CN103995471A - 一种分布式控制***的时钟同步方法 - Google Patents

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周柔刚
周云飞
涂骁
刘广斗
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Abstract

本发明公开了一种分布式控制***的时钟同步方法，主***的FPGA每隔一个伺服周期发出一个脉冲信号，一路输出到主***的CPU并触发主***的CPU进行新的伺服周期运算，另一路通过主***的输出端口电路、同步信号线传送至各辅***，同步触发各辅***的CPU开始新的伺服周期运算。本发明公开的分布式控制***的时钟同步方法，通过主***周期发送的同步脉冲信号作为整个***的时钟基准，保证各个子***的伺服周期开始时间一致，同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而能够达到纳秒级同步精度，特别适用于大型复杂、同步精度要求高的分布式控制***。

Description

一种分布式控制***的时钟同步方法
技术领域
本发明涉及一种分布式控制***的时钟同步方法，特别涉及一种多机箱大型分布式控制***的纳秒级同步方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
分布式控制***作为一种新兴技术，已成为现代大型控制设备主要支柱之一。它具有硬件积木化，软件模块化，可靠性高等众多优点，广泛应用于电力网络控制、大型设备控制等领域。分布式控制***由多个子***组成，这些子***位于不同的机箱且工作时需要严格伺服周期同步，由于各个机箱时钟***是相互独立，处于不相同机箱的子***处在不同的时钟域，这些频率近似相等的时钟***内晶振存在相位偏差及频率的微小偏差。子***长时间工作过程中，时钟***频内晶振率微小偏差随时间的累积会造成子***之间伺服周期开始时刻的差异，从而造成各个子***伺服周期开始时间并不同时产生，***整体同步性遭破坏。
现有技术的分布式控制***的时钟同步方法一般采用软件同步或软硬件混合同步的方法。软件同步是基于特定总线或特定网络协议，如CAN总线，NTP协议和PTP协议，并运用一些处理算法，如Cristian算法、Berkeley算法、平均值算法等，来完成时钟同步。软件同步具有成本较低、操作灵活、通用性强等优点，但网络协议和算法较为复杂，并且由于网络延迟的不确定性及算法造成时间延时的不可控性，使软件同步的精度较低，一般仅为亚微秒级(10-6秒一10-3秒)，无法满足对同步精度要求较高的分布式控制***的需要。软硬件混合同步一般指在选取某一个节点处使用硬件同步UTC时钟，其它节点使用软件同步，采用软硬件混合同步仍然存在网络协议和算法复杂、同步精度低(仅为亚微秒级)等缺陷。
现有的复杂、大型的分布式控制***对时钟同步精度要求较高，一般为纳秒级，而现有技术的各种时钟同步方法显然不能满足此要求，因而研究一种方法更简单、精度更高(纳秒级)的时钟同步方法，满足日益发展的分布式控制***的更苛刻同步要求就势在必行了。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的分布式控制***的时钟同步方法存在的同步协议和算法复杂、同步精度低(不能达到纳秒级同步)的缺陷与不足，提供一种分布式控制***的时钟同步方法，由主***通过单独设置的同步信号传输电路，周期发送脉冲信号至各辅***，同步触发主***和各辅***的CPU开启新的伺服周期，保证各个子***的伺服周期开始时间一致，各子***间的同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而本同步方法能够达到纳秒级同步，特别适用于大型复杂、同步精度要求高的分布式控制***。
本发明为实现技术目的采用的技术方案是：一种分布式控制***的时钟同步方法，包括主***和n个辅***，所述主***和每个辅***包括CPU、FPGA，所述主***还包括输出端口电路，所述辅***还包括接收端口电路，所述主***的FPGA每隔一个伺服周期发出一个脉冲信号，所述脉冲信号一路输出到主***的CPU并触发主***的CPU进行新的伺服周期运算，所述脉冲信号的另一路通过主***的输出端口电路、同步信号线传送至各辅***，再经过各辅***的接收端口电路、FPGA，输出至各辅***的CPU并触发各辅***的CPU开始新的伺服周期运算。
一种分布式控制***的时钟同步方法，所述主***的输出端口电路包括光电隔离芯片和单端转差分芯片，所述辅***的接收端口电路包括光电隔离芯片和差分转单端芯片，所述主***的FPGA发出的脉冲信号经过主***的光电隔离芯片传送至主***的单端转差分芯片，转换为差分信号后通过同步信号线传送至各个辅***的差分转单端芯片，再转换成单端信号后传送至各辅***的光电隔离芯片，再传送至各辅***的FPGA。
一种分布式控制***的时钟同步方法，所述光电隔离芯片的型号优选TLP2631。
一种分布式控制***的时钟同步方法，所述单端转差分芯片的型号优选SN75174DW，所述差分转单端芯片的型号优选SN75174DW。
