳輸。
[0044]前述的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置及第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端之間采用有源中繼和下行多路同步直通轉(zhuǎn)發(fā)策略傳送下行背景掃描控制報(bào)文，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸和同步采樣并保證下行延時(shí)固定且總延時(shí)最小。
[0045]前述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用基于時(shí)隙的直通轉(zhuǎn)發(fā)策略，對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的鏈路管理報(bào)文和普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采取存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略。
[0046]前述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)端口都采用基于帶寬保留的硬件優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)報(bào)文總的延時(shí)抖動(dòng)最小。
[0047]前述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置之間通過采用硬件標(biāo)記的包含原始時(shí)間、接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間字段的報(bào)文在級(jí)聯(lián)的非實(shí)時(shí)信道中實(shí)現(xiàn)二層設(shè)備和三層設(shè)備間物理路徑延遲測(cè)量，利用報(bào)文中累計(jì)的修正時(shí)間字段消除軟件轉(zhuǎn)發(fā)的駐留時(shí)間對(duì)測(cè)量值的影響。
[0048]前述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:中間級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置接收到需要轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距報(bào)文時(shí)，首先讀取由MAC硬件標(biāo)記的接收時(shí)間Ircv和報(bào)文中攜帶的修正時(shí)間字段Tpkt 然后計(jì)算差值Tbd Mmc;t =TrCV-Tpkt^orreCtj并將Tbd—eOTec；t寫入MAC控制器的發(fā)送描述符，利用描述符指示MAC控制器當(dāng)該報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)間Tmt通過公式(5)計(jì)算新的修正時(shí)間Tmw并替換測(cè)距報(bào)文中的修正時(shí)間字段，
[0049]Tnew』kt—correct ^current ^bdcorrect ^ ^ current ^rcv^ +Tpkt—correct
[0050](5)。
[0051]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，解決了不同物理分布的多個(gè)通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的采集控制節(jié)點(diǎn)之間由于物理鏈路長(zhǎng)度和軟件協(xié)議棧所產(chǎn)生的額外時(shí)延及為關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供硬實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)能力，具有以下優(yōu)點(diǎn)，
[0052](I)利用一對(duì)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和同步采樣，每個(gè)采樣周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時(shí)刻固定，傳輸時(shí)延固定；
[0053](2)自動(dòng)計(jì)算多個(gè)信道傳輸延遲并調(diào)整每個(gè)信道同步信號(hào)，保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間精確同步，消除了系統(tǒng)各級(jí)因傳輸或晶體老化、頻率漂移帶來的同步抖動(dòng)；
[0054](3)采樣數(shù)據(jù)續(xù)傳兩遍，提高信道糾錯(cuò)能力，又減少高層請(qǐng)求重發(fā)的開銷；
[0055](4)同步精度不受信道物理長(zhǎng)度影響，也不受外界條件影響，可達(dá)到納秒級(jí)；
[0056](5)信道延時(shí)量算法和傳輸及差錯(cuò)控制規(guī)則簡(jiǎn)單有效，適合基于FPGA硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過并行處理提高系統(tǒng)性能；
[0057](6)在級(jí)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)鏈路上利用帶寬保留的方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多業(yè)務(wù)，保證信道占用最小的情況下實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)延時(shí)要求同時(shí)在剩余帶寬傳遞非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；
[0058](7)通過有源級(jí)聯(lián)、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)直通轉(zhuǎn)發(fā)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方法既延長(zhǎng)了通信距離又保證多業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸時(shí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延時(shí)最?。?br> [0059](8)采用包含原始時(shí)間、接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間、修正時(shí)間等字段報(bào)文，延遲測(cè)量算法不需要記憶原始的發(fā)送時(shí)間，而修正時(shí)間字段的引入則消除了軟件轉(zhuǎn)發(fā)的駐留時(shí)間對(duì)測(cè)量值的影響。
[0060](9)采用的級(jí)聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效簡(jiǎn)化通道建設(shè)成本和施工工作量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061]圖1是本發(fā)明的級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0062]圖2是本發(fā)明的級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0063]圖3是本發(fā)明的信道共享方式及沖突域示意圖。
[0064]圖4是本發(fā)明的DCE-SWITCH和DCE-MU鏈路測(cè)距時(shí)序圖。
