本發(fā)明涉及一種基于時間觸發(fā)的系統(tǒng)級任務(wù)同步方法，屬于航天器或工業(yè)控制中分布式系統(tǒng)任務(wù)強(qiáng)實(shí)時同步領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

根據(jù)國家探月工程三期的總體規(guī)劃，我國要自主研發(fā)可以完成繞、落、回的探月飛行器嫦娥五號。在完成探月任務(wù)的過程中，由于嫦娥五號飛行器由多個完成不同功能的子飛行器構(gòu)成，相互之間存在較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交互、時統(tǒng)和任務(wù)并行執(zhí)行需求。

傳統(tǒng)的航天器系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換大多通過點(diǎn)對點(diǎn)串行通道或1553B總線完成，系統(tǒng)中的各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間大多不存在任務(wù)通過關(guān)系，若需要對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行同步，則大多通過從核心控制器發(fā)送硬件同步脈沖信號的方式將所有設(shè)備進(jìn)行時統(tǒng)。這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模式通常被稱為集中式任務(wù)同步調(diào)度，但隨著航天器功能越來越復(fù)雜，有交互的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)的集中式任務(wù)調(diào)度存在的系統(tǒng)資源開銷大、容錯能力低、可靠性低的特點(diǎn)就越來越多的體現(xiàn)出來。綜合考慮，應(yīng)解決以下問題：

1.有限數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)/總線資源下，大系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)任務(wù)同步需求；

2.系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)故障，不影響系統(tǒng)任務(wù)同步狀態(tài)；

3.系統(tǒng)應(yīng)支持任意時刻加入或退出節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

因此，基于分布式的時間觸發(fā)系統(tǒng)任務(wù)同步和調(diào)度機(jī)制被提出，用來解決基于有限資源和高可靠性要求的關(guān)鍵安全系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，在大型分布式系統(tǒng)中保證系統(tǒng)級任務(wù)同步性，傳統(tǒng)的基于時間同步的系統(tǒng)級任務(wù)調(diào)度大多依賴于硬件同步信號，而硬件同步信號大多是由系統(tǒng)中的核心設(shè)備通過集中發(fā)送方法傳送給各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，這樣做既增加了系統(tǒng)的重量和功耗(需要額外的電纜和發(fā)射器)，而且系統(tǒng)中的核心設(shè)備如果損壞則全系統(tǒng)陷入無法同步的故障狀態(tài)，其系統(tǒng)級可靠度較低。使用本發(fā)明可以將系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)通過通用數(shù)據(jù)總線連接，并在數(shù)據(jù)總線上通過安裝軟件算法達(dá)到系統(tǒng)級任務(wù)同步功能，且該同步功能不依賴于任何一個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，只要系統(tǒng)中任然存在3個以上的節(jié)點(diǎn)，就可以正常完成同步任務(wù)并保證系統(tǒng)繼續(xù)工作。

本發(fā)明的解決的技術(shù)方案是：基于時間觸發(fā)的分布式系統(tǒng)級任務(wù)同步方法，步驟如下：

(1)對系統(tǒng)中的設(shè)備正常上電，并完成設(shè)備上電初始化過程，設(shè)備進(jìn)入正常運(yùn)行模式；

(2)系統(tǒng)中每個設(shè)備都周期性使用本機(jī)的本地時鐘作為觸發(fā)分布式系統(tǒng)級任務(wù)的唯一標(biāo)志，

(3)在系統(tǒng)中設(shè)定的時間點(diǎn)T0，每個設(shè)備都向數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送任務(wù)同步消息式中n代表系統(tǒng)中的設(shè)備號或代碼或標(biāo)稱值，n為1～N或Ex或Default，Ex為交換機(jī)的代碼，即Ex表示交換機(jī)，Default代表標(biāo)稱值，每個設(shè)備發(fā)送任務(wù)同步消息的時刻為本設(shè)備本地時鐘此時的真實(shí)時間為即每個設(shè)備發(fā)送任務(wù)同步消息的真實(shí)時間為

(4)當(dāng)所有設(shè)備都按照本機(jī)本地時鐘發(fā)送同步消息后，每條消息將經(jīng)過不同的路徑和時間到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)，設(shè)每條消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的絕對時間為然后通過在鏈路上的延遲和鏈路長度，統(tǒng)計(jì)獲得每條消息相對于發(fā)送起始時刻的傳輸時間增量

(5)在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有任務(wù)同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的標(biāo)稱增量時間則任務(wù)同步消息將根據(jù)當(dāng)前的傳輸時間增量再等待時間再最終到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)，最終到達(dá)時間為且

(6)數(shù)據(jù)交換機(jī)不記錄真實(shí)時間只記錄每個同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的相對時間，即最終到達(dá)時間當(dāng)所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)后，計(jì)算出所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的最終到達(dá)時間的中位時間

