用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端的制作方法

1.本发明属于星载通信技术领域，尤其涉及一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端。


背景技术：

2.随着我国航天事业的迅速发展，星载单机之间数据交互需求不断提升，对星上信息交换能力提出了更高的要求，多连互通的数据交互方式已成为发展趋势。
3.在此背景下，基于星上多平台组建分布式以太网络是解决这些问题的有效途径，然而传统以太网络存在数据传输冲突问题，这对星上数据传输的可靠性和实时性带来严重影响。
4.时间触发以太网是一种高实时性、高资源利用率和高容错性的新型实时工控以太网，在工业领域进行了广泛的实践。作为一种分布式网络，时间触发以太网拥有超过1gbps的通信速率，且在网络中增加时间属性和多种容错设计以保障时间关键消息的可靠传输，具备高确定性和高实时性等诸多优越特性。
5.现有技术未有星载时间触发网络时间同步客户端ip核及时间触发的集成配置，星上数据传输的可靠性和实时性差。鉴于此，有必要提出一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，接收符合as6802时间同步协议的以太网数据包，完成时间同步从机(synchronization client)的功能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于星载时间触发网络时间同步的客户端，有效的保障星载时间触发网络的时间同步性，使得星载时间触发网络数据的交互的具有实时性、确定性以及高可靠性；使其便于集成于可编程逻辑器件中，工程效果好、调试方便，降低设计成本。
7.本发明提供了一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，包括：
8.时间同步客户端ip核，集成于可编程逻辑器件中；
9.所述时间同步客户端ip核包括顶层模块和多个子功能模块，所述顶层模块与多个子功能模块通信连接，
10.所述顶层模块包括psync模块，完成ip核与外部信号的接口连接以及ip核内部各子功能模块的信号互连处理，通过调用各子功能模块完成对同步客户端的同步；
11.所述子功能模块包括：fifo模块、recv模块、perm模块、ctrl模块和reg模块，其中：
12.所述fifo模块，与所述psync模块连接，用于接收所述psync模块发送的pcf数据帧并传输至所述recv模块，对接收和发送的pcf数据帧进行缓存，通过异步时钟读写，适配收发数据时钟频率偏差造成的数据采样偏移；
13.recv模块，与所述fifo模块连接，用于接收pcf帧的数据并进行解析，提取参数；
14.perm模块，与所述recv模块连接，用于对解析厚度pcf帧进行固化，恢复pcf帧的发
送时间点信息；
15.ctrl模块，接收所述reg模块、所述perm模块传输的信号，用于完成同步客户端节点同步过程状态机跳转及控制，完成故障检测和结团检测功能；
16.reg模块，与apb2总线信号交互，用于从模块外部注入同步控制参数，完成参数提取和分发，并传输至所述ctrl模块以实现对参数的配置。
17.作为优选地，在星载时间触发网络的同步过程中，接收压缩主机发送的pcf帧，提取所述pcf帧中的in帧进行同步算法处理，其中时间触发网络设备根据同步机制进行类型划分为压缩主机。
18.作为优选地，通过对in帧参数的提取和时序保持算法来对本地同步时钟进行纠正，直接将本地时钟集成到已建立的网络同步时钟上实现网络时间同步。
19.作为优选地，所述fifo模块包括监测滤波单元，用于监测预设的同步周期内，压缩主机接收预设次数的来自相同同步主机的同步帧，进而保证同步主机与压缩主机之间有且仅进行预设次数的时间同步操作。
20.作为优选地，在星载时间触发网络的同步过程中，启用压缩函数时，将固化时间点间隔限定在当前观测窗口，若预设次数的固化时间间隔，大于当前观测窗口限定的固化时间点间隔，则开启新的压缩函数，重新对固化时间点进行采集。
21.作为优选地，在星载时间触发网络的同步过程中，启用压缩函数时，求取压缩修正值时，采用容错中值化处理，过滤掉采集到的固化时间点间隔中大于间隔阈值的固化时间点。