[0065]圖5是本發(fā)明的DCE-MU和DAE間編碼傳送及同步恢復(fù)時(shí)序圖。
[0066]圖6是本發(fā)明的硬件優(yōu)先級(jí)MAC控制器狀態(tài)變遷圖。

【具體實(shí)施方式】
[0067]下面將結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0068]本發(fā)明的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，解決了不同物理分布的多個(gè)通過多級(jí)級(jí)聯(lián)的采集控制節(jié)點(diǎn)之間由于物理鏈路長(zhǎng)度和軟件協(xié)議棧所產(chǎn)生的額外時(shí)延及為關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供硬實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)能力，如圖1及圖2所示，具體包括以下步驟:
[0069]步驟(I)，將級(jí)聯(lián)系統(tǒng)劃分為四個(gè)層次，包括位于系統(tǒng)第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱DPE)和時(shí)間服務(wù)器、位于系統(tǒng)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(以下簡(jiǎn)稱DCE-SWITCH)、位于系統(tǒng)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(以下簡(jiǎn)稱DCE-MU)，位于系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端(以下簡(jiǎn)稱DAE)；
[0070]步驟⑵，確定級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的采樣間隔Ts，并將物理信道劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩個(gè)邏輯信道，按業(yè)務(wù)的時(shí)間特性需求，將具有硬實(shí)時(shí)要求的業(yè)務(wù)歸入到實(shí)時(shí)邏輯信道中傳輸，將通用業(yè)務(wù)歸入非實(shí)時(shí)邏輯信道傳輸，并通過帶寬保留法為實(shí)時(shí)邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時(shí)隙，保證在固定時(shí)刻傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)；
[0071]步驟(3)，依次構(gòu)建級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中第二層、第三層、第四層的同步采樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置，
[0072](a)構(gòu)建第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)，該裝置通過上行以太網(wǎng)接口與第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連，通過下行支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口級(jí)聯(lián)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入通用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過連接時(shí)間服務(wù)器，接收絕對(duì)時(shí)間和同步參考信號(hào)；
[0073](b)構(gòu)建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(DCE-MU)，該裝置通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向上連接上一級(jí)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置或第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口，通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向下級(jí)聯(lián)到下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，普通業(yè)務(wù)通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入，通過含同步信息編碼的信號(hào)連接采集控制裝置；
[0074](c)構(gòu)建系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端(DAE)，負(fù)責(zé)過程量采集和執(zhí)行輸出，通過接收來自數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的編碼信號(hào)，利用恢復(fù)出的同步信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)回傳；
[0075](d)如圖3所示，以第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口為根節(jié)點(diǎn)劃分沖突域，同步建立過程在不同的沖突域中獨(dú)立進(jìn)行，而同一個(gè)沖突域中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需要在冋步建立之后；
[0076]步驟(4)，在系統(tǒng)建立后的第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端之間通過一組報(bào)文交換進(jìn)行延遲測(cè)量，測(cè)量過程如下:
[0077](a)如圖4所示，數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口在T1時(shí)刻發(fā)送由硬件標(biāo)記的測(cè)距報(bào)文，數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T2時(shí)刻接收到該報(bào)文，并在T3時(shí)刻發(fā)回測(cè)距應(yīng)答報(bào)文，該報(bào)文在T4時(shí)刻到達(dá)數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置，在補(bǔ)償因軟件延遲產(chǎn)生的修正時(shí)間Tpkt。。_。，后，根據(jù)公式(I)和公式(2)，計(jì)算數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口和第三層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置路徑延遲Tmu delay和時(shí)鐘偏差T




mu—offset，
[0078]Tmu delay = {[ (T4-Tpkt correct) -T1] - (T2-T3)} /2
[0079](I)
[0080]Tmu offset = {(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2
[0081](2)
