專利名稱：分布式控制系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘的高精度同步方法，尤其涉及一種通過動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)多個(gè)卡件的時(shí)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(shí)，也對(duì)各卡件之間的信息同步提出了更高要求，時(shí)鐘同步則是滿足信息同步的基礎(chǔ)。以時(shí)間順序?yàn)橹饕卣鞯男畔⒂涗浭枪I(yè)過程控制運(yùn)行中操作、統(tǒng)計(jì)、分析和故障處理的重要依據(jù)，高精度時(shí)鐘為信息記錄的準(zhǔn)確性提高了重要保證。但是， 時(shí)鐘自身的時(shí)鐘源頻率的精度、穩(wěn)定度會(huì)使時(shí)鐘產(chǎn)生誤差，分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊延時(shí)、 軟件處理延時(shí)、以及這些延時(shí)的不確定性會(huì)對(duì)時(shí)鐘同步的精度產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有一般的時(shí)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(shí)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(shí)鐘模塊相連的并列排列的若干卡件3’。主時(shí)鐘模塊中的主時(shí)鐘會(huì)在整秒時(shí)刻發(fā)出對(duì)時(shí)脈沖，卡件3’通過軟件對(duì)時(shí)處理對(duì)時(shí)鐘修正采取誤差直接消除(直接對(duì)時(shí))方式，這樣很難達(dá)到微秒級(jí)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(huì)造成成本提高。此外時(shí)鐘的時(shí)間單向性是保證分布式控制系統(tǒng)信息記錄順序準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)，為此需要合適的修正算法代替直接對(duì)時(shí)修正方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)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(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)卡件的時(shí)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(shí)現(xiàn)的一種分布式控制系統(tǒng)的時(shí)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(shí)鐘的主時(shí)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(shí)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(shí)鐘初始實(shí)時(shí)時(shí)間通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以通訊方式從主時(shí)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(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)，記錄本地時(shí)鐘記數(shù)值，得到精確的時(shí)鐘誤差；3)使用動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘頻率，使本地時(shí)鐘精確跟蹤主時(shí)鐘。進(jìn)一步地，所述微處理器還包括一輸出比較模塊，當(dāng)主時(shí)鐘故障時(shí)，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對(duì)時(shí)脈沖，保持各卡件的本地時(shí)鐘同步。進(jìn)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(gè)微處理器主頻時(shí)鐘脈沖周期之內(nèi)。進(jìn)一步地，所述各卡件按照時(shí)間優(yōu)先原則競(jìng)爭(zhēng)代理權(quán)，整秒時(shí)刻最先到達(dá)的卡件優(yōu)先獲得代理權(quán)，產(chǎn)生代理輸出對(duì)時(shí)脈沖并屏蔽其它卡件產(chǎn)生代理。
進(jìn)一步地，所述代理輸出對(duì)時(shí)脈沖的脈寬小于主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖的脈寬。進(jìn)一步地，所述主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖恢復(fù)，代理輸出對(duì)時(shí)脈沖退出。進(jìn)一步地，所述卡件內(nèi)帶有一個(gè)雙向輸入\輸出電路，與主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖連接。進(jìn)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(dòng)輸出，允許同時(shí)多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)時(shí)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(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘速率，使本地時(shí)鐘精確跟蹤主時(shí)鐘，并可以同時(shí)保證時(shí)鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時(shí)間順序的無差錯(cuò)獲取。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)分布式控制系統(tǒng)時(shí)鐘原理示意圖；圖2為本發(fā)明的分布式控制系統(tǒng)時(shí)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(dòng)態(tài)平滑修正的算法控制框圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明分布式控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步控制方法進(jìn)行詳細(xì)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(shí)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(shí)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(shí)刻，后者可以精確實(shí)現(xiàn)在指定時(shí)刻輸出脈沖。兩者的最大誤差均可控制在一個(gè)微處理器主頻時(shí)鐘脈沖周期之內(nèi)。