混合型網絡時鐘同步系統及其方法與流程
2023-07-01 20:05:06 1
本發明屬於通信技術領域，涉及一種網絡時鐘同步系統及其方法，尤其是涉及一種混合型網絡時鐘同步系統及其時鐘同步方法。
背景技術：
網絡時鐘同步是網絡測量中面臨的一個問題，時鐘的不同步會影響延遲、抖動等和時間信息有關的測量準確性；同時在網絡主機協同工作方面，保持網絡中主機的時鐘同步是保證其有效工作的基礎。
在混合型網絡中，IEEE 1588協議是乙太網中一種較為精確的時鐘同步解決方案，其基本功能是使分布式網絡內的其他時鐘與最精確時鐘保持同步。IEEE 1588協議中定義了一種精確時間協議(Precision Time Protocol PTP)，用於對標準乙太網或其他採用多播技術的分布式總線系統中的傳感器、執行器以及其他終端設備中的時鐘進行亞微秒級同步。
跳頻通信作為一種大量應用於軍事通信的通信體制，具有抗幹擾能力強、截獲率低、保密性好等優點，是通信領域的一個重要發展方向。跳頻同步系統設計、跳頻圖案設計以及跳頻綜合器的設計是跳頻通信系統中的關鍵技術。跳頻系統的同步是關係到跳頻通信能否建立的關鍵，跳頻同步的含義是：跳頻圖案相同，跳變的頻率序列(也稱頻率表)相同，跳變的起止時刻(也稱相位)相同。因此，為了實現收、發雙方的跳頻同步，收端首先必須獲得有關發端的跳頻同步的信息。
現有的時鐘硬體同步方法主要有兩種技術：GPS(Global Positioning Systems)和無線電信號。GPS利用衛星信號來提供精確的時鐘同步，其最高分辨精度可達到100ns，雖然轉化為計算機系統內核的時鐘脈衝時會損失一定的精度，但其精度仍可控制在微秒以內。其缺點是每臺需同步的機器都需安裝GPS，價格昂貴。
通信控制器通常會支持多種信道，採用背板加自主運行的功能模塊結構。組網構成通信網絡系統要求參與組網的通信控制器實行網絡時鐘同步，基於這一要 求，本發明提出了一種混合型網絡時鐘同步系統及其方法，用於實現通信控制器內模塊之間、通信控制器之間的時鐘同步功能。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種混合型網絡時鐘同步系統及其方法，僅通過一個雙向的硬體信號來實現主通信控制器和從通信控制器內部的主控模塊與電臺適配模塊及多個有線遠傳模塊之間的時鐘同步，具有降低硬體成本，減少互連信號等優點。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種混合型網絡時鐘同步系統，包括一個主通信控制器、多個從通信控制器和多個電臺，其特徵在於，所述多個從通信控制器分為多個第一從通信控制器和多個第二從通信控制器，所述多個電臺分為一個第一電臺和多個第二電臺，所述主通信控制器和從通信控制器均包括用於同步內部時鐘的主控模塊、設有通信接口的背板以及通過通信接口連接主控模塊的電臺適配模塊和多個有線遠傳模塊，所述主通信控制器通過有線遠傳模塊連接相應的第一從通信控制器，並通過電臺適配模塊連接第一電臺，所述第二從通信控制器通過電臺適配模塊連接第二電臺，所述第一電臺和第二電臺之間無線連接。
所述通信接口為UART接口、SPI接口或CAN接口。
所述電臺適配模塊通過異步串口連接電臺。
所述主控模塊、有線遠傳模塊和電臺適配模塊均內置微處理器。
所述電臺為窄帶超短波跳頻電臺。
一種利用上述系統進行時鐘同步的方法，包括以下步驟：
1)在主通信控制器和從通信控制器中，主控模塊通過內部時鐘同步方法與有線遠傳模塊、電臺適配模塊之間進行時鐘同步；
2)主通信控制器與第一從通信控制器之間採用IEEE1588精確時鐘同步協議、通過有線遠傳模塊進行時鐘同步；
3)第一電臺和第二電臺之間通過跳頻同步方法進行時鐘同步；
4)主通信控制器與第二從通信控制器之間採用電臺時鐘同步方法進行時鐘同步。
所述內部時鐘同步方法包括以下步驟：