[0082](b)如圖5所示，第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在同步脈沖的控制下在T5時(shí)刻發(fā)送同步編碼信號(hào)，數(shù)據(jù)采集和控制終端在T6時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，與此同時(shí)在該信號(hào)的觸發(fā)下立即回發(fā)包含采樣數(shù)據(jù)的報(bào)文，而數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T7時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，根據(jù)公式(3)計(jì)算第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端的鏈路延遲Tdae—delay為，
[0083]Tdae delay 一(T7-T5) /2(3)
[0084]步驟(5)，根據(jù)步驟4測(cè)得的鏈路延遲，重建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端的本地同步信號(hào)，過程如下，
[0085](a)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行端口發(fā)送包含同步信息的背景掃描控制報(bào)文，為級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置提供同步參考；
[0086](b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置從第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)，再將該信號(hào)超前移相Ts-Tmu delay作為本地同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MSYN);超前移相^ —,后作為本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置根路徑延遲；
[0087](c)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地同步信號(hào)(MSYN)的觸發(fā)下向各下級(jí)的第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端發(fā)送間隔Ts的背景掃描控制報(bào)文，為第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端提供同步參考；
[0088](d)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端從第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)，再將該信號(hào)超前移相Ts-Tttedelay作為本地同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱DSYN)，Tdae delay為第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端的鏈路延遲；
[0089](e)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在恢復(fù)出的本地同步信號(hào)(DSYN)的觸發(fā)下控制本地的模擬量或數(shù)字量的采集，完成系統(tǒng)級(jí)同步采樣控制；
[0090]步驟(6)，本地同步信號(hào)建立以后，以采樣周期Ts為節(jié)拍控制數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)拍傳送的數(shù)據(jù)的過程如下，
[0091](a)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將一個(gè)節(jié)拍劃分前后兩部分Tw和Tp，實(shí)時(shí)窗口Tw傳遞實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)窗口 Tp傳輸普通業(yè)務(wù)，按照第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口劃分傳輸域，每個(gè)下行端口對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立傳輸域，按第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的每個(gè)傳輸域掛接的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的數(shù)量，將實(shí)時(shí)窗口 Tw劃分成多個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙的寬度Tslrt，根據(jù)公式(4)得到，
[0092]Tslot = pkt_size*8*TB(4)
[0093]其中，Pkt_siZe為每級(jí)的數(shù)據(jù)量，Tb為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送每個(gè)比特的時(shí)間；
[0094](b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地實(shí)時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)下產(chǎn)生傳輸節(jié)拍，將本地采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后安排在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙中發(fā)送，在其他的時(shí)隙向上直通轉(zhuǎn)發(fā)來自其他第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；
[0095](C)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在外同步信號(hào)的觸發(fā)下在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)續(xù)傳兩次上一間隔所采集到測(cè)量數(shù)據(jù)，以完成控制命令和同步信息傳輸。
[0096]所述的多節(jié)點(diǎn)同步采樣及傳輸系統(tǒng)的信道如圖3所示劃分沖突域，其中DCE-SffTICH的一個(gè)下行端口及其下級(jí)聯(lián)的DCE-MU為一個(gè)沖突域，一個(gè)沖突域中上行信道為共享信道，下行信道為廣播信道。其傳輸規(guī)則為:當(dāng)DCE-SWTICH通過某個(gè)下行端口發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，其下級(jí)聯(lián)的DCE-MU采用硬件直通轉(zhuǎn)發(fā)的策略向各個(gè)級(jí)聯(lián)端口同步轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；當(dāng)MU從各下行端口收集到的上行實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)采用分時(shí)的方式直通轉(zhuǎn)發(fā)，即在DCE-SWITCH的一個(gè)沖突域中由管理員為每一個(gè)DCE-MU的級(jí)聯(lián)端口依所需帶寬分配一個(gè)時(shí)隙,該端口的數(shù)據(jù)只有在該時(shí)隙才被允許發(fā)送；而所有MU級(jí)聯(lián)的普通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式由DCE-MU上的CPU先行接收緩沖，排隊(duì)至上行非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口時(shí)傳輸。
