CN102237997B - 一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，它方法简便，占用的软硬件资源少，成本更低。其步骤为：第一步，主节点开始对各从节点进行枚举；第二步，以从节点中的第一个节点作为0节点，0节点启动周期定时器，并用周期发送同步包的方式实施对总线周期的管理；第三步，同步包启动从节点的延时测量模块计时并继续向下转发，直至最末尾的从节点；第四步，末节点组建标准以太网数据包并上传；第五步，从节点接收到返回包停止计时，并以测量值的一半为初始值启动本地分布时钟；第六步，从节点在接收完控制数据之后，等待同步时钟计时到相同的时刻产生同步信号，执行相应的动作，并锁存当前状态，等待上传。

Description

一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法

技术领域

本发明涉及一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法。

背景技术

工业控制网络从DCS(Distributed Control System)发展到FCS(Fieldbus ControlSystem)直至今天，工业以太网技术已经成为未来发展方向。一方面，以太网拓扑结构灵活，支持链状，星型，网状和菊花链等多种结构，可以很容易地实现车间内智能设备的互联，并且其百兆、千兆甚至更高的带宽足以保障智能设备之间海量数据的交换。另一方面，企业信息管理***通过以太网网关可以很方便地与车间网络连接到一起，实现上游企业管理***和现场设备在网络上的纵向一致性。因此，工业以太网技术已被普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案。

将通用以太网应用于工业控制领域，首先必须要解决的就是以太网的实时和同步的问题。其中同步性能作为工业控制网络最重要的性能指标之一，在运动控制领域表现尤为突出。网络节点间的同步精度决定了各轴合成运动的轨迹精度，因此要实现多轴之间的协调动作，则必须要求网络中各节点能够精确同步。

网络同步方案主要可分主从同步和对称同步两种。在主从同步的网络中，主节点发送同步指令和时间信息给各从节点以实现节点间同步，其精度受主时钟影响较大，并且通信过程相对复杂，要占用较多的软硬件资源。对称同步则是通过先测得各节点之间的时钟偏差，然后在同步的过程中进行补偿来实现同步，这种方式最终会因为晶振的误差积累和漂移产生较大偏差。

现有较为常见的Internet网络时间协议NTP(Network Time Protocol)，简单时间网络协议SNTP(Simple Network Time Protocol)和IEEE 1588定义的精确同步始终协议PTP(Precision Time Protocol)等基本都可以划入主从同步的范围。其中前面两种协议都是通过软件进行对时，仅能达到数十毫秒级的同步，难以满足于运动控制网络中对同步精度的严格要求。而IEEE 1588则是通过软件与硬件相结合来获得高精度时钟同步，能达到小于微秒级的同步精度，但如上所述协议内容相对复杂，并且会占用较多的软硬件资源和***带宽。

专利《一种实现以太网链状网络节点间同步的装置和方法》公开号为CN101019173，公开了一种以太网链状节点间的同步方法，该发明采用一主多从的链状结构，首先用对称传输的方式测得末节点与其他从节点之间的延时Δt_i，然后在周期通讯在开始之后由0节点周期性地发出同步数据包，后面各节点在接收到同步包之后延时Δt_i开始动作，以此来实现节点间同步。这种方式中因各节点间异步时钟的影响，实际测得的延时值会存在较大抖动，并且随着节点数的增多抖动会加剧，以单次的测量值补偿本身就存在抖动的数据传输延时会导致同步信号产生更大抖动。并且，因为同步信号与数据上传之间间隔很短，如果同步阶段处理任务比较多则会出现数据上传时同步动作未执行完成的情况。

发明内容

本发明的目的在于解决链式以太网用于现场级通讯时，节点之间因为网络设备延迟、***晶振误差以及漂移引起的分布时钟偏移及同步抖动问题，提供一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，它方法简便，占用的软硬件资源少，成本更低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，它为一个链状以太网网络，网络中至少包含一个主节点和若干从节点，每个从节点至少包含两个网口组成的Hub，结构如图2所示，延时测量及补偿、时钟同步等功能都在FPGA内部实现。主节点与从节点之间以及各从节点之间通过标准的交叉网线首尾相连构成一个链式网络结构，步骤为：

第一步，***上电自检之后，由主节点发起对网络的枚举，为从节点分配节点号：以最接近主节点的从节点为0节点，随着从节点距离主节点的增加，各从节点号单位递增，直到最后一个从节点，此处称为末节点N；枚举完成之后各从节点返回本节点的节点类型；如图1所示。

