專利名稱：分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法，尤其涉及一種通過動態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)多個卡件的時鐘的高精度同步的方法。
背景技術(shù)：
分布式控制系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域，其分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在提高系統(tǒng)可靠性的同時，也對各卡件之間的信息同步提出了更高要求，時鐘同步則是滿足信息同步的基礎(chǔ)。以時間順序為主要特征的信息記錄是工業(yè)過程控制運行中操作、統(tǒng)計、分析和故障處理的重要依據(jù)，高精度時鐘為信息記錄的準確性提高了重要保證。但是， 時鐘自身的時鐘源頻率的精度、穩(wěn)定度會使時鐘產(chǎn)生誤差，分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊延時、 軟件處理延時、以及這些延時的不確定性會對時鐘同步的精度產(chǎn)生影響。現(xiàn)有一般的時鐘同步方法如圖1所示，該分布式控制系統(tǒng)100’包括分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1’、與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1’相連的主時鐘模塊2’以及一端與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1’相連，另一端與主時鐘模塊相連的并列排列的若干卡件3’。主時鐘模塊中的主時鐘會在整秒時刻發(fā)出對時脈沖，卡件3’通過軟件對時處理對時鐘修正采取誤差直接消除(直接對時)方式，這樣很難達到微秒級以內(nèi)的同步精度?；蛘卟捎脤I(yè)芯片，而分布式控制系統(tǒng)的分散配置需求決定了卡件數(shù)量較多，這樣會造成成本提高。此外時鐘的時間單向性是保證分布式控制系統(tǒng)信息記錄順序準確可靠的基礎(chǔ)，為此需要合適的修正算法代替直接對時修正方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)內(nèi)多個卡件的時鐘高精度同步的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，該分布式控制系統(tǒng)包括分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連的帶主時鐘的主時鐘模塊以及一端與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連，另一端與主時鐘模塊相連的并列排列的若干卡件，所述方法包括以下步驟，1)卡件設(shè)有的本地時鐘初始實時時間通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以通訊方式從主時鐘獲?。换每O(shè)有微處理器，該微處理器包括輸入捕獲模塊用來捕獲主時鐘的對時脈沖信號，記錄本地時鐘記數(shù)值，得到精確的時鐘誤差；3)使用動態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時鐘頻率，使本地時鐘精確跟蹤主時鐘。進一步地，所述微處理器還包括一輸出比較模塊，當主時鐘故障時，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對時脈沖，保持各卡件的本地時鐘同步。進一步地，輸入捕獲模塊和輸出比較模塊的最大誤差均可控制在一個微處理器主頻時鐘脈沖周期之內(nèi)。進一步地，所述各卡件按照時間優(yōu)先原則競爭代理權(quán)，整秒時刻最先到達的卡件優(yōu)先獲得代理權(quán)，產(chǎn)生代理輸出對時脈沖并屏蔽其它卡件產(chǎn)生代理。
進一步地，所述代理輸出對時脈沖的脈寬小于主時鐘的對時脈沖的脈寬。進一步地，所述主時鐘的對時脈沖恢復(fù)，代理輸出對時脈沖退出。進一步地，所述卡件內(nèi)帶有一個雙向輸入\輸出電路，與主時鐘的對時脈沖連接。進一步地，所述雙向輸入\輸出電路是弱上拉集電極開路驅(qū)動輸出，允許同時多個輸出驅(qū)動對時脈沖，構(gòu)成線與關(guān)系。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是通過動態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時鐘速率，使本地時鐘精確跟蹤主時鐘，并可以同時保證時鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時間順序的無差錯獲取。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)分布式控制系統(tǒng)時鐘原理示意圖；圖2為本發(fā)明的分布式控制系統(tǒng)時鐘原理示意圖；圖3為圖2中雙向輸入\輸出電路原理示意圖；圖4為動態(tài)平滑修正的算法控制框圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步控制方法進行詳細的描述。