[0097]所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)和特定的三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(DCE-MU)之間的延遲測(cè)量采用端到端的測(cè)量方法，在測(cè)量路徑之間的DCE-MU節(jié)點(diǎn)則通過硬件標(biāo)記時(shí)間戳并測(cè)量本地駐留時(shí)間，然后累計(jì)到DCE-MU的上行報(bào)文的修正時(shí)間字段中。其中DCE-SWITCH的下行延遲測(cè)量報(bào)文中包含有硬件標(biāo)記的發(fā)送時(shí)間，而DCE-MU上行的延遲響應(yīng)報(bào)文中包含有DCE-SWITCH下行原始發(fā)送時(shí)間和硬件標(biāo)記本地接收時(shí)間、本地發(fā)送時(shí)間、修正時(shí)間等字段，中間節(jié)點(diǎn)修正時(shí)間字段的引入將有效消除軟件處理抖動(dòng)和轉(zhuǎn)發(fā)抖動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。
[0098]所述中間級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(DCE-MU)接收到需要轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距報(bào)文時(shí)，首先讀取由MAC硬件標(biāo)記的接收時(shí)間Ircv和報(bào)文中攜帶的修正時(shí)間字段Tpkt。。?吣，然后計(jì)算差值Tbd—。。_ = Trcv-Tpkt correct,并將Tbd emeet寫入MAC控制器的發(fā)送描述符，利用描述符指示MAC控制器當(dāng)該報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)間Tcmmt通過公式(5)，計(jì)算新的修正時(shí)間T—t并替換測(cè)距報(bào)文中的修正時(shí)間字段，
[0099]Tnew^kt-Correct ^current ^bdcorrect ^ ^ current ^rcv^ +Tpkt—correct
[0100](5)
[0101]如此修正補(bǔ)償測(cè)距報(bào)文的本地駐留時(shí)間對(duì)路徑測(cè)量的影響。
[0102]所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)按采樣間隔Ts為節(jié)拍，并將一個(gè)節(jié)拍劃分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口 Tw和普通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)窗口 Tp，并將下行的背景掃描控制安排在每個(gè)節(jié)拍的Tw窗口，而普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包括鏈路延遲測(cè)量管理報(bào)文則安排在Tp窗口排隊(duì)傳輸，且下行報(bào)文采用直通轉(zhuǎn)發(fā)的策略，保證控制命令下行延時(shí)固定且總延時(shí)最小。
[0103]所述第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(DCE-MU)對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用基于時(shí)隙的直通轉(zhuǎn)發(fā)策略，對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的鏈路管理報(bào)文和普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采取存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略，既保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)確定性也最大限度減小了全鏈路傳輸總延時(shí)；
[0104]所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置(DCE-MU)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)端口都采用基于帶寬保留的硬件優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)報(bào)文總的延時(shí)抖動(dòng)最小。
[0105]所述數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)，位于系統(tǒng)中第二層，它向上為數(shù)據(jù)處理設(shè)備提供收集到的過程量，同時(shí)分解來自上層設(shè)備的控制命令向下轉(zhuǎn)發(fā)，該裝置本地生成全局同步信號(hào)GSYN，周期為系統(tǒng)采樣間隔Ts，在外同步信號(hào)穩(wěn)定可靠時(shí)也可以同步到外部參考，在同步信號(hào)GSYN的觸發(fā)下，DCE-SWITCH為各個(gè)下行端口生成周期性地背景掃描報(bào)文，并在掃描報(bào)文中封裝來自上層的控制命令，通過支持硬件優(yōu)先級(jí)的MAC的實(shí)時(shí)控制端口發(fā)往下級(jí)級(jí)聯(lián)的DCE-MU ;同時(shí)DCE-SWITCH周期性地產(chǎn)生注冊(cè)許可報(bào)文，并接收來自下級(jí)級(jí)聯(lián)的MU的注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文，并根據(jù)報(bào)文中攜帶的時(shí)間戳完成延遲測(cè)量，而來自DCE-SWITCH的IP業(yè)務(wù)端口的普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)注冊(cè)許可報(bào)文則通過MAC的非實(shí)時(shí)端口發(fā)送到下級(jí)級(jí)聯(lián)的DCE-MU ；
[0106]此外，DCE-SWITCH將接收來自下級(jí)DCE-MU的數(shù)據(jù)報(bào)文，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按端口和DCE-MU邏輯地址分類存放在內(nèi)部的高速緩沖中，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分配器接受上層數(shù)據(jù)處理設(shè)備(DPE)的訂閱，來自下級(jí)DCE-MU的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文將在DCE-SWTICH的IP業(yè)務(wù)端口排隊(duì)并擇機(jī)發(fā)送。
