CN104468072B - 一种ima平台时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种IMA平台时钟同步方法，包括以下步骤：1)检测及接收时间同步消息，检测错误的时间同步消息时，报告同步错误，并丢弃该消息；2)当主时钟节点接收到系统绝对全局时间时，将该时间转换为一个64位时间数据，并据此校准或更新主时钟的RTCs值；同时按照系统通信调度，每个固定时间周期将系统基准时间“广播”至与之相连局域时钟(交换节点)；本发明一种层次化分布式时钟相对同步技术及方法，使得IMA系统各功能模块(含网络交换机)、其他航电功能设备/子系统，相对系统基准时间保持在一定误差允许范围内协调一致、同步有序工作；同时为了防止各节点时钟随时间的推移给系统带来时间偏差，各节点需周期性接收系统的时间校准。

Description

一种IMA平台时钟同步方法

技术领域

本发明属于机载嵌入式计算机系统技术，实现了一种综合模块化航空电子系统(IMA)核心处理平台的时钟同步方法，主要应用于新一代IMA系统各节点(设备或模块)之间的时间同步。

背景技术

综合化、网络化技术引入，使得传统的航空电子功能设备或子系统“浓缩”为当今综合处理平台的一个功能模块，并通过一种交换式网络互连，构成一个复杂的分布式异步实时处理系统。系统任务的执行依赖于各节点的分工协作(如功能处理、数据计算、图形处理等)、实时通信方可有效完成。如何确保系统中各异步工作节点之间的时间同步，并防止由于时间漂移给系统带来工作混乱或错误，已成为系统设计的一个关键技术，其核心是系统时钟同步。

传统的共享总线型航空电子系统，由于其集中控制、统一基准时钟及低时间分辨率，已无法满足现代复杂的网络化机载分布式实时处理系统的时间同步要求；另外机载数据网络是一种交换式异步通信网络，其协议对系统节点之间的时间同步未作要求，而IMA系统应用需要其功能模块、设备/子系统在统一的参考时间基准下协调有序工作，共同完成系统实时任务，如时间相关性记录、数据有效性判断、时序结果的正确性确认等。因此为了实现IMA平台乃至整个航电系统的时间同步，迫切需要开发一种新的层次化时钟相对同步方法，以适应现代IMA系统发展需要，实现系统基准参考时间、局域参考时间及节点时间之间有效同步，确保系统协调有序工作。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出一种层次化分布式时钟相对同步技术及方法，使得IMA系统各功能模块(含网络交换机)、其他航电功能设备/子系统，相对系统基准时间保持在一定误差允许范围内协调一致、同步有序工作；同时为了防止各节点时钟随时间的推移给系统带来时间偏差，各节点需周期性接收系统的时间校准。

本发明的技术解决方案：一种IMA平台时钟同步方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)检测及接收时间同步消息，检测错误的时间同步消息时，报告同步错误，并丢弃该消息；

2)当主时钟节点接收到系统绝对全局时间时，将该时间转换为一个64位时间数据，并据此校准或更新主时钟的RTCs值；同时按照系统通信调度，每个固定时间周期将系统基准时间“广播”至与之相连局域时钟(交换节点)；

3)当IMA平台局域时钟节点接收到主时钟节点的基准时间时，计算本地时钟与系统基准时间的差值(△RTC_i＝RTC_i-RTCs)，据此更新或校准其局域时钟(RTC_i＝RTCs+△RTC_i)；同时按照系统通信调度，读出本地RTC_i时间值，并转发至与之相连的所有网络节点(含级联交换节点、局域节点)；

4)当IMA平台节点接收到局域时钟节点的基准时间时，计算本地时钟与局部基准时间的差值(△RTC_j＝RTC_j-RTC_l)，并据此更新本节点时钟(RTC_j＝RTC_l+△RTC_j)；如果本节点为级联的交换节点，则按照系统通信调度，读出本地基准时间RTCj，并转发至与之相连的本局域网各节点(含级联交换节点)；

5)重复步骤1)--步骤4)，直至系统关闭。

系统时间同步采用主时钟同步和系统时间同步2个独立过程进行的。

系统时间同步采用一级局域时钟同步、二级局域时钟和节点时钟、三级节点时钟三个层面进行的。

系统时间同步采用RTC时钟相对同步方式。

IMA平台时钟同步系统，其特征在于：所述系统包括分层的分布式实时时钟(RTC)同步体系结构、RTC同步电路，其中RTC同步电路分布于系统各网络设备中，以其所处位置依次构成系统的主时钟、局域时钟及节点时钟，并自主时钟节点依次校准和同步与之相连的局域时钟及节点时钟的时间值，进而达到整个系统的时间的相对同步。