主時(shí)鐘模塊2包括主時(shí)鐘，每個(gè)卡件3包括與主時(shí)鐘同步的本地時(shí)鐘。每個(gè)卡件3 的本地時(shí)鐘由秒整數(shù)計(jì)數(shù)器Ts和秒小數(shù)計(jì)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(jì)滿1秒清零1次，在不考慮fM誤差時(shí)，Tf計(jì)數(shù)器每計(jì)滿Nf = fM 時(shí)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(shí)鐘獲取初始實(shí)時(shí)時(shí)鐘報(bào)文，并加以適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)延時(shí)等補(bǔ)償后賦值給本地時(shí)鐘開始運(yùn)行。由于同步精度主要由后續(xù)步驟的對(duì)時(shí)脈沖保證，這里可以簡(jiǎn)單的用網(wǎng)絡(luò)通訊周期作為網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償；也可通過向主時(shí)鐘發(fā)送請(qǐng)求幀開始，到接收到應(yīng)答幀為止的本地時(shí)鐘間隔的一半作為網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償。由此可以得到報(bào)文時(shí)鐘誤差，當(dāng)報(bào)文時(shí)鐘誤差較大時(shí)(>=士0.5s，這種情況通常只會(huì)在時(shí)鐘初次同步時(shí)發(fā)生)，將采取直接對(duì)時(shí)的方法修正本地時(shí)鐘，同時(shí)系統(tǒng)給出時(shí)鐘修正記錄提示本地時(shí)間存在跳變。當(dāng)本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的報(bào)文時(shí)鐘誤差較小時(shí)(< 士0.5s， 正常狀態(tài)下)，不根據(jù)報(bào)文時(shí)鐘誤差修正本地時(shí)鐘。如圖3所示，主時(shí)鐘每個(gè)整秒時(shí)刻發(fā)送一個(gè)對(duì)時(shí)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(dòng)輸出(OC)，其下降沿對(duì)應(yīng)整秒時(shí)刻。卡件3內(nèi)帶有一個(gè)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。卡件3的雙向輸入\輸出電路是弱上拉集電極開路驅(qū)動(dòng)輸出(OC)，所以允許同時(shí)多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)時(shí)脈沖，構(gòu)成線與關(guān)系。其中，雙向輸入\輸出電路與對(duì)時(shí)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(duì)時(shí)脈沖的電平。對(duì)時(shí)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(jì)數(shù)器與秒小數(shù)計(jì)數(shù)器Tf共用同一個(gè)微處理器計(jì)數(shù)器，當(dāng)輸入捕獲模塊的邊沿檢測(cè)電路檢測(cè)到對(duì)時(shí)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(dāng)前的Tf計(jì)數(shù)值隊(duì)。因?yàn)檎霑r(shí)刻應(yīng)該對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值為0，因此可以得到i 秒時(shí)刻本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的誤差(以Tf計(jì)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(shí)或Δ N (i) = Nf (i-1) -N0 (i) N0 (i) >= Nf (i_l) /2 時(shí)誤差修正是通過一個(gè)帶速度型PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)的，即一種動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制算法，其控制對(duì)象為本地時(shí)鐘，控制對(duì)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(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)平滑修正算法保證本地時(shí)鐘單向穩(wěn)定運(yùn)行，防止出現(xiàn)時(shí)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(jì)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(gè)計(jì)數(shù)值。較小的Nf⑴對(duì)應(yīng)較短的秒間隔，反之較大的Nf (i)對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)的秒間隔，相當(dāng)于調(diào)節(jié)了本地時(shí)鐘的快慢，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘修正。讀取時(shí)鐘時(shí)，首先讀取Tf計(jì)數(shù)器當(dāng)前值隊(duì)(i)，則秒小數(shù)部分可按后式換算得到隊(duì)(i)/Nf(i)。通過動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘速率，使本地時(shí)鐘精確跟蹤主時(shí)鐘，并可以同時(shí)保證時(shí)鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時(shí)間順序的無差錯(cuò)獲取?？?的微處理器還配置有一個(gè)對(duì)時(shí)脈沖超時(shí)計(jì)數(shù)器，當(dāng)對(duì)時(shí)脈沖超時(shí)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，表示對(duì)時(shí)脈沖丟失，此時(shí)卡件3將啟動(dòng)輸出比較模塊在本地時(shí)鐘整秒時(shí)刻代理主時(shí)鐘輸出對(duì)時(shí)脈沖，繼續(xù)維持各卡件3的時(shí)鐘同步。各卡件3是按照時(shí)間優(yōu)先原則競(jìng)爭(zhēng)代理權(quán)的，即整秒時(shí)刻最先到達(dá)的卡件3優(yōu)先獲得代理權(quán)，并通過對(duì)時(shí)脈沖屏蔽其他卡件3產(chǎn)生代理。此時(shí)時(shí)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(shí)鐘代替主時(shí)鐘。設(shè)定輸出比較模塊，使之在 Tf計(jì)數(shù)器清零時(shí)刻輸出高電平，驅(qū)動(dòng)三極管Ql飽和導(dǎo)通，變換電平并反向，產(chǎn)生代理對(duì)時(shí)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(shí)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(duì)時(shí)脈沖代理輸出。