[0107]所述數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(DCE-MU)，數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過響應(yīng)DCE-SWITCH的周期性注冊(cè)許可報(bào)文，并在注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文中攜帶本地定時(shí)信息來配合DCE-SWITCH完成鏈路延遲測(cè)量。在獲得鏈路延遲后，從DCE-SWITCH下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)MU_XSYN，再通過移相獲得本地同步信號(hào)MSYN及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)MU_TX_SYN ；DCE-MU在信號(hào)MSYN的觸發(fā)下向各下級(jí)DAE發(fā)送周期為Ts的背景掃描控制報(bào)文，為DAE提供同步參考，同時(shí)在信號(hào)MU_TX_SYN的觸發(fā)下啟動(dòng)傳輸節(jié)拍和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)時(shí)隙，DCE-MU還負(fù)責(zé)本地掛接的DAE的數(shù)據(jù)合并和向上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)直通轉(zhuǎn)發(fā)其下級(jí)級(jí)聯(lián)的MU的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)本地IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
[0108]所述第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端(DAE)，數(shù)據(jù)采集和控制終端主要負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)所需要的過程量并執(zhí)行來自高層的控制或調(diào)節(jié)命令。DCE-MU根據(jù)系統(tǒng)配置把來自數(shù)據(jù)處理終端DPE的下行控制命令按DAE進(jìn)行分解，同時(shí)將控制命令與同步信息進(jìn)行編碼后在本地同步信號(hào)MSYN觸發(fā)下向下級(jí)DAE連續(xù)傳送兩次，以增強(qiáng)下行數(shù)據(jù)抗干擾能力。DAE從DCE_MU下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)恢復(fù)出周期為Ts的本地同步參考信號(hào)DSYN，在本地同步信號(hào)的觸發(fā)下完成過程量采集，同時(shí)將本地采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并在DSYN信號(hào)的觸發(fā)下連續(xù)向上級(jí)DCE-MU傳送兩次以增強(qiáng)上行數(shù)據(jù)的抗干擾能力。
[0109]所述第二層DCE-SWITCH和三層的DCE-MU均采用基于硬件優(yōu)先級(jí)MAC，MAC由圖6所示的狀態(tài)機(jī)控制實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱LVl數(shù)據(jù))和普通優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱LVO數(shù)據(jù))報(bào)文傳送過程，其中MAC保證在系統(tǒng)同步脈沖(SYN)觸發(fā)下啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送，如果觸發(fā)到達(dá)時(shí)沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)為檢查普通優(yōu)先級(jí)(LVO)的描述符隊(duì)列。在每次發(fā)送LVO數(shù)據(jù)之前檢查發(fā)送窗口，如果沒有足夠的窗口則暫停發(fā)送，確保普通優(yōu)先級(jí)分組在實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)分組的發(fā)送間隙發(fā)送且不影響實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)報(bào)文的發(fā)送。所述MAC的發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如附圖6所示，各狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件分述如下:
[0110]IDLE狀態(tài):空閑狀態(tài)，MAC等待發(fā)送的狀態(tài)，在外部LVl觸發(fā)信號(hào)(SYN)或內(nèi)部輸出比較定時(shí)器觸發(fā)下轉(zhuǎn)入SendCheckLVl狀態(tài)檢查L(zhǎng)Vl的數(shù)據(jù)包；
[0111]SendCheckLVl狀態(tài):LV1數(shù)據(jù)包檢查狀態(tài)，檢查L(zhǎng)Vl發(fā)送描述符隊(duì)列，若有待發(fā)送的分組則轉(zhuǎn)PreSendLVl狀態(tài)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，否則轉(zhuǎn)SendCheckLVO狀態(tài)檢查L(zhǎng)VO數(shù)據(jù)描述符隊(duì)列；
[0112]SendCheckLVO狀態(tài):LV0數(shù)據(jù)包檢查狀態(tài)，檢查L(zhǎng)VO描述符隊(duì)列，若發(fā)送窗口小于最短幀發(fā)送時(shí)間(Tw < Twmin)或不足以發(fā)送當(dāng)前幀(Tw < Tp)則轉(zhuǎn)IDLE狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)PreSendLVO狀態(tài)準(zhǔn)備發(fā)送LVO數(shù)據(jù)；
[0113]PreSendLVl狀態(tài):LV1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)，根據(jù)LVl描述符配置發(fā)送邏輯后轉(zhuǎn)Sendffait 狀態(tài)；
[0114]PreSendLVO狀態(tài):LV0數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)，根據(jù)LVO描述符配置發(fā)送邏輯后轉(zhuǎn)Sendffait 狀態(tài)；
[0115]SendWait狀態(tài):發(fā)送等待狀態(tài)，在該狀態(tài)檢查PHY的狀態(tài)，若沒有沖突或出錯(cuò)則轉(zhuǎn)發(fā)送狀態(tài)，否則等待。超時(shí)以后置出錯(cuò)標(biāo)記并返回IDLE狀態(tài)。
[0116]Send狀態(tài):發(fā)送狀態(tài)，從描述符指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，并在發(fā)送時(shí)鐘TXCLK驅(qū)動(dòng)下發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后轉(zhuǎn)SendCheckLVO繼續(xù)檢查L(zhǎng)VO描述符隊(duì)列。