第二步，枚举之后，总线***进入周期通讯阶段。主节点发出周期通讯开始数据包启动0节点上的总线周期定时器，开始由0节点对总线周期进行管理；当定时器计时到设定的总线周期时，0节点向后面的从节点发送一个非标准以太网的同步包短帧，内容为0x4d4143，并在发送完的同时启动本节点上的延时测量模块开始计时；

第三步，0节点之后的从节点在接收到来自前面从节点转发的同步帧之后，启动本节点上的延时测量模块计时并继续将同步短帧向下转发，直至末节点N；

第四步，最后一个从节点即末节点N接受到同步帧之后，组建标准以太网数据包，并将自己的状态数据封装在数据包中上传；在开始上传的时刻，停止延时测量模块，并以测量值的一半Δt_n为初始值启动本节点的分布时钟；

第五步，前面从节点接收到来自末节点上传的以太网返回帧之后，停止延时测量，并以测量值的一半为初始值启动本节点的分布时钟；同时将自身状态数据追加到返回帧的末尾继续上传，直至0节点；

第六步，0节点将状态数据转发给主节点之后，主节点根据反馈状态计算下一周期的控制命令并下发给0节点再并继续向下转发到后面的从节点；各从节点在接收完控制数据之后，等待同步时钟计时到相同的时刻产生同步信号，执行相应的动作，并锁存当前状态，等待上传。

所述第一步及第五步中，主节点收发的以太网数据帧完全符合IEEE802.3协议标准，包括7bytes前导符，1byte分隔符，6bytes目的地址，6bytes源地址，2bytes以太网类型，40-1500bytes数据段和4bytes帧校验序列域；其中以太网帧数据段的第一个字节标识主节点每次下发的数据包类型，分为枚举数据包或周期通讯数据包两种。其中枚举数据包为标准以太网帧的最小帧，用在通讯开始时为网络中的各从节点分配节点号；各从节点获得分配的节点号之后返回自己的节点号及节点类型，主节点通过反馈数据确认各从节点状态是否正常。周期通讯数据包完成在周期通讯过程中应用数据的交互。

所述第二步中，由0节点发出的同步包短帧用3个字节0x4D4143表示，其具备7Byte前导符和1Byte分隔符。

所述第三步中，同步包的解析和转发是相互独立的过程，从节点接收完数据并确定为同步帧之后启动本地的延时测量；延时测量模块为高频时钟，并且该时钟应该与节点上分布时钟的计时时钟相同。

所述第四步及第五步中，延时测量模块停止计时之后，其测量值即为末节点从接收完同步包到开始向上转发状态数据的时间，此处定义延时测量值的一半为Δt_i，其中包含传输延时和因节点间时钟相位差造成的延时抖动两部分；如果接收同步包的过程和上传数据包的过程完全对称，则各节点测量值的中点在时间轴上重合；也就是说如果在停止延时测量的时刻以Δt_i为初始值启动分布时钟，则各节点上分布时钟的0时刻点在时间轴上是重合的，由此***便实现了分布节点的时钟同步。

所述第四步及第五步中，测得的延时值Δt_i为分布时钟当前计时周期的实际延时值，以当前周期的实际延时值Δt_i为初始值启动分布时钟减小节点间因时钟相位差产生的同步抖动；周期通讯过程中，在每个周期的数据上传阶段从节点都会初始化本地的分布时钟，消除因晶振误差和漂移引起的时钟漂移。

所述第六步中，同步信号的产生通过设置相应寄存器来实现，从节点上的分布时钟计时到设定值的时候产生同步信号开始动作。

所述第六步中，主节点新一周期的运算由从节点上发的反馈包启动，网络通讯周期由0节点确定；主节点只需要在0节点启动新一轮周期通讯和同步锁定之前将数据发送到网络上即实现实时控制。

本发明在FPGA(Field Programmable Gate Array)上实现了一种链式以太网节点间的同步方法和动态补偿机制，采用上述技术方案具有以下优点：

1、同步及补偿模块可以以IP核的方式集成到FPGA***设计中，使用方便，开放性更好。

2、相比较Internet网络时间协议NTP和简单时间网络协议SNTP，本发明能获得更高的同步精度，而相对比IEEE 1588定义的精确同步始终协议PTP相比，在相同的同步精度下，实现方式更为简单，占用的软硬件资源更少，成本也更低。

3、分布时钟在每个通讯周期内都能得到校正，消除了温度、时间等因素造成的时钟漂移，并有效降低了因分布节点时钟相位差产生的同步抖动。

4、总线周期的管理转交给0节点的硬件程序保证，降低了对主节点的实时性要求，使得主节点无需专用网卡，仅采用准实时操作***即可获得纳秒级精度总线控制周期。并且同步时间可以根据要求动态设置。