与现有技术相比，本发明的显著优点在于：
1、本发明提供的时钟同步方法，由主***周期发送脉冲信号至各辅***，同步触发主***和各辅***的CPU开启新的伺服周期，保证各个子***的伺服周期开始时间一致，各子***间的同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而本同步方法能够达到纳秒级同步，特别适用于大型复杂、同步精度要求高的分布式控制***。
2、本发明提供的时钟同步方法，避免了繁杂的通信协议和算法，方法特别简单、便于实施。
3、本发明提供的时钟同步方法，主***与辅***之间的同步信号转换成差分信号进行传输，保证了同步信号的稳定性，光隔芯片保证了***的可靠性。
4、本发明提供的时钟同步方法，可以通过改变主***FPGA发出的脉冲信号的周期实现对整个***伺服周期的调节，方法简单、灵活、便于实现。
附图说明
图1是本发明的分布式控制***的时钟同步方法的架构图及信号流图。
图2是本发明的分布式控制***的时钟同步方法的同步信号的时序图。
图3是本发明的分布式控制***的时钟同步方法的主***的输出端口电路示意图。
图4是本发明的分布式控制***的时钟同步方法的辅***的接收端口电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明的分布式控制***的时钟同步方法的架构图及信号流图。时钟同步***包括主***和多个辅***，主***可任意选取一个子***作为主***，其它子***则为辅***。主***和辅***均包括CPU和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)，主***还包括输出端口电路，辅***还包括接收端口电路。主***的FPGA每隔一个伺服周期产生一个脉冲信号(即基准时钟校准信号)，作为整个分布式***的时钟基准，辅***的FPGA则仅接收主***发出的同步信号。主***的FPGA产生的脉冲信号一路输出到主***的CPU并触发主***的CPU进行新的伺服周期运算，另一路通过输出端口电路、同步信号线、接收端口电路输出到各个辅***的FPGA，再输出到各个辅***的CPU并触发各个辅***的CPU开始新的伺服周期运算。
伺服周期指CPU扫描处理周期，伺服周期长短根据计算程序复杂程度，设备要求的控制频率及控制***带宽等因素共同确定。现有技术的分布式控制***中，各子***的FPGA每隔一个伺服周期也产生一个脉冲信号，用以触发CPU进行伺服周期运算，但是各个子***的脉冲信号是独立的，并不同步。为实现各子***的时钟同步(即伺服周期触发时间同步)，现有技术运用网络协议(如NTP协议和PTP协议)，以及处理算法(如Cristian算法、Berkeley算法、平均值算法等)，通过系列复杂的运算过程得到时钟误差，并用于调整各子***的伺服周期开始时间。而本发明采用仅由主***的FPGA发出脉冲信号作为整个***的同步基准，其它子***的FPGA不再发出脉冲信号、而仅接收主***发出的脉冲信号，并在***中增加接口硬件(输出端口电路、接收端口电路)及信号传输电路，用于传输、接收伺服周期开始信号，使各子***的伺服周期均按照统一脉冲信号触发而开始，从而实现各子***的时钟同步。各子***间的同步差异仅为同步信号在导线间传输延时差异，因而本同步方法能够达到纳秒级同步精度，远远高于采用网络协议和算法的软件同步精度，特别适用于对时钟同步精度要求较高的大型复杂的分布式控制***。
参见图2，本发明的分布式控制***的时钟同步方法的同步信号的时序图，主***的FPGA每隔一个伺服周期产生一个脉冲信号(高电平)，触发CPU进行新的伺服周期运算。触发原理具体为：当各子***的板卡接收到伺服周期开始信号(即脉冲信号)后，触发CPU进行伺服周期运算，根据运算复杂度，计算开始到计算结束需要不等的时间。CPU计算结束后，CPU处于空闲状态，等待新的伺服周期开始信号到来。
本发明提供的分布式控制***的时钟同步方法，调整主***发出的脉冲信号的周期后，所有子***伺服周期开始时间及周期长度将自动跟随改变，因此只需修改时钟基准***伺服周期，可以达到整***伺服周期改变的目的，而改变伺服周期长度只需改变代码中计数器数值，因而调节伺服周期非常灵活、方便。
参见图3和图4，本发明提供的分布式控制***的时钟同步方法主***的输出端口电路、从***的接收端口电路的示意图。输出端口电路包括光电隔离芯片和单端转差分芯片，接收端口电路包括光电隔离芯片和差分转单端芯片。主***的FPGA发出的脉冲信号经过主***的光电隔离芯片传送至主***的单端转差分芯片，转换为差分信号后通过同步信号线传送至辅***的差分转单端芯片，再转换成单端信号后，传送至辅***的光电隔离芯片，再传送至辅***的FPGA。脉冲信号转换为差分信号后传输，保证了脉冲信号的稳定性，光电隔离芯片保证了***可靠性，使整体同步信号传输电路具有良好的稳定性和可靠性。
本发明提供的分布式控制***的时钟同步方法，光电隔离芯片的型号优选TLP2631，单端转差分芯片的型号优选SN75174DW，差分转单端芯片的型号优选SN75174D。