(7)數(shù)據(jù)交換機(jī)在中位時間的基礎(chǔ)上，等待系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)稱等待時間后到達(dá)系統(tǒng)真實(shí)時間并在系統(tǒng)真實(shí)時間將同步回應(yīng)消息發(fā)送給所有系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其中

(8)當(dāng)數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送所有回應(yīng)消息給系統(tǒng)各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)后，每條回應(yīng)消息將經(jīng)過不同的路徑和時間到達(dá)各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，設(shè)每條回應(yīng)消息到達(dá)對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的絕對時間為然后通過在鏈路上的延遲和鏈路長度，統(tǒng)計(jì)獲得每條回應(yīng)消息相對于發(fā)送起始時刻的傳輸時間增量

(9)在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有任務(wù)回應(yīng)消息到達(dá)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱增量時間則任務(wù)回應(yīng)消息將根據(jù)當(dāng)前的傳輸時間增量再等待時間再最終到達(dá)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)時間為且

(10)系統(tǒng)中每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)在發(fā)送同步消息時，都會設(shè)定一個預(yù)期接收到同步回應(yīng)消息的時間其中

(11)計(jì)算系統(tǒng)中各設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)際收到同步回應(yīng)消息的時間與預(yù)期時間做差，得到的結(jié)果就是該設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時鐘的修正增量即

(12)修正本地時鐘，使得本地新時鐘修正為并在之后的系統(tǒng)級任務(wù)調(diào)度時使用經(jīng)過修正的新時鐘觸發(fā)分布式系統(tǒng)級任務(wù)。

所述分布式系統(tǒng)級任務(wù)為均周期性運(yùn)行的任務(wù)，如設(shè)備的周期性采樣任務(wù)或周期性導(dǎo)航制導(dǎo)控制任務(wù)，均周期性運(yùn)行。

所述T0為任務(wù)運(yùn)行周期的起始時間。

計(jì)算所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的最終到達(dá)時間的中位時間方法如下：當(dāng)同步消息條數(shù)為奇數(shù)時，為所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的時間的最中間時間。

當(dāng)同步消息條數(shù)為偶數(shù)時，為所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的時間的最中間2個時間的平均值。

所述步驟(12)后，利用修正本地時鐘，在本次分布式系統(tǒng)級任務(wù)之后的分布式系統(tǒng)級任務(wù)調(diào)度時使用步驟(12)經(jīng)過修正的新時鐘觸發(fā)分布式系統(tǒng)級任務(wù)。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明架構(gòu)上使用基于分布式的信息傳遞方法，系統(tǒng)工作狀態(tài)不依賴與任何一個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)的成敗，使得系統(tǒng)工作的可靠性大幅提升；

(2)本發(fā)明物理上同步方法使用數(shù)據(jù)傳輸通道，不增加系統(tǒng)額外的電纜和芯片的重量功耗開銷，降低了系統(tǒng)的資源使用量；

(3)本發(fā)明擴(kuò)展性上，即支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線型系統(tǒng)，也支持基于如以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)級任務(wù)同步工作流程；

圖2為本發(fā)明的設(shè)備上電初始化工作流程；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)連接拓?fù)鋱D-數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)形式；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)連接拓?fù)鋱D-數(shù)據(jù)總線形式。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基本思路為：基于時間觸發(fā)的分布式系統(tǒng)級任務(wù)同步方法，首先建立基于時間觸發(fā)信息網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)模型，并將需要進(jìn)行任務(wù)同步的設(shè)備節(jié)點(diǎn)都連接在該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上；之后根據(jù)周期性系統(tǒng)級同步任務(wù)執(zhí)行的周期對所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性任務(wù)同步。同步的方法主要依靠設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)交換機(jī)之間的協(xié)議消息轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系和傳輸時間測量能力，數(shù)據(jù)交換機(jī)通過對系統(tǒng)中每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步消息進(jìn)行時間統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)中位數(shù)算法得到所有同步消息的中位到達(dá)時間，之后通過在中位時間的基礎(chǔ)上發(fā)送回應(yīng)消息，各設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過接收回應(yīng)消息的實(shí)際時間和預(yù)期時間進(jìn)行做差，得到的時間差即是設(shè)備節(jié)點(diǎn)本地時鐘需要修正的時間量。在經(jīng)過修正的新時鐘基礎(chǔ)上，設(shè)備節(jié)點(diǎn)將開始當(dāng)前周期的系統(tǒng)級同步任務(wù)執(zhí)行操作。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，在系統(tǒng)(如航天器的控制分系統(tǒng)或航電分系統(tǒng))建立時，選擇如圖3或圖4所示的信息拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示，在系統(tǒng)中存在2種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是“設(shè)備”節(jié)點(diǎn)和“網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(也稱為同步交換機(jī))”節(jié)點(diǎn)。其中“設(shè)備”節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中工作的各種設(shè)備，如控制計(jì)算機(jī)、測量敏感器計(jì)算線路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制終端和各種信號接口控制器；“網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(同步交換機(jī))”節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)狀態(tài)下(如以太網(wǎng)結(jié)構(gòu))，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換機(jī)，且該網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)應(yīng)安裝本發(fā)明的軟件控制算法，以獲得系統(tǒng)級任務(wù)同步功能；如果是總線結(jié)構(gòu)(如1553B總線結(jié)構(gòu))則應(yīng)新增網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，并使該節(jié)點(diǎn)專門用于系統(tǒng)級任務(wù)同步任務(wù)。