附图说明：

图1：网络结构；

图2：从节点内部结构；

图3：枚举包结构；

图4：周期通讯数据包结构；

图5：同步包数据结构；

图6：延时测量及同步原理；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

在一个链状以太网网络中，至少包含一个主节点和若干从节点。每个从节点至少包含两个网口组成的Hub，主节点与从节点之间以及各从节点之间通过标准的交叉网线首尾相连组成一个链式网络结构，如图1所示。分布节点间同步及动态补偿的步骤如下：

1、***上电自检之后。主节点开始对各从节点进行枚举，为从节点分配节点号，并获取各从节点的节点类型。

2、枚举完成之后，从节点中的第一个节点作为0节点启动周期定时器开始实施对总线周期的管理。当定时器计时到通讯周期之后，0节点向后面的节点发送一个非标准以太网的同步短帧，内容为0x4d4143。并在发送完的同时启动延时测量模块开始计时。

3、后面的从节点接收到来自前面节点同步帧之后，启动本从节点延时测量模块计时并继续向下转发，直至末从节点。

4、末从节点接受到同步帧之后，组建标准以太网数据包，并将自己的状态数据封装在数据包中上传。在开始上传的时刻，停止延时测量模块，并以测量值的一半Δt_n为初始值启动本节点的分布时钟。

5、前面的从节点接收到末从节点上传的以太网返回帧之后，停止延时测量，并以测量值的一半为初始值启动分布时钟。同时将自身状态数据追加到返回帧的末尾继续上传，直至0节点。

6、0节点将状态数据转发给主节点之后，主节点根据反馈状态计算下一周期的控制命令并下发给0节点再并继续向下转发到后面的从节点。各从节点在接收完控制数据之后，等待同步时钟计时到相同的时刻产生同步信号，执行相应的动作，并锁存当前状态，等待上传。

所述步骤1及步骤5中，主节点收发的以太网数据帧完全符合IEEE802.3协议标准，包括7bytes前导符，1byte分隔符，6bytes目的地址，6bytes源地址，2bytes以太网类型，40-1500bytes数据段和4bytes帧校验序列域。本发明中采用数据段的第一个字节标识数据包类型，此处只规定两种类型：枚举数据包和周期通讯数据包，具体数据结构如图3、图4所示。枚举包为标准以太网帧的最小帧，下行过程为网络中的各个从节点分配节点号；枚举完成后各从节点返回自己的节点号及节点类型，主节点通过反馈数据确认各从节点状态是否正常。周期通讯数据包完成在周期通讯过程中应用数据的交互。从节点号分配中以最接近主节点的从节点作为0节点，然后根据链状网络的级联顺序逐渐往后递加，直至的末从节点。

所述步骤2中，由0节点发出的同步包起着确定总线周期、启动延时测量、启动末节点上传数据的作用。其作用域仅限与链状网络内部，所以不必完全符合标准以太网的数据帧格式。综合考虑到同步精度、总线带宽利用率和误码率等因素，该报文用3个字节0x4D4143表示，具体结构如图5所示，为能使其在以太网中传输，必须具备7Byte前导符和1Byte分隔符。

所述步骤3中同步包的解析和转发是相互独立的过程，从节点接收完数据并确定为同步帧之后启动延时测量。为保证测量值准确，延时测量模块应尽量选择高频时钟，并且该时钟应该与从节点上分布时钟的计时时钟相同。

所述步骤4及步骤5中，延时测量模块停止计时之后，其测量值即为末从节点从接收完同步包到开始向上转发状态数据的时间，此处定义延时测量值的一半为Δt_i，其中包含传输延时和因节点间时钟相位差造成的延时抖动两部分，如图6所示。如果接收同步包的过程和上传数据包的过程完全对称，则各从节点测量值的中点在时间轴上重合；也就是说如果在停止延时测量的时刻以Δt_i为初始值启动分布时钟，则各从节点上分布时钟的0时刻点在时间轴上是重合的。由此***便实现了分布节点的时钟同步。

所述步骤4及步骤5中，测得的延时值Δt_i为分布时钟当前计时周期的实际延时值，因为延时测量阶段较短，各从节点因晶振误差造成的相位偏移较小，故以当前周期的实际延时值Δt_i为初始值启动分布时钟可以有效减小节点间因时钟相位差产生的同步抖动。周期通讯过程中，在每个周期的数据上传阶段都会初始化本从节点上的分布时钟，就基本消除了因晶振误差和漂移引起的时钟漂移。