Claims (4)

1.一种分布式控制***的时钟同步方法，包括主***和n个辅***，所述主***和每个辅***包括CPU、FPGA，其特征在于：所述主***还包括输出端口电路，所述辅***还包括接收端口电路，所述主***的FPGA每隔一个伺服周期发出一个脉冲信号，所述脉冲信号一路输出到主***的CPU并触发主***的CPU进行新的伺服周期运算，所述脉冲信号的另一路通过主***的输出端口电路、同步信号线传送至各辅***，再经过各辅***的接收端口电路、FPGA，输出至各辅***的CPU并触发各辅***的CPU开始新的伺服周期运算。
2.一种根据权利要求1所述的分布式控制***的时钟同步方法，其特征在于：所述主***的输出端口电路包括光电隔离芯片和单端转差分芯片，所述辅***的接收端口电路包括光电隔离芯片和差分转单端芯片，所述主***的FPGA发出的脉冲信号经过主***的光电隔离芯片传送至主***的单端转差分芯片，转换为差分信号后通过同步信号线传送至各个辅***的差分转单端芯片，再转换成单端信号后传送至各辅***的光电隔离芯片，再传送至各辅***的FPGA。
3.一种根据权利要求2所述的分布式控制***的时钟同步方法，其特征在于：所述光电隔离芯片的型号优选TLP2631。
4.一种根据权利要求2所述的分布式控制***的时钟同步方法，其特征在于：所述单端转差分芯片的型号优选SN75174DW，所述差分转单端芯片的型号优选SN75174D。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104503247A (zh) * 2014-11-20 2015-04-08 上海富欣智能交通控制有限公司 应用于二乘二取二计算机***的双系同步方法
CN106301657A (zh) * 2016-09-07 2017-01-04 郑凯 高时间精度大空间信道同步采集***
CN106796539A (zh) * 2014-08-29 2017-05-31 大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司 安全关键的机动车***的微控制器***和方法及其应用
CN106909732A (zh) * 2017-02-22 2017-06-30 天津大学 一种基于多fpga的有源配电网实时仿真器同步机制设计方法
CN108599867A (zh) * 2018-03-29 2018-09-28 上海交通大学 基于波形匹配的光学数字信号接收装置
CN108650050A (zh) * 2018-05-09 2018-10-12 西安电子科技大学 一种分布式网络时钟同步方法
CN112180813A (zh) * 2020-10-22 2021-01-05 湖南中车时代通信信号有限公司 一种硬线同步处理装置及控制***
CN110995388B (zh) * 2019-11-28 2021-03-30 电子科技大学 一种分布式的共享时钟触发调延***
CN114422287A (zh) * 2021-12-09 2022-04-29 福建星云电子股份有限公司 一种微秒级充放电同步控制方法及***