分层的分布式实时时钟(RTC)同步体系结构包括主时钟和备份主时钟、局域基准时钟、节点时钟，其中主时钟和备份主时钟输入为系统的绝对全局时间，其输出为局域时钟基准时间；局域时钟的输入为主时钟基准时间，其输出为节点时钟基准时间；节点时钟输入为局域时钟基准时间，输出为时间误差校准后的节点基准参考时间值。

RTC电路包括一个长度为64位、分辨率为1us的递增计数的实时时钟、RTC控制电路、主时钟和备份主时钟、局域基准时钟、节点时钟，其中RTC分布于系统各网络终端中，其输入连接RTC控制电路的写逻辑，其输出连接RTC控制电路的读逻辑。

本发明的优点是：

1)层次式多时域同步结构，每个交换节点各自构成系统的一个相对独立的局域网时域，使得系统同步控制简单，且易于实现。

2)同步时间精度高，采用高分辨率实时时钟、时钟相对同步机制和层次式多级时间同步处理结构，消除了交换式网络传输调度延时影响，提高了系统同步时间精度。

3)具有良好通用性和容错能力，可应用于交换式网络处理系统及高可靠的机载分布式实时处理系统。

附图说明

图1是IMA平台层次化时钟同步系统结构。

图2是IMA平台时钟同步处理流程图。

具体实施方式：

本发明是一种IMA平台时钟同步方法，实施原理是：系统首先在系统各节点中设置一个1us分辨率的、64位长度的实时时钟(RTC)，实现节点本地时间保持、计数，并接受系统同步及时间校准；指派一个节点作为系统的主时钟源，接收系统授时(如GPS)及同步，产生系统参考基准时间(RTC_S)，并在系统通信调度下周期性发布系统基准时间，同步IMA系统各局域网基准时间(含网络交换节点)；再通过各局域网交换节点的时间校准及同步转发服务，同步各局域网内部所有处理节点之间的同步，进而实现IMA平台系统的时间同步；依赖系统通信配置，主时钟节点在数据网络上传播系统基准时间，以校准各节点的时钟值(RTC_i)，即①计算本地时钟与系统基准时间的误差(△RTC_i＝RTC_i-RTC_S)，②更新和校准本地时钟RTC_i(RTC_s＝RTC_i+△RTC_i)；为确保随着时间推移，各节点时钟出现大的漂移或偏差，进而给系统工作带来混乱或错误，系统采用了周期性(如50ms)时间同步机制，同时采用了双冗余主时钟节点设计，以消除系统的单点故障，确保系统同步可靠性。

IMA平台时钟同步是通过在系统各节点(交换机、功能模块、网络设备)中设置一个实时时钟，指定一个节点作为系统主时钟源，并通过网络配置周期性发布系统基准时间，校准系统各节点时钟，使系统各节点相对主时钟节点保持相对时钟偏差，协调有序工作。该方法具体实施方式说明如下：

1、IMA平台分布式时钟同步系统结构及电路说明

1)层次化分布式时钟同步系统结构说明：该方法采用3层分布式结构，如图1所示，其中第1层为系统主时钟源和备份主时钟源(RTC_s)，可接收系统授时及时间同步，实时时间转换、主时钟更新或时间校准及系统基准时间到各交换机的发布；第2层为系统局域基准时钟(RTC_l)，驻留于IMA平台各网络交换节点(包括余度交换机)中，接收来自系统主时钟的基准时间，校准和更新系统各局域网的基准时间，同时将校准后系统基准时间转发给局域各级联网络交换机、本网域内的节点(功能模块、外部节点)，实现本局域网内的时间同步；第3层为节点时钟，驻留于IMA平台各功能模块、外部节点内，接收来自本局域网的局部基准时间同步，计算本地时钟与局部基准时间的差值，并据此更新和校准节点本地时钟(RTC_j)。

2)时钟同步电路说明：IMA平台各网络节点中设计一个标准的RTC同步电路，其长度为64位、分辨率为1us，以递增方式计数，可被端系统控制器“读/写”操作；时钟同步电路提供RTC帧错误检测、帧长度检测、余度处理及读/写操作功能，确保RTC完整性及正确性。

2、时钟同步流程说明：

1)时间同步消息的检测及接收：如果消息检测无错误，则转入步骤2)，否则时间同步失败，丢弃该时间消息。

2)绝对全局时间的判断及处理：实现系统授时或系统基准时间同步，当节点s接收到的时间为全局绝对时间(包括年月日、时分秒信息)，首先将该时间转换为一个64位时间数据，作为系统基准参考时间，并据此更新或校准主时钟的RTC_s值；同时按照系统网络配置，每个固定时间周期(如50ms)将系统基准时间“广播”至与之相连的交换节点，否则转入步骤3)；