如圖2所示，本發(fā)明分布式控制系統(tǒng)IOO(DCS)包括分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1、與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1相連的主時鐘模塊2、以及一端與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1相連，另一端與主時鐘模塊2相連的并列排列的若干卡件3?？?內(nèi)設(shè)有微處理器(未圖示)，該微處理器包括輸入捕獲模塊和輸出比較模塊，前者可用于精確捕獲脈沖沿的發(fā)生時刻，后者可以精確實現(xiàn)在指定時刻輸出脈沖。兩者的最大誤差均可控制在一個微處理器主頻時鐘脈沖周期之內(nèi)。主時鐘模塊2包括主時鐘，每個卡件3包括與主時鐘同步的本地時鐘。每個卡件3 的本地時鐘由秒整數(shù)計數(shù)器Ts和秒小數(shù)計數(shù)器Tf構(gòu)成，Ts每秒加l，Tf以卡件中的微處理器主頻fM作為脈沖源，每計滿1秒清零1次，在不考慮fM誤差時，Tf計數(shù)器每計滿Nf = fM 時清零，Nf稱為清零預(yù)值。卡件3首先通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)1從主時鐘獲取初始實時時鐘報文，并加以適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)延時等補償后賦值給本地時鐘開始運行。由于同步精度主要由后續(xù)步驟的對時脈沖保證，這里可以簡單的用網(wǎng)絡(luò)通訊周期作為網(wǎng)絡(luò)延時補償；也可通過向主時鐘發(fā)送請求幀開始，到接收到應(yīng)答幀為止的本地時鐘間隔的一半作為網(wǎng)絡(luò)延時補償。由此可以得到報文時鐘誤差，當報文時鐘誤差較大時(>=士0.5s，這種情況通常只會在時鐘初次同步時發(fā)生)，將采取直接對時的方法修正本地時鐘，同時系統(tǒng)給出時鐘修正記錄提示本地時間存在跳變。當本地時鐘與主時鐘之間的報文時鐘誤差較小時(< 士0.5s， 正常狀態(tài)下)，不根據(jù)報文時鐘誤差修正本地時鐘。如圖3所示，主時鐘每個整秒時刻發(fā)送一個對時脈沖，其脈沖寬度定義為TB，脈沖形式為弱上拉集電極開路驅(qū)動輸出(OC)，其下降沿對應(yīng)整秒時刻?？?內(nèi)帶有一個雙向輸入\輸出(I/O)電路，該雙向輸入\輸出電路與輸出比較模塊及輸入捕獲模塊相連?？?的雙向輸入\輸出電路是弱上拉集電極開路驅(qū)動輸出(OC)，所以允許同時多個輸出驅(qū)動對時脈沖，構(gòu)成線與關(guān)系。其中，雙向輸入\輸出電路與對時脈沖連接，正常情況下輸出
4比較模塊不工作，其輸出為低電平，輸出三極管Ql截止，不影響對時脈沖的電平。對時脈沖經(jīng)電平變換回路(三極管收)反向后送微處理器的輸入捕獲模塊。輸入捕獲模塊的脈沖計數(shù)器與秒小數(shù)計數(shù)器Tf共用同一個微處理器計數(shù)器，當輸入捕獲模塊的邊沿檢測電路檢測到對時脈沖上升沿(因Q2的反向作用使下降沿變換為上升沿)，立刻記錄當前的Tf計數(shù)值隊。因為整秒時刻應(yīng)該對應(yīng)計數(shù)值為0，因此可以得到i 秒時刻本地時鐘與主時鐘的誤差(以Tf計數(shù)器的脈沖數(shù)為單位)為ΔΝ( ) = O-N0 (i) = -N0 (i) N。(i) < Nf (i_l)/2 時或Δ N (i) = Nf (i-1) -N0 (i) N0 (i) >= Nf (i_l) /2 時誤差修正是通過一個帶速度型PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制算法實現(xiàn)的，即一種動態(tài)閉環(huán)控制算法，其控制對象為本地時鐘，控制對象模型為一階積分環(huán)節(jié)，如圖4所示。該算法的目的是實現(xiàn)一種動態(tài)平滑修正算法保證本地時鐘單向穩(wěn)定運行，防止出現(xiàn)時鐘跳變。其工作原理是誤差A(yù)N(i)經(jīng)過速度型PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)計算后，輸出需要修正的脈沖數(shù)ANf (i)， 然后用ANf(i)來修正第i秒的清零預(yù)值Nf (i)，即修正后Nf⑴=fM_ANf(i)，表示第i秒包含的Nf⑴個計數(shù)值。較小的Nf⑴對應(yīng)較短的秒間隔，反之較大的Nf (i)對應(yīng)較長的秒間隔，相當于調(diào)節(jié)了本地時鐘的快慢，實現(xiàn)時鐘修正。讀取時鐘時，首先讀取Tf計數(shù)器當前值隊(i)，則秒小數(shù)部分可按后式換算得到隊(i)/Nf(i)。通過動態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時鐘速率，使本地時鐘精確跟蹤主時鐘，并可以同時保證時鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時間順序的無差錯獲取?？?的微處理器還配置有一個對時脈沖超時計數(shù)器，當對時脈沖超時計數(shù)器溢出時，表示對時脈沖丟失，此時卡件3將啟動輸出比較模塊在本地時鐘整秒時刻代理主時鐘輸出對時脈沖，繼續(xù)維持各卡件3的時鐘同步。各卡件3是按照時間優(yōu)先原則競爭代理權(quán)的，即整秒時刻最先到達的卡件3優(yōu)先獲得代理權(quán)，并通過對時脈沖屏蔽其他卡件3產(chǎn)生代理。此時時鐘調(diào)節(jié)器停止工作并輸出ANf (i)保持不變，即保持最后一次的清零預(yù)值 Nf(i) =fM-ANf(i)不變，以該卡件3的本地時鐘代替主時鐘。設(shè)定輸出比較模塊，使之在 Tf計數(shù)器清零時刻輸出高電平，驅(qū)動三極管Ql飽和導(dǎo)通，變換電平并反向，產(chǎn)生代理對時脈沖的下降沿。