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0876822A (ja) * 1994-09-05 1996-03-22 Mitsubishi Electric Corp 駆動制御指令装置と複数台の駆動制御指令装置の同期制御システム及びその同期制御方法
US5809220A (en) * 1995-07-20 1998-09-15 Raytheon Company Fault tolerant distributed control system
JP2000020130A (ja) * 1998-06-26 2000-01-21 Mitsubishi Electric Corp インチング操作制御システム
CN1960242A (zh) * 2006-10-17 2007-05-09 中控科技集团有限公司 实现时钟同步的方法、装置、***及分布式***
CN101252404A (zh) * 2008-03-31 2008-08-27 重庆大学 基于fpga的分布式网络时钟同步***及方法
CN101455014A (zh) * 2006-02-22 2009-06-10 西门子企业通讯有限责任两合公司 传送所发送的或者所接收的消息的发送时间信息或者接收时间信息的方法和装置
CN202276348U (zh) * 2011-10-21 2012-06-13 上海湾流仪器技术有限公司 实现获取同步时间戳的时钟同步装置
CN202815819U (zh) * 2012-07-30 2013-03-20 中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所 一种基于lxi总线架构的分布式测试装置
CN103067112A (zh) * 2012-12-17 2013-04-24 福建星网锐捷网络有限公司 时钟同步方法、装置及网络设备

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0876822A (ja) * 1994-09-05 1996-03-22 Mitsubishi Electric Corp 駆動制御指令装置と複数台の駆動制御指令装置の同期制御システム及びその同期制御方法
US5809220A (en) * 1995-07-20 1998-09-15 Raytheon Company Fault tolerant distributed control system
JP2000020130A (ja) * 1998-06-26 2000-01-21 Mitsubishi Electric Corp インチング操作制御システム
CN101455014A (zh) * 2006-02-22 2009-06-10 西门子企业通讯有限责任两合公司 传送所发送的或者所接收的消息的发送时间信息或者接收时间信息的方法和装置
CN1960242A (zh) * 2006-10-17 2007-05-09 中控科技集团有限公司 实现时钟同步的方法、装置、***及分布式***
CN101252404A (zh) * 2008-03-31 2008-08-27 重庆大学 基于fpga的分布式网络时钟同步***及方法
CN202276348U (zh) * 2011-10-21 2012-06-13 上海湾流仪器技术有限公司 实现获取同步时间戳的时钟同步装置
CN202815819U (zh) * 2012-07-30 2013-03-20 中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所 一种基于lxi总线架构的分布式测试装置
CN103067112A (zh) * 2012-12-17 2013-04-24 福建星网锐捷网络有限公司 时钟同步方法、装置及网络设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
黄文君 等: "基于FPGA的精确时钟同步方法", 《浙江大学学报（工学版）》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106796539A (zh) * 2014-08-29 2017-05-31 大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司 安全关键的机动车***的微控制器***和方法及其应用
CN104503247A (zh) * 2014-11-20 2015-04-08 上海富欣智能交通控制有限公司 应用于二乘二取二计算机***的双系同步方法
CN106301657A (zh) * 2016-09-07 2017-01-04 郑凯 高时间精度大空间信道同步采集***
CN106301657B (zh) * 2016-09-07 2018-10-19 合肥更鼓电子科技有限公司 高时间精度大空间信道同步采集***
CN106909732A (zh) * 2017-02-22 2017-06-30 天津大学 一种基于多fpga的有源配电网实时仿真器同步机制设计方法
CN108599867A (zh) * 2018-03-29 2018-09-28 上海交通大学 基于波形匹配的光学数字信号接收装置
CN108599867B (zh) * 2018-03-29 2021-02-02 上海交通大学 基于波形匹配的光学数字信号接收装置
CN108650050A (zh) * 2018-05-09 2018-10-12 西安电子科技大学 一种分布式网络时钟同步方法
CN110995388B (zh) * 2019-11-28 2021-03-30 电子科技大学 一种分布式的共享时钟触发调延***
CN112180813A (zh) * 2020-10-22 2021-01-05 湖南中车时代通信信号有限公司 一种硬线同步处理装置及控制***
CN114422287A (zh) * 2021-12-09 2022-04-29 福建星云电子股份有限公司 一种微秒级充放电同步控制方法及***

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