3)系统基准时间的判断及处理：实现IMA平台各节点的时间同步，其基准时间来自系统的主时钟节点，如果节点i接收的时间为系统基准时间，则计算其时钟与系统基准时间的差值(△RTC_i＝RTC_i-RTC_s)，并据此更新或校准其局域时钟(RTC_i＝RTC_s+△RTC_i)；如要输出时间同步帧(一级交换节点)时，则读出本地RTC_i时间值，并转发至与之相连的所有网络节点(含级联交换节点、局域节点)，否则转入步骤4)；

4)局部基准时间的判断及处理：实现局域网内部各节点之间的时间同步，其基准时间来自本局域网的交换节点，即如果节点j接收的时间为来自上级局域网的局部基准时间，则计算本地时钟与局部基准时间的差值(△RTC_j＝RTC_j-RTC_l)，并据此更新本节点时钟(RTC_j＝RTC_l+△RTC_j)；如果本节点为级联交换节点，则在时间同步帧输出时，读出本地局部基准时间RTC_j时间值，并转发至本局域网各节点(含级联交换节点、局域节点)，否则转入步骤5)；

5)如果系统关闭，则停止运行，否则转入步骤1)，重复下一轮时间同步操作。

Claims (6)

1.一种IMA平台时钟同步方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)检测及接收时间同步消息，检测错误的时间同步消息时，报告同步错误，并丢弃该消息；

2)当主时钟节点接收到系统绝对全局时间时，将该时间转换为一个64位时间数据，并据此校准或更新主时钟的RTCs值，其中RTCs表示作为系统基准时间的主时钟RTC之时间值，RTC英文全称为Real-Time Clock，其中文名称为实时时钟；同时按照系统通信调度，每个固定时间周期将系统基准时间“广播”至与之相连局域时钟；

3)当IMA平台局域时钟节点接收到主时钟节点的基准时间时，计算本地时钟与系统基准时间的差值△RTC_i，其中△RTC_i＝RTC_i-RTCs，据此更新或校准其局域时钟RTCi，其中RTC_i＝RTCs+△RTC_i；同时按照系统通信调度，读出本地RTC_i时间值，并转发至与之相连的所有网络节点，其中RTC_i表示局域时钟i的时间值；

4)当IMA平台节点接收到局域时钟节点的基准时间时，计算本地时钟与局部基准时间的差值△RTC_j，其中△RTC_j＝RTC_j-RTC_l，并据此更新本节点时钟RTC_j，RTC_j＝RTC_l+△RTC_j；如果本节点为级联的交换节点，则按照系统通信调度，读出本地基准时间RTCj，并转发至与之相连的本局域网各节点，其中RTC_j表示节点时钟j的时间值，RTC_l表示作为局域基准时间的局域时钟RTC之时间值；

5)重复步骤1)--步骤4)，直至系统关闭。

2.根据权利要求1所述的IMA平台时钟同步方法，其特征在于：系统时间同步采用主时钟同步和系统时间同步2个独立过程进行的。

3.根据权利要求1所述的IMA平台时钟同步方法，其特征在于：系统时间同步采用一级局域时钟同步、二级局域时钟和节点时钟同步、三级节点时钟同步三个层面进行的。

4.根据权利要求1所述的IMA平台时钟同步方法，其特征在于：系统时间同步采用实时时钟RTC相对同步方式。

5.IMA平台时钟同步系统，其特征在于：所述系统包括分层的分布式实时时钟RTC同步体系结构、RTC同步电路，其中RTC同步电路分布于系统各网络设备中，以其所处位置依次构成系统的主时钟、局域时钟及节点时钟，并自主时钟节点依次校准和同步与之相连的局域时钟及节点时钟的时间值，进而达到整个系统的时间的相对同步；

分层的分布式实时时钟RTC同步体系结构包括主时钟和备份主时钟、局域时钟、节点时钟，其中主时钟和备份主时钟输入为系统的绝对全局时间，其输出为局域时钟基准时间；局域时钟的输入为主时钟基准时间，其输出为节点时钟基准时间；节点时钟输入为局域时钟基准时间，输出为时间误差校准后的节点基准参考时间。

6.根据权利要求5所述的IMA平台时钟同步系统，其特征在于：实时时钟RTC电路包括一个长度为64位、分辨率为1us的递增计数的实时时钟、RTC控制电路、主时钟和备份主时钟、局域基准时钟、节点时钟，其中RTC分布于系统各网络终端中，其输入连接RTC控制电路的写逻辑，其输出连接RTC控制电路的读逻辑。