22.作为优选地，引入结团检测机制，实时检测网络中处于同步状态的成员数，使网络中同步节点数维持在预设阈值上，进而避免了同步结团的形成。
23.作为优选地，引入了接收窗口机制，对窗口内不同的压缩时间点，按照最优帧选择准则，选择出最佳的压缩时间点，同时又对窗口外的压缩时间点进行过滤，进而消除节点不一致失效的干扰。
24.本发明还提供了一种用于星载时间触发网络时间同步系统，包括本发明实施例所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端。
25.本发明还提供了一种时间触发网络设备，包括同步主机和压缩主机、本发明实施例所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端。
26.本发明与现有技术相比的有益效果是：
27.本发明公开的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，可以有效的保障星载时间触发网络的时间同步性，使得星载时间触发网络数据的交互的具有实时性、确定性以及高可靠性。进一步的本发明提供的星载时间触发网络时间同步客户端ip核设置，实现了可编程逻辑器件中的工程应用，提高了网络设备调度的实时性与可靠性。
附图说明
28.图1-2是本发明实施例中用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端的逻辑框图；
29.图3是本发明实施例中星载时间触发网络的pcf帧结构图；
30.图4是本发明实施例中星载时间触发网络的时间同步流程图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一
33.本发明提供了一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端中星载时间触发网络的时间同步的工作流程，同步客户端在同步过程中本身不主动参与时钟的同步，整个过程只简单地接收压缩主机发送的pcf帧，且只对压缩主机发送的in帧进行同步算法处理，对接收到的cs帧和ca帧则不作任何处理。
34.进一步的，本实施例中，同步客户端通过对in帧参数的提取和时序保持算法来对本地同步时钟进行纠正，直接将本地时钟集成到已建立的网络同步时钟上实现网络时间同步的功能。
35.进一步的，本实施例中，同步客户端通过选取同步计算所需的最佳in帧，提取结团检测所需调度内和调度外最大同步主个数信息，实现同步结团检测、异步结团检测和相关结团检测功能，对同步客户端同步状态的健康和故障进行检查。
36.进一步的，为了便于工程实现，本实施例中，时间同步客户端以时间同步主机ip核的形式集成于可编程逻辑器件中，时间同步客户端ip核由一个顶层模块和多个子功能模块构成，子模块主要包括fifo模块、recv模块、perm模块、comp模块、ctrl模块、reg模块。同步客户端逻辑框图如图1-2所示。
37.psync模块，即主同步模块：作为顶层模块，完成ip与外部信号的接口连接以及ip内部各子模块的信号互连处理，主要通过调用各子模块完成系统的功能。同时，完成内部参数定义和内部状态信号定义。
38.fifo模块：数据缓存模块，对接收和发送的pcf数据帧进行缓存。通过异步时钟读写，可适配收发数据时钟频率偏差造成的数据采样偏移。
39.recv模块：pcf帧接收模块，完成pcf帧，只针对in帧的数据解析，提取相关参数。
40.perm模块：pcf帧固化模块，完成pcf帧，只针对in帧的固化，恢复pcf帧的发送时间点信息。
41.ctrl模块：中心控制模块，完成同步客户端节点同步过程状态机跳转及控制，完成集团检测、故障检测等功能。
42.reg模块：参数配置模块，通过apb2总线从模块外部注入同步控制参数，完成参数提取和分发。
43.同步客户端ip核可以完成时间触发网络中的同步客户端节点功能，在星载时间触发网络的同步过程中本身不主动参与时钟的同步，整个过程只简单地接收压缩主机发送的pcf帧，且只对压缩主机发送的in帧进行同步算法处理，对接收到的cs帧和ca帧则不作任何处理。
44.本发明形成的星载时间触发网络同步客户端ip核的设置便于集成于可编程逻辑器件中；通用架构的设置便于星载实时网络同步客户端功能的实现，实现星载时间触发网络的周期同步性，并具备了同步结团检测、异步结团检测和相关结团检测功能，能对同步客
户端同步状态的健康和故障进行检查，本发明工程效果好、调试方便，能有效降低设计成本。