101)在主通信控制器和從通信控制器中，將時鐘分為兩部分的數值：秒以上部分和納秒部分的數值；
102)秒以上部分的數值同步由通信接口通過「時鐘」消息來傳輸，該消息定期發送，所有接收該消息的模塊把自身模塊上的時鐘的秒以上部分更改為該消息指定的值；
103)納秒部分的數值同步通過秒同步脈衝信號的上升沿觸發，再由各個模塊的中斷服務程序對自身模塊中的時鐘進行同步。
在主通信控制器中的內部時鐘同步方法包括：
A)主控模塊定期將時鐘的秒以上部分的數值通過消息發送給其他模塊，其他模塊接收後將自身模塊上時鐘的秒以上部分的數值進行更新；
B)主控模塊每秒產生一個秒同步脈衝信號，作為有線遠傳模塊和電臺適配模塊的中斷輸入信號，秒同步脈衝信號的上升邊沿觸發中斷服務程序，在中斷服務程序中，相應模塊的時鐘的秒數加1，納秒數清零；
在從通信控制器中的內部時鐘同步方法包括：
a)將第一建立通信鏈路的有線遠傳模塊或電臺適配模塊稱為同步模塊，同步模塊定期把秒以上的時鐘通過通信接口發送給主控模塊，主控模塊再把同步模塊中秒以上的時鐘轉發給除同步模塊以外的其它模塊，接收秒以上的時鐘後將自身模塊中時鐘的秒以上部分的數值更新；
b)同步模塊在其內部時鐘每秒開始時，發送秒同步脈衝信號，作為其它模塊的上升邊沿觸發的中斷信號，觸發進入中斷服務程序後，相應模塊中的時鐘的秒數加1，納秒數清零。
所述秒同步脈衝信號為雙向信號，背板上設有對應主控模塊、電臺適配模塊和有線遠傳模塊的用於傳輸秒同步脈衝信號的信號埠，通過配置信息設置信號埠為秒同步脈衝信號輸入或輸出，信號埠的配置方法包括：
在主通信控制器中，主控模塊通過通信接口把配置信息發送到有線遠傳模塊和電臺適配模塊上，有線遠傳模塊和電臺適配模塊在接收到該配置信息後，把其模塊上的信號埠配置為輸入，然後向主控模塊發送響應，主控模塊接收到有線遠傳模塊和電臺適配模塊的響應後，設置主控模塊的信號埠為輸出；
在從通信控制器中，主控模塊將信號埠配置為輸入，並通過通信接口把該配置信息發送到有線遠傳模塊和電臺適配模塊上，把其模塊上的信號埠配置為輸 入，當某個有線遠傳模塊或電臺適配模塊鏈路建立成功後，該有線遠傳模塊或電臺適配模塊向主控模塊發送「開始同步」消息，主控模塊響應「開始同步」消息後，該有線遠傳模塊或電臺適配模塊將自身的信號埠配置為輸出，當鏈路斷鏈後，有線遠傳模塊或電臺適配模塊將自身的信號埠恢復為輸入，並向主控模塊發送「結束同步」消息。
所述主通信控制器與第二從通信控制器時鐘同步方法包括以下步驟：
401)由步驟3)，第一電臺和第二電臺的時鐘同步後，第一電臺和第二電臺根據電臺時鐘發出跳頻幀同步脈衝輸出信號，作為主通信控制器與第二從通信控制器內的電臺適配模塊的中斷輸入信號；
402)跳頻幀同步脈衝輸出信號的上升沿產生中斷，主通信控制器與第二從通信控制器內的電臺適配模塊分別進入中斷服務程序，讀取電臺適配模塊自身的當前時鐘並保存，由步驟1)可知，主通信控制器與第二從通信控制器內的主控模塊與其內部的電臺適配模塊的時鐘同步，則主通信控制器保存當前時鐘Th，第二從通信控制器保存當前時鐘Tc；
403)主通信控制器與第二從通信控制器內的電臺適配模塊分別向第一電臺和第二電臺發送「查詢電臺時間」消息，第一電臺和第二電臺均返回電臺時間Tw進行應答，Tw為跳頻幀同步脈衝輸出信號上升沿處的電臺時鐘，則主通信控制器與第一電臺的時鐘偏差為ΔTh，ΔTh＝Th-Tw，第二從通信控制器與第二電臺的時鐘偏差為ΔTc，ΔTc＝Tc-Tw；
404)主通信控制器將ΔTh發送給第二從通信控制器，則在第二從通信控制器內計算出主通信控制器在跳頻幀同步脈衝輸出信號處的時間Th，Th＝(Th-Tw)-(Tc-Tw)+Tc＝ΔTh-ΔTc+Tc；