然后再設(shè)定輸出比較模塊，使保持規(guī)定的脈沖寬度延時后(可以規(guī)定為Tb/2) 輸出低電平，三極管Ql截止，完成一次對時脈沖代理輸出。在代理輸出對時脈沖(即輸出比較模塊輸出高電平)期間，禁止輸入捕獲模塊，輸出比較模塊輸出低電平時，使能輸入捕獲模塊。任何時候輸入捕獲模塊捕獲到對時脈沖，都使超時計數(shù)器清零，因此Tf計數(shù)器清零時刻稍早的卡件3將優(yōu)先獲取對時脈沖代理權(quán)，Tf計數(shù)器清零時刻稍后的卡件3由于超時計數(shù)器被清零而禁止產(chǎn)生代理。如果在對時脈沖代理期間，主時鐘的對時脈沖恢復(fù)正常， 因為規(guī)定主時鐘的脈沖寬度大于代理的脈沖寬度，如果代理輸出對時脈沖結(jié)束后檢測輸入捕獲模塊的輸入仍為高電平，即可判斷存在主時鐘或其他卡件3對時脈沖輸出，清零超時計數(shù)器禁止本卡件3代理。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外，應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
權(quán)利要求
1.一種分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法，該分布式控制系統(tǒng)包括分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連的帶主時鐘的主時鐘模塊以及一端與分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連，另一端與主時鐘模塊相連的并列排列的若干卡件，其特征在于所述方法包括以下步驟，1)所述卡件設(shè)有的本地時鐘初始實時時間通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以通訊方式從主時鐘獲??；2)所述卡件設(shè)有微處理器，該微處理器包括輸入捕獲模塊用來捕獲主時鐘的對時脈沖信號，記錄本地時鐘記數(shù)值，得到精確的時鐘誤差；3)使用動態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時鐘頻率，使本地時鐘精確跟蹤主時鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，其特征在于所述微處理器還包括一輸出比較模塊，當主時鐘故障時，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對時脈沖，保持各卡件的本地時鐘同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，其特征在于輸入捕獲模塊和輸出比較模塊的最大誤差均可控制在一個微處理器主頻時鐘脈沖周期之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，其特征在于所述各卡件按照時間優(yōu)先原則競爭代理權(quán)，整秒時刻最先到達的卡件優(yōu)先獲得代理權(quán)，產(chǎn)生代理輸出對時脈沖并屏蔽其它卡件產(chǎn)生代理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，其特征在于所述代理輸出對時脈沖的脈寬小于主時鐘的對時脈沖的脈寬。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分布式控制系統(tǒng)的時鐘同步方法，其特征在于所述主時鐘的對時脈沖恢復(fù)，代理輸出對時脈沖退出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法，其特征在于所述卡件內(nèi)帶有一個雙向輸入\輸出電路，與主時鐘的對時脈沖連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法，其特征在于雙向輸入\輸出電路是弱上拉集電極開路驅(qū)動輸出，允許同時多個輸出驅(qū)動對時脈沖，構(gòu)成線與關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分布式控制系統(tǒng)時鐘的高精度同步方法，包括以下步驟卡件首先以簡單通訊方式通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從主時鐘設(shè)備獲取相對低精度(由于網(wǎng)絡(luò)延時和處理的離散性影響)的初始實時時間，此后時鐘同步利用卡件內(nèi)微處理器的輸入捕獲模塊捕獲主時鐘高精度的整秒時刻周期產(chǎn)生的對時脈沖前沿時刻對應(yīng)的本地時鐘計數(shù)值，得到精確的時鐘誤差，再通過一種動態(tài)平滑修正的算法調(diào)節(jié)本地時鐘速率，使本地時鐘精確跟蹤主時鐘，并可以同時保證時鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時間順序的無差錯獲取?？?nèi)微處理器還包括一輸出比較模塊，當主時鐘故障時，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對時脈沖，繼續(xù)保持各卡件的本地時鐘的高精度同步。
文檔編號G05B19/418GK102411344SQ20111017441
公開日2012年4月11日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者張玉蘭, 陳智, 馬立杰 申請人:北京日立控制系統(tǒng)有限公司