[0117]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟(I)，將級(jí)聯(lián)系統(tǒng)劃分為四個(gè)層次，包括位于系統(tǒng)第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和時(shí)間服務(wù)器、位于系統(tǒng)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、位于系統(tǒng)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，位于系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端； 步驟(2)，確定級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的采樣間隔Ts，并將物理信道劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩個(gè)邏輯信道，按業(yè)務(wù)的時(shí)間特性需求，將具有硬實(shí)時(shí)要求的業(yè)務(wù)歸入到實(shí)時(shí)邏輯信道中傳輸，將通用業(yè)務(wù)歸入非實(shí)時(shí)邏輯信道傳輸，并通過帶寬保留法為實(shí)時(shí)邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時(shí)隙，保證在固定時(shí)刻傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)； 步驟(3)，依次構(gòu)建級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中第二層、第三層、第四層的同步采樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置， (a)構(gòu)建第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置，該裝置通過上行以太網(wǎng)接口與第一層的數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連，通過下行支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口級(jí)聯(lián)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入通用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過連接時(shí)間服務(wù)器，接收絕對(duì)時(shí)間和同步參考信號(hào)； (b)構(gòu)建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，該裝置通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向上連接上一級(jí)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置或第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口，通過支持硬件優(yōu)先級(jí)功能的網(wǎng)口向下級(jí)聯(lián)到下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，普通業(yè)務(wù)通過一個(gè)IP業(yè)務(wù)端口接入，通過含同步信息的編碼信號(hào)連接采集控制裝置； (c)構(gòu)建系統(tǒng)第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端，負(fù)責(zé)過程量采集和執(zhí)行輸出，通過接收來自數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的編碼信號(hào)，利用恢復(fù)出的同步信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集和采集數(shù)據(jù)回傳； (d)以第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口為根節(jié)點(diǎn)劃分沖突域，同步建立過程在不同的沖突域中獨(dú)立進(jìn)行，而同一個(gè)沖突域中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需要在同步建立之后； 步驟(4)，在系統(tǒng)建立后的第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端之間通過一組報(bào)文交換進(jìn)行延遲測(cè)量，測(cè)量過程如下: (a)數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口在T1時(shí)刻發(fā)送由硬件標(biāo)記的測(cè)距報(bào)文，數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T2時(shí)刻接收到該報(bào)文，并在T3時(shí)刻發(fā)回測(cè)距應(yīng)答報(bào)文，該報(bào)文在T4時(shí)刻到達(dá)數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置，在補(bǔ)償因軟件延遲產(chǎn)生的修正時(shí)間Tpkt。。_。,后，根據(jù)公式(I)和公式(2)，計(jì)算數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的端口和第三層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置路徑延遲Tmu—delay和時(shí)鐘偏差Tmu—^fset,
Tmu_delay = { [ (T4_Tpkt—correct)-Tj _ (T2_T3) }/2 (I)
Tmu—offset
{(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2 (2) (b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在同步脈沖的控制下在T5時(shí)刻發(fā)送同步編碼信號(hào)，數(shù)據(jù)采集和控制終端在T6時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，與此同時(shí)在該信號(hào)的觸發(fā)下立即回發(fā)包含采樣數(shù)據(jù)的報(bào)文，而數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在T7時(shí)刻解碼并恢復(fù)出幀同步信號(hào)，根據(jù)公式(3)計(jì)算第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)采集和控制終端的鏈路延遲 T(jae—delay 為，
T(Jae_delay
(T7-T5)/2 ⑶； 步驟(5)，根據(jù)步驟(4)測(cè)得的鏈路延遲，重建第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置、第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端的本地同步信號(hào)，過程如下， (a)第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行端口發(fā)送包含同步信息的背景掃描控制報(bào)文，為級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置提供同步參考； (b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置從第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)，再將該信號(hào)超前移相Ts-TmuMay作為本地同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MSYN);超前移后作為本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置根路徑延遲； (c)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地同步信號(hào)(MSYN)的觸發(fā)下向各下級(jí)的第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端發(fā)送間隔Ts的背景掃描控制報(bào)文，為第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端提供同步參考； (d)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端從第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置下行的背景掃描控制報(bào)文中用數(shù)字鎖相環(huán)提取出周期為Ts的外同步信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱DSYN)，再將該信號(hào)超前移相Ts-Ttte