405)第二從通信控制器當前時間為Tc'，計算出主通信控制器的當前時間Th'，Th'＝Th+(Tc'-Tc)，其中，Th'為當前主通信控制器的時鐘，Tc'為當前第二從通信控制器的時鐘，第二從通信控制器根據Th'對自身時鐘進行更新同步。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1)本發明僅通過一個雙向的硬體信號來實現主通信控制器和從通信控制器內部的主控模塊與電臺適配模塊及多個有線遠傳模塊之間的時鐘同步，相比採用GPS硬體實現同步，具有降低硬體成本，減少互連信號等優點。
2)本發明中通信控制器支持多路有線遠傳信道和一路超短波無線信道，多臺 通信控制器可以通過有線遠傳信道或無線信道組成主/從結構的通信網絡，網絡內只有其中一臺控制器配置為主控模塊，其餘配置為從控制器。當整個通信網內需要實現時鐘同步，從控制器時鐘都要同步到主控模塊時鐘上，從而實現混合型網絡時鐘同步。
3)本發明中通信控制器的背板上設置通信接口，包括UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)接口、SPI(Serial Peripheral Interface)接口或CAN(Controller Area Network)接口，適用於不同工業乙太網，通用性強，同時主控模塊、有線遠傳模塊和電臺適配模塊均內置微處理器，形成可自主運行模塊，從而有線遠傳模塊、電臺適配模塊可通過內部通信接口與主控模塊進行信息交互，保證通信控制器內部時鐘的同步。
附圖說明
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明中主通信控制器和從通信控制器的結構示意圖。
圖中：1、主通信控制器，2、第一從通信控制器，3、第二從通信控制器，4、第一電臺，5、第二電臺，11、主控模塊，12、背板，13、有線遠傳模塊，14、電臺適配模塊。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
如圖1所示，一種混合型網絡時鐘同步系統包括一個主通信控制器1、多個從通信控制器和多個電臺，多個從通信控制器分為多個第一從通信控制器2和多個第二從通信控制器3，多個電臺分為一個第一電臺4和多個第二電臺5，如圖2所示，主通信控制器1和從通信控制器均包括用於同步內部時鐘的主控模塊11、設有通信接口的背板12以及通過通信接口連接主控模塊11的電臺適配模塊14、多個有線遠傳模塊13和其它功能模塊，主通信控制器1基於TCP/TP協議通過有線遠傳模塊13連接相應的第一從通信控制器2，有線遠傳模塊13構成的有線遠傳信道採用TCP/IP協議通信，並通過電臺適配模塊14連接第一電臺4，第二從通信控制器 3通過電臺適配模塊14連接第二電臺5，第一電臺4和第二電臺5之間無線連接。
其中，電臺為窄帶超短波跳頻電臺，窄帶超短波跳頻電臺採用專用協議通信。
通信接口為UART接口、SPI接口或CAN接口。
電臺適配模塊14通過異步串口連接電臺。
主控模塊11、有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14均內置微處理器，是可自主運行的模塊，有線遠傳模塊13、電臺適配模塊14及其它功能模塊通過內部通信接口(UART、SPI或CAN)與主控模塊11進行信息交互。
網絡內實現時鐘精確同步，其實就是要各通信控制器內主控模塊11的時鐘實現精確同步。儘管TCP/IP網絡上有精確時鐘同步協議IEEE1588，但並不能直接應用，因此，本發明提出了一種利用上述系統進行時鐘同步的方法，該方法包括以下步驟：
1)在主通信控制器1和從通信控制器中，主控模塊11通過內部時鐘同步方法與有線遠傳模塊13、電臺適配模塊14之間進行時鐘同步；
2)主通信控制器1與第一從通信控制器2之間採用IEEE1588精確時鐘同步協議、通過有線遠傳模塊13進行時鐘同步；
3)第一電臺4和第二電臺5之間通過跳頻同步方法進行時鐘同步；
4)主通信控制器1與第二從通信控制器3之間採用電臺時鐘同步方法進行時鐘同步。