在完成系統(tǒng)構(gòu)建后，進(jìn)行系統(tǒng)工作時序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)都按照統(tǒng)一的任務(wù)周期執(zhí)行自身任務(wù)，因此系統(tǒng)中的任務(wù)同步需求可以轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)任務(wù)的周期和相位同步需求。

在完成系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的任務(wù)時序設(shè)計(jì)后，將系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電。系統(tǒng)并沒有上電時序要求，但在上電時，設(shè)備應(yīng)遵循如圖2所示的上電工作流程，以保證系統(tǒng)內(nèi)首個上電節(jié)點(diǎn)能夠啟動系統(tǒng)任務(wù)時序，后上電的節(jié)點(diǎn)可以加入并跟隨該任務(wù)時序。設(shè)備上電初始化過程主要包含以下幾個步驟：

(1)狀態(tài)機(jī)S0，上電后或故障/沖突復(fù)位后進(jìn)入，等待硬件完成上電自檢和軟件加載工作，完成后自動轉(zhuǎn)入S1；

(2)狀態(tài)機(jī)S1，由S0狀態(tài)進(jìn)入，啟動任務(wù)同步初始化流程，檢測系統(tǒng)中是否有已經(jīng)正常運(yùn)行的設(shè)備節(jié)點(diǎn)或設(shè)備節(jié)點(diǎn)組合，如果有已經(jīng)啟動正常運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)入S3，如果沒有，則轉(zhuǎn)入S2；

(3)狀態(tài)機(jī)S2，由S1在沒發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)時進(jìn)入，進(jìn)入冷啟動模式，并向系統(tǒng)中發(fā)送冷啟動數(shù)據(jù)幀，等待系統(tǒng)回應(yīng)；若此時存在其它發(fā)送冷啟動幀已經(jīng)正常運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入S0模式重新初始化，若沒有其它節(jié)點(diǎn)沖突，則以自身時鐘為準(zhǔn)，進(jìn)入S4正常運(yùn)行狀態(tài)；

(4)狀態(tài)機(jī)S3，由S1在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有其它已正常運(yùn)行節(jié)點(diǎn)時進(jìn)入，此時觀察系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，并主動與其進(jìn)行同步，完成同步后進(jìn)入S4正常運(yùn)行狀態(tài)；

(5)狀態(tài)機(jī)S4，由S1或S2狀態(tài)在完成同步后進(jìn)入，系統(tǒng)周期性任務(wù)同步運(yùn)行狀態(tài)；若此時發(fā)生同步丟失情況，則進(jìn)入容錯模式并退回S0，重新進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)同步過程。

當(dāng)系統(tǒng)完成上電后，所有節(jié)點(diǎn)都按照預(yù)先設(shè)定好的任務(wù)時序進(jìn)行工作，并在每個任務(wù)周期的起始進(jìn)行任務(wù)同步，任務(wù)同步的過程參照圖1所示，具體按以下流程進(jìn)行：

(1)系統(tǒng)中所有設(shè)備都已完成上電和初始化過程；例如，當(dāng)前系統(tǒng)中有5個設(shè)備節(jié)點(diǎn)和1個數(shù)據(jù)交換機(jī)，5個節(jié)點(diǎn)分別是GNC控制器1個、太陽敏感器2個和星敏感器2個；

(2)系統(tǒng)中每個設(shè)備都周期性使用本機(jī)的本地時鐘作為觸發(fā)分布式系統(tǒng)級任務(wù)的唯一標(biāo)志；以GNC控制器為例，若系統(tǒng)級同步任務(wù)周期為200ms，則GNC控制器會在本地時鐘到達(dá)200ms、400ms、600ms……時啟動任務(wù)；

(3)在系統(tǒng)中設(shè)定的時間點(diǎn)T0，每個設(shè)備都向數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送任務(wù)同步消息式中n代表系統(tǒng)中的設(shè)備號或代碼或標(biāo)稱值，n為1ˉN或Ex或Default，Ex為交換機(jī)的代碼，即Ex表示交換機(jī)，Default代表標(biāo)稱值，每個設(shè)備發(fā)送任務(wù)同步消息的時刻為本設(shè)備本地時鐘此時的真實(shí)時間為即每個設(shè)備發(fā)送任務(wù)同步消息的真實(shí)時間為以GNC控制器為例，設(shè)定T0為每次同步任務(wù)啟動前的10ms，則同步任務(wù)會在本地時鐘的190ms、390ms、590ms啟動；