所述步骤6中，同步信号的产生可以通过设置相应寄存器来实现，从节点上的分布时钟计时到设定值的时候产生同步信号开始动作。因为各从节点的时钟是同步的，所以通过设定不同从节点计时到相同值进行锁定即可实现不同从节点的动作同步。

所述步骤6中，上位机新一周期的运算由从节点上发的反馈包启动，网络通讯周期由0节点确定。所以主节点只需要在0节点启动新一轮周期通讯和同步锁定之前将数据发送到网络上即可实现实时控制。通过这种方式可以大大降低***对主节点的实时性要求，在准实时操作***上实现纳秒级精度的通讯周期控制。

本发明通过数据传输的对称性测得节点之间的延时值，然后以此启动分布时钟，并在通讯过程中以主节点为标准对从节点的时钟进行周期性补偿。因为每次的补偿值都是本周期的实际延时值，所以能获得很高的同步精度，并有效减小抖动。

结合对称同步与主从同步算法提出了一种链式以太网网络中分布节点之间的同步方法及分布时钟的动态补偿方案。如图1所示，总线***中至少包含一个主节点和若干从节点。主节点可以是采用标准网卡的计算机，也可以是支持以太网协议具有标准网口的控制卡。从节点的结构如图2所示，每个从节点至少包含两个网口，两个物理接口收发器PHY，PHY与介质访问层MAC(MediaAccess Control)之间通过MII(Media Independent Interface)连接。MAC层之上是修改后的实时以太网链路层协议，在FPGA中通过编程实现，负责完成周期控制、延时测量、同步、协议解析等任务。最上层的应用层在解析获得控制数据之后，实现对节点上外设的管理。

与主节点收发的以太网数据帧完全符合IEEE802.3协议标准，帧结构如图3所示，包括7bytes前导符，1byte分隔符，6bytes目的地址，6bytes源地址，2bytes以太网类型，40-1500bytes数据段和4bytes帧校验序列域。数据区的第一个字节为数据包的类型，用来区分枚举数据包和周期通讯数据包，如图3、图4。总线控制分为枚举和周期通讯两部分，***上电自检完成后，主节点发送枚举包，对总线上的设备进行枚举，以确定总线上的节点数目及类型。周期通讯过程负责完成控制数据的下发与状态数据的上传。

周期性通讯开始之后，由0节点实施对总线***的管理，主要实现包括总线周期管理、同步启动、数据上传等功能。由于0节点对其他从节点的管理仅局限于网段内，所以结构上如果仍然采用标准以太网帧的话不仅会占用网络带宽增加网络负担，还会对同步精度造成影响。所以本发明中用一个3字节长度的短帧0x4D4143做同步触发，如图5所示。周期通讯过程中具体同步方法如下：

***上电自检之后，首先由主节点发起通讯向网络发出枚举包，对从节点进行枚举，格式如图3所示。枚举数据包经过每个从节点时，该从节点都会取下数据段中表示从节点号字节的数据作为本从节点的节点号，同时对该字段的数值加1继续向下转发，直至末节点。转发过程中完成节点号的分配，最接近主节点的为节点0，最末端为节点n。末节点接收到枚举包之后，重新组包，并将自己的节点类型封装在以太网帧中上转发，转发过程中，之前的每个从节点都将自己的节点号及节点类型追加到数据包末尾，最终由0节点转发给主节点进行校验。返回数据帧的格式符合IEEE802.3协议标准，结构如图4所示。

接收到上位机周期通讯开始的数据包之后，0节点启动周期定时器。周期定时器计时到指定通讯周期之后，0节点向后面的从节点发送同步包，与此同时启动本节点上的延时测量模块开始计时。后面的每个从节点在接收到同步包之后，都继续向下转发，同时以此触发启动从本节点的延时测量模块，直至末从节点，如图6所示。末从节点接收到同步包后，同样启动延时测量，并重新组包将自己的状态信息封装到以太网帧中上传。

末从节点在开始上传的时刻，停止延时测量模块的计时，此时延时测量模块中的计时值即为末从节点从接收完同步包到开始上传状态数据的时间，取该值的一半为Δt_n。在延时测量停止的时，以Δt_n为初始值启动末从节点的分布时钟。前面的从节点在接收到后面从节点上传的数据包之后把本从节点的状态数据追加在数据包末尾继续向上转发。在转发开始的时刻停止延时测量，并以测量值的一半Δt_i为初始值启动本地的分布时钟，直至0节点。