內部時鐘同步方法包括以下步驟：
101)在主通信控制器1和從通信控制器中，將時鐘分為兩部分的數值：秒以上部分和納秒部分的數值；
102)秒以上部分的數值同步由通信接口通過「時鐘」消息來傳輸，該消息定期發送，所有接收該消息的模塊把自身模塊上的時鐘的秒以上部分更改為該消息指定的值；
103)納秒部分的數值同步通過秒同步脈衝信號(Time_Sync)的上升沿觸發，再由各個模塊的中斷服務程序對自身模塊中的時鐘進行同步，秒同步脈衝信號為一個共享的雙向信號。
在主通信控制器1中的內部時鐘同步方法包括：
A)主控模塊11定期將時鐘的秒以上部分的數值通過消息發送給其他模塊，其他模塊接收後將自身模塊上時鐘的秒以上部分的數值進行更新；
B)主控模塊11每秒產生一個秒同步脈衝信號，作為有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14的中斷輸入信號，秒同步脈衝信號的上升邊沿觸發中斷服務程序，在中斷服務程序中，相應模塊的時鐘的秒數加1，納秒數清零；
在從通信控制器中的內部時鐘同步方法包括：
a)將第一建立通信鏈路的有線遠傳模塊13或電臺適配模塊14稱為同步模塊，同步模塊定期把秒以上的時鐘通過通信接口發送給主控模塊11，主控模塊11再把同步模塊中秒以上的時鐘轉發給除同步模塊以外的其它模塊，接收秒以上的時鐘後將自身模塊中時鐘的秒以上部分的數值更新；
b)同步模塊在其內部時鐘每秒開始時，發送秒同步脈衝信號，作為其它模塊的上升邊沿觸發的中斷信號，觸發進入中斷服務程序後，相應模塊中的時鐘的秒數加1，納秒數清零。
秒同步脈衝信號為雙向信號，背板12上設有對應主控模塊11、電臺適配模塊14和有線遠傳模塊13的用於傳輸秒同步脈衝信號的信號埠，通過配置信息設置信號埠為秒同步脈衝信號輸入或輸出，信號埠的配置方法包括：
在主通信控制器1中，主控模塊11通過通信接口把配置信息發送到有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14上，有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14在接收到該配置信息後，把其模塊上的信號埠配置為輸入，然後向主控模塊11發送響應，主控模塊11接收到有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14的響應後，設置主控模塊11的信號埠為輸出；
在從通信控制器中，主控模塊11將信號埠配置為輸入，並通過通信接口把該配置信息發送到有線遠傳模塊13和電臺適配模塊14上，把其模塊上的信號埠配置為輸入，當某個有線遠傳模塊13或電臺適配模塊14鏈路建立成功後，該有線遠傳模塊13或電臺適配模塊14向主控模塊11發送「開始同步」消息，主控模塊11響應「開始同步」消息後，該有線遠傳模塊13或電臺適配模塊14將自身的信號埠配置為輸出，當鏈路斷鏈後，有線遠傳模塊13或電臺適配模塊14將自身的信號埠恢復為輸入，並向主控模塊11發送「結束同步」消息。
主通信控制器1與第二從通信控制器3時鐘同步方法包括以下步驟：
401)由步驟3)可知，第一電臺4和第二電臺5的時鐘同步，第一電臺4和第二電臺5根據電臺時鐘發出跳頻幀同步脈衝輸出信號(CP_OUT)，作為主通信控制器1與第二從通信控制器3內的電臺適配模塊14的中斷輸入信號；
402)跳頻幀同步脈衝輸出信號的上升沿產生中斷，主通信控制器1與第二從通信控制器3內的電臺適配模塊14分別進入中斷服務程序，讀取電臺適配模塊14自身的當前時鐘並保存，由步驟1)可知，主通信控制器1與第二從通信控制器3內的主控模塊11與其內部的電臺適配模塊14的時鐘同步，則主通信控制器1保存當前時鐘Th，第二從通信控制器3保存當前時鐘Tc；