delay作為本地同步信號(hào)，Ttte delay為第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置與四層的是數(shù)據(jù)米集和控制終端的鏈路延遲； (e)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在恢復(fù)出的本地同步信號(hào)(DSYN)的觸發(fā)下控制本地的模擬量或數(shù)字量的采集，完成系統(tǒng)級(jí)同步采樣控制； 步驟￠)，本地同步信號(hào)建立以后，以采樣周期Ts為節(jié)拍控制數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)拍傳送的數(shù)據(jù)的過程如下， (a)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將一個(gè)節(jié)拍劃分前后兩部分Tw和Tp，實(shí)時(shí)窗口Tw傳遞實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)窗口 Tp傳輸普通業(yè)務(wù)，按照第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的下行端口劃分傳輸域，每個(gè)下行端口對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立傳輸域，按第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置的每個(gè)傳輸域掛接的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的數(shù)量，將實(shí)時(shí)窗口 Tw劃分成多個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙的寬度Tslrt，根據(jù)公式(4)得到，
Tslot = pkt_size*8*TB (4) 其中，pkt_siZe為每級(jí)的數(shù)據(jù)量，Tb為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送每個(gè)比特的時(shí)間； (b)第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置在本地實(shí)時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)(MU_TX_SYN)的觸發(fā)下產(chǎn)生傳輸節(jié)拍，將本地采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后安排在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙中發(fā)送，在其他的時(shí)隙向上直通轉(zhuǎn)發(fā)來自其他第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)； (c)第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端在外同步信號(hào)的觸發(fā)下在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)續(xù)傳兩次上一間隔所采集到測(cè)量數(shù)據(jù)，以完成控制命令和同步信息傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征是:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置及第四層的數(shù)據(jù)采集和控制終端之間采用有源中繼和下行多路同步直通轉(zhuǎn)發(fā)策略傳送下行背景掃描控制報(bào)文，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸和同步采樣并保證下行延時(shí)固定且總延時(shí)最小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的上行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用基于時(shí)隙的直通轉(zhuǎn)發(fā)策略，對(duì)本地和來自下一級(jí)數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的鏈路管理報(bào)文和普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采取存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)端口都采用基于帶寬保留的硬件優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)報(bào)文總的延時(shí)抖動(dòng)最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:所述第二層的數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置之間通過采用硬件標(biāo)記的包含原始時(shí)間、接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間字段的報(bào)文在級(jí)聯(lián)的非實(shí)時(shí)信道中實(shí)現(xiàn)二層設(shè)備和三層設(shè)備間物理路徑延遲測(cè)量，利用報(bào)文中累計(jì)的修正時(shí)間字段消除軟件轉(zhuǎn)發(fā)的駐留時(shí)間對(duì)測(cè)量值的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于:中間級(jí)聯(lián)的第三層的數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置接收到需要轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距報(bào)文時(shí)，首先讀取由MAC硬件標(biāo)記的接收時(shí)間Tra和報(bào)文中攜帶的修正時(shí)間字段Tpkt，然后計(jì)算差值TbdC0rrect = Trcv-Tpkt correct,并將Tbd emert寫入MAC控制器的發(fā)送描述符，利用描述符指示MAC控制器當(dāng)該報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)間Tammt通過公式(5)計(jì)算新的修正時(shí)間TnOT—Pkfrat并替換測(cè)距報(bào)文中的修正時(shí)間字段， T=T -T= iT -T ) +τ(
new_pkt_correctcurrent bd_correct、丄 current 1 rcv^ 1 pkt_correctW/ o
【文檔編號(hào)】H04L7/00GK104135359SQ201410351888
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】龐吉耀 申請(qǐng)人:南京磐能電力科技股份有限公司