由图4可知，以延时测量值的一半Δt_i为初值计，则分布时钟的零点正好落在测量时间的中点上。如果接收同步包的过程和上传数据包的过程完全对称，则各从节点延时测量的中点在时间轴上重合，即各从节点分布时钟的计时起点相同，***由此实现了分布时钟的同步。通过设定分布从节点在相同的时间产生锁定信号即可实现分布节点的同步动作。此时同步的精度取决于时钟精度和设定的同步时钟动作时间。比如***时钟频率为fMHz，精度为e ppm，同步时钟计时到Tms时各节点同时锁定，此时***因各从节点分布时钟晶振误差引起的同步抖动为：

${\mathrm{\&Delta;t}}_{\mathrm{jitter}}<\mathrm{eppm}\&times;\mathrm{Tms}\&times;\mathrm{fMHz}\&times;\frac{1s}{\mathrm{fMHz}}=\mathrm{eTns}$

周期通讯过程中，0节点周期性下发同步报文启动新一轮通讯，所以各从节点在每个通讯周期数据上传阶段都会重新测量延时值，并对分布时钟进行补偿。通过这种方式，就大大减小了各从节点之间因为晶振误差积累和漂移产生的分布时钟计时偏差。

Claims (6)

1.一种链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，以太网为一个链状以太网网络，网络中至少包含一个主节点和若干从节点，每个从节点至少包含两个网口组成的Hub，主节点与从节点之间以及各从节点之间通过标准的交叉网线首尾相连构成一个链式网络结构，其特征是，步骤为：

第一步，***上电自检之后，由主节点发起对网络的枚举，为各从节点分配节点号：以最接近主节点的从节点为0节点，随着从节点距离主节点的距离增大，各从节点号单位递增，直到最后一个从节点，即末节点N；枚举完成之后各从节点返回其节点类型；

第二步，枚举之后，总线***进入周期通讯阶段；主节点发出周期通讯开始数据包启动0节点上的总线周期定时器，开始由0节点对总线周期进行管理；当定时器计时到设定的总线周期时，0节点向后面的从节点发送一个非标准以太网的同步包，内容为0x4d4143，并在发送完的同时启动本从节点上的延时测量模块开始计时；

第三步，0节点之后的从节点在接收到前面从节点转发来的同步包之后，启动本从节点上的延时测量模块开始计时，并继续向下转发同步包，直至末节点N；

第四步，最后一个从节点即末节点N接收到同步包之后，组建标准以太网数据包，并将自己的状态数据封装在数据包中上传；在开始上传的时刻，停止延时测量模块，并以测量值的一半Δt_n为初始值启动本从节点的分布时钟；

第五步，前面从节点接收到来自末从节点上传的返回数据包之后，停止延时测量，并以测量值的一半为初始值启动本从节点的分布时钟；同时将自身状态数据追加到数据包的末尾继续上传，直至0节点；

第六步，0节点将状态数据转发给主节点之后，主节点根据反馈状态计算下一周期的控制命令并下发给0节点，之后继续向下转发到后面的从节点；各从节点在接收完控制数据之后，等待分布时钟计时到相同的时刻产生同步信号，执行相应的动作，并锁存当前状态，等待上传。

2.如权利要求1所述的链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，其特征是，所述第一步中，主节点收发的以太网帧符合IEEE802.3协议标准，包括7bytes前导符，1byte分隔符，6bytes目的地址，6bytes源地址，2bytes以太网类型，40-1500bytes数据段和4bytes帧校验序列域；其中以太网帧数据段的第一个字节标识主节点每次下发的数据包类型，分为枚举数据包或周期通讯数据包两种；其中枚举数据包为标准以太网帧的最小帧，用在通讯开始时为网络中的各从节点分配节点号；各从节点获得分配的节点号之后返回自己的节点号及节点类型，主节点通过反馈数据确认各从节点状态是否正常；周期通讯数据包完成在周期通讯过程中应用数据的交互。

3.如权利要求1所述的链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，其特征是，所述第二步中，由0节点发出的同步包用3个字节0x4D4143表示，其具备7Byte前导符和1Byte分隔符。

4.如权利要求1所述的链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，其特征是，所述第三步中，同步包的解析和转发是相互独立的过程，从节点接收完数据并确定为同步包之后启动延时测量；延时测量模块为高频时钟，并且该时钟应该与节点上分布时钟的计时时钟相同。

5.如权利要求1所述的链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，其特征是，所述第六步中，同步信号的产生通过设置相应寄存器来实现，从节点上的分布时钟计时到设定值的时候产生同步信号开始动作。

6.如权利要求1所述的链状以太网节点间的实时同步及动态补偿方法，其特征是，所述第六步中，主节点新一周期的运算由0节点上发的反馈包启动，网络通讯周期由0节点确定；主节点只需要在0节点启动新一轮周期通讯和同步锁定之前将数据发送到网络上即实现实时控制。

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