在代理輸出對(duì)時(shí)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(shí)，使能輸入捕獲模塊。任何時(shí)候輸入捕獲模塊捕獲到對(duì)時(shí)脈沖，都使超時(shí)計(jì)數(shù)器清零，因此Tf計(jì)數(shù)器清零時(shí)刻稍早的卡件3將優(yōu)先獲取對(duì)時(shí)脈沖代理權(quán)，Tf計(jì)數(shù)器清零時(shí)刻稍后的卡件3由于超時(shí)計(jì)數(shù)器被清零而禁止產(chǎn)生代理。如果在對(duì)時(shí)脈沖代理期間，主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖恢復(fù)正常， 因?yàn)橐?guī)定主時(shí)鐘的脈沖寬度大于代理的脈沖寬度，如果代理輸出對(duì)時(shí)脈沖結(jié)束后檢測(cè)輸入捕獲模塊的輸入仍為高電平，即可判斷存在主時(shí)鐘或其他卡件3對(duì)時(shí)脈沖輸出，清零超時(shí)計(jì)數(shù)器禁止本卡件3代理。對(duì)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(shí)施例的細(xì)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)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(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)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(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種分布式控制系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘的主時(shí)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(shí)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(shí)鐘初始實(shí)時(shí)時(shí)間通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以通訊方式從主時(shí)鐘獲取；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(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)，記錄本地時(shí)鐘記數(shù)值，得到精確的時(shí)鐘誤差；3)使用動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘頻率，使本地時(shí)鐘精確跟蹤主時(shí)鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)的時(shí)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(dāng)主時(shí)鐘故障時(shí)，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對(duì)時(shí)脈沖，保持各卡件的本地時(shí)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(shí)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(gè)微處理器主頻時(shí)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(shí)鐘同步方法，其特征在于所述各卡件按照時(shí)間優(yōu)先原則競(jìng)爭(zhēng)代理權(quán)，整秒時(shí)刻最先到達(dá)的卡件優(yōu)先獲得代理權(quán)，產(chǎn)生代理輸出對(duì)時(shí)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(shí)鐘同步方法，其特征在于所述代理輸出對(duì)時(shí)脈沖的脈寬小于主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)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(shí)鐘同步方法，其特征在于所述主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)脈沖恢復(fù)，代理輸出對(duì)時(shí)脈沖退出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的分布式控制系統(tǒng)時(shí)鐘的高精度同步方法，其特征在于所述卡件內(nèi)帶有一個(gè)雙向輸入\輸出電路，與主時(shí)鐘的對(duì)時(shí)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(shí)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(dòng)輸出，允許同時(shí)多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)時(shí)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(shí)鐘的高精度同步方法，包括以下步驟卡件首先以簡(jiǎn)單通訊方式通過分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從主時(shí)鐘設(shè)備獲取相對(duì)低精度(由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和處理的離散性影響)的初始實(shí)時(shí)時(shí)間，此后時(shí)鐘同步利用卡件內(nèi)微處理器的輸入捕獲模塊捕獲主時(shí)鐘高精度的整秒時(shí)刻周期產(chǎn)生的對(duì)時(shí)脈沖前沿時(shí)刻對(duì)應(yīng)的本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，得到精確的時(shí)鐘誤差，再通過一種動(dòng)態(tài)平滑修正的算法調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘速率，使本地時(shí)鐘精確跟蹤主時(shí)鐘，并可以同時(shí)保證時(shí)鐘的單調(diào)遞增性，保證分布式控制系統(tǒng)事件時(shí)間順序的無差錯(cuò)獲取?？?nèi)微處理器還包括一輸出比較模塊，當(dāng)主時(shí)鐘故障時(shí)，輸出比較模塊產(chǎn)生代理輸出對(duì)時(shí)脈沖，繼續(xù)保持各卡件的本地時(shí)鐘的高精度同步。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102411344SQ20111017441
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京日立控制系統(tǒng)有限公司