403)主通信控制器1與第二從通信控制器3內的電臺適配模塊14分別向第一電臺4和第二電臺5發送「查詢電臺時間」消息，第一電臺4和第二電臺5均返回電臺時間Tw進行應答，Tw為跳頻幀同步脈衝輸出信號上升沿處的電臺時鐘，則主通信控制器1與第一電臺4的時鐘偏差為ΔTh，ΔTh＝Th-Tw，第二從通信控制器3與第二電臺5的時鐘偏差為ΔTc，ΔTc＝Tc-Tw；
404)主通信控制器1將ΔTh發送給第二從通信控制器3，則在第二從通信控制器3內計算出主通信控制器1在跳頻幀同步脈衝輸出信號處的時間Th，Th＝(Th-Tw)-(Tc-Tw)+Tc＝ΔTh-ΔTc+Tc；
405)第二從通信控制器3當前時間為Tc'，計算出主通信控制器1的當前時間Th'，Th'＝Th+(Tc'-Tc)，其中，Th'為當前主通信控制器1的時鐘，Tc'為當前第二從通信控制器3的時鐘，第二從通信控制器3根據Th'對自身時鐘進行更新同步。
下面對有線和無線兩個應用場景，進行具體舉例說明：
1)有線遠傳鏈路的時鐘同步過程
參照圖1，以主通信控制器1與第一從通信控制器2之間時鐘同步過程為例來進行說明(假設主通信控制器1和第一從通信控制器2都是通過有線遠傳模塊13相連)。
(1)通信控制器開機後，通過模塊間通信接口把模式(主模式/從模式)配置信息通知各模塊，通信控制器模式為主模式，即為主通信控制器1，同理，從模式為第一從通信控制器2；
(2)主通信控制器1內的主控模塊11設置Time_Sync信號為輸出，其它模塊設置Time_Sync信號為中斷輸入，依據主通信控制器1中的內部時鐘同步方法實現主控模塊11與其它模塊之間的時鐘同步；
(3)通過無線協議，主通信控制器1相連的第一電臺4與第一從通信控制器2相連的第二電臺5實現跳頻同步並建立無線鏈路，跳頻同步後，電臺的時鐘也就同步了；
(4)通過IEEE1588協議，主通信控制器1的有線遠傳模塊13與第一從通信控制器2的有線遠傳模塊13之間實現時鐘同步，這樣，主通信控制器1的主控模塊11與第一從通信控制器2的有線遠傳模塊13之間也就實現了時鐘同步；
(5)第一從通信控制器2的有線遠傳模塊13是第一個建立通信鏈路的模塊，因此，該模塊就配置為同步模塊，向主控模塊11發送「開始同步」消息，在主控模塊11響應該消息後，把自身Time_Sync信號配置為輸出。依據從通信控制器中的內部時鐘同步方法實現有線遠傳模塊13與主控模塊11及其它模塊之間的時鐘同步。從而，實現了主通信控制器1與第一從通信控制器2的時鐘同步。
2)無線鏈路的時鐘同步過程
參照圖1，以主通信控制器1與第二從通信控制器3之間時鐘同步過程為例來進行說明(假設主通信控制器1和第二從通信控制器3都是通過有線遠傳模塊13相連)。
(1)通信控制器開機後，通過模塊間通信接口把模式(主模式/從模式)配置信息通知各模塊，通信控制器模式為主模式，即為主通信控制器1，同理，從模式為第二從通信控制器3；
(2)主通信控制器1內的主控模塊11設置Time_Sync信號為輸出，其它模塊設置Time_Sync信號為中斷輸入，依據主通信控制器1中的內部時鐘同步方法實現主控模塊11與其它模塊之間的時鐘同步；
(3)通過有線遠傳建鏈協議，主通信控制器1的有線遠傳模塊13與第二從通信控制器3的有線遠傳模塊13之間建立有線遠傳鏈路；
(4)通過電臺時鐘同步方法實現主通信控制器1的電臺適配模塊14與第二從通信控制器3的電臺適配模塊14之間實現時鐘同步，這樣，主通信控制器1的主控模塊11與第二從通信控制器3的電臺適配模塊14之間也就實現了時鐘同步；
(5)第二從通信控制器3的電臺適配模塊14是第一個建立通信鏈路的模塊，因此，該模塊就配置為同步模塊，向主控模塊11發送「開始同步」消息，在主控模塊11響應該消息後，把自身Time_Sync信號配置為輸出。依據從通信控制器中的內部時鐘同步方法實現電臺適配模塊14與主控模塊11及其它模塊之間的時鐘同步。從而，實現了主通信控制器1與第二從通信控制器3的時鐘同步。