(4)當(dāng)所有設(shè)備都按照本機(jī)本地時鐘發(fā)送同步消息后，每條消息將經(jīng)過不同的路徑和時間到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)，設(shè)每條消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的絕對時間為然后通過在鏈路上的延遲和鏈路長度，統(tǒng)計(jì)獲得每條消息相對于發(fā)送起始時刻的傳輸時間增量

(5)在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有任務(wù)同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的標(biāo)稱增量時間則任務(wù)同步消息將根據(jù)當(dāng)前的傳輸時間增量再等待時間再最終到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)，最終到達(dá)時間為且例如，將傳輸時間增量設(shè)置為2200us，若消息在190ms時發(fā)送，則消息最終到達(dá)時間為190ms+2200us＝192.2ms；

(6)數(shù)據(jù)交換機(jī)不記錄真實(shí)時間只記錄每個同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的相對時間，即最終到達(dá)時間當(dāng)所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)后，計(jì)算出所有同步消息到達(dá)數(shù)據(jù)交換機(jī)的最終到達(dá)時間的中位時間如GNC控制器同步消息到達(dá)交換機(jī)時間為相對0時刻，太陽敏感器到達(dá)的相對時間為+0.03ms\+0.01ms，星敏感器到達(dá)的相對時間為-0.02ms\+0.05ms,則進(jìn)行排序后，相對中位時間為+0.01ms；

(7)數(shù)據(jù)交換機(jī)在中位時間的基礎(chǔ)上，等待系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)稱等待時間后到達(dá)系統(tǒng)真實(shí)時間并在系統(tǒng)真實(shí)時間將同步回應(yīng)消息發(fā)送給所有系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其中若設(shè)定標(biāo)稱等待時間為1ms，則數(shù)據(jù)交換機(jī)將在將相對0時刻過后的+0.01ms+1ms后發(fā)送回應(yīng)消息；

(8)當(dāng)數(shù)據(jù)交換機(jī)發(fā)送所有回應(yīng)消息給系統(tǒng)各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)后，每條回應(yīng)消息將經(jīng)過不同的路徑和時間到達(dá)各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)，設(shè)每條回應(yīng)消息到達(dá)對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的絕對時間為然后通過在鏈路上的延遲和鏈路長度，統(tǒng)計(jì)獲得每條回應(yīng)消息相對于發(fā)送起始時刻的傳輸時間增量

(9)在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有任務(wù)回應(yīng)消息到達(dá)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱增量時間則任務(wù)回應(yīng)消息將根據(jù)當(dāng)前的傳輸時間增量再等待時間再最終到達(dá)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)時間為且

(10)系統(tǒng)中每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)在發(fā)送同步消息時，都會設(shè)定一個預(yù)期接收到同步回應(yīng)消息的時間其中在這里，所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)收到回應(yīng)消息的真實(shí)時間完全相同，但相對于該設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時間不同，如GNC控制器在本地時鐘的195.41ms收到；

(11)計(jì)算系統(tǒng)中各設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)際收到同步回應(yīng)消息的時間與預(yù)期時間做差，得到的結(jié)果就是該設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時鐘的修正增量即GNC控制器收到回應(yīng)消息的預(yù)期時間為190ms+2200us+1ms+2200us＝195.44ms，與實(shí)際收到的本地時間做差得到0.01ms，因此GNC控制器的時鐘應(yīng)增量調(diào)整0.01ms；

(12)修正本地時鐘，使得本地新時鐘修正為并在之后的系統(tǒng)級任務(wù)調(diào)度時使用經(jīng)過修正的新時鐘觸發(fā)分布式系統(tǒng)級任務(wù)。

如前所述，本發(fā)明中的系統(tǒng)級任務(wù)同步方法，是在已有的數(shù)據(jù)總線/數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過安裝軟件算法獲得微秒級系統(tǒng)任務(wù)同步效果，在航天器航電、控制等高可靠性高實(shí)時性要求的系統(tǒng)中具有很大應(yīng)用價值，為航天器分布式系統(tǒng)提供了在有限資源下獲得更好系統(tǒng)任務(wù)同步的技術(shù)途徑。

本方法相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)任務(wù)同步方法，在系統(tǒng)資源消耗方面，降低了10％的硬件功耗和重量；在同步精度方面，比不使用集中式硬件信號的方法提高了1個數(shù)量級，達(dá)到10us量級；在軟件復(fù)雜度方面，減少了大量中斷觸發(fā)程序，簡化了程序功能實(shí)施。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。