45.实施例二
46.基于相同的构思，本发明提供了一种星载时间触发网络的时间同步系统，星载时间触发网络的时间同步同步功能按照sae as6802协议标准进行实现，属于一种内部时钟同步方式。根据sae as6802协议标准，时间触发网络中的设备通过周期性地传输携带透明时钟参数的pcf(protocol control frame)帧来计算出各个设备本地时钟之间的偏差，以此实现网络各节点的同步时钟的建立和维护。pcf帧格式如图3所示。
47.本实施例中，根据同步机制中扮演的角色，时间触发网络设备分为三种类型：同步主机(sm：sync master)、同步客户端(sc：sync client)和压缩主机(cm：compression master)。
48.本实施例中，通过三个步骤的消息处理来完成全网中所有节点的时间同步。
49.首先，同步主机集中控制被其控制的单元发送协议控制帧(pcf)。pcf帧的具体内容与相应的同步终端的本地时钟有关。
50.在传输过程中，pcf帧会记录从起点到终点的传播延时、动态发送或接收延迟、静态发送或接收延迟等多个参数。然后，压缩主机接收到与之相连的各个终端发来的不同pcf帧后，经过时序保持算法和时序集中算法来计算出一个新的同步时钟值，具体则是通过pcf帧中包含的时钟信息的算术平均值进行计算，计算完毕之后，结果记录到新的pcf帧中。
51.最后将该pcf帧发向同步主机和同步客户端，同步主机和同步客户端则根据pcf帧中所包含的时钟信息，来校正自己的本地时钟，从而实现全网的时间同步。时间同步的流程如图4所示。
52.进一步的，为了实现上述的时钟同步过程，本实施例中，同步主机(sm)向压缩主机(cm)发送pcf帧，当压缩主机(cm)收到来自不同链路的pcf帧后，固化函数便利用接收到的pcf帧中的透明时钟(pcf_transparent_clock)和最大传输延迟(max_transmission_delay)字段以及接收pcf帧的时刻(receive_pit)得到pcf帧的固化点。来自不同sm的pcf_transparent_clock不同，但是最大传输时延是一个固定的通信配置值，可以被设置为被设置为大于pcf帧在传输过程中最大时间延迟的值，所以pcf帧被各个sm中发送的次序得以通过固化函数在cm处恢复。
53.本发明的另一实施例提供了一种进行故障检测、隔离和排除的故障容错机制，以针对系统同步过程中的时间偏差大、不一致失效、随意失效等异常情况以及出现同步结团的问题。
54.进一步的，针对非同步网络中cm接收到某些本地时间偏差过大sm发送pcf时，可能导致cm上pcf固化时间点间隔过大，导致全局时间基准偏移的情况，本发明的一个实施例中，在启用压缩函数时，首先将固化时间点间隔限定在一个观测窗口，若两次固化时间间隔，大于一个观测窗口，则开启新的压缩函数，重新进行采集；其次求取压缩修正值时，采用的是容错中值化处理，对于采集到的间隔较远的固化时间点具有过滤的作用。
55.进一步的，针对网络中节点随意失效的干扰，本发明的一个实施例中，定义了重启动和冷启动两种同步过程。首先让系统中正常的sm和cm通过冷启动过程，完成两次握手，保证系统中sm和cm一致的进入到同步状态后，再进行时钟同步，消除了随意失效的干扰，同时
又通过重启动过程，将系统中失效的sm重新加入到同步系统中。
56.进一步的，针对复杂网络中可能存在的结团问题，本发明的一个实施例中，引入结团检测机制，实时检测网络中处于同步状态的成员数，使网络中同步节点数维持在一定阈值上，进而避免了同步结团的形成。
57.进一步的，针对系统中节点存在不一致失效的情况，导致在时间同步的过程中可能得到多个不同的压缩时间点，本发明的一个实施例中，引入了接收窗口机制，既对窗口内不同的压缩时间点，按照最优帧选择准则，选择出最佳的压缩时间点，同时又对窗口外的压缩时间点进行过滤，进而消除节点不一致失效的干扰。
58.进一步的，针对节点随意失效的干扰，除了两次容错握手处理，本发明的一个实施例中，接收模块添加了监测过滤功能，确保一个同步周期内，cm只接收一次来自相同sm的同步帧，进而保证sm与cm之间只进行一次时间同步。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，包括：时间同步客户端ip核，集成于可编程逻辑器件中；所述时间同步客户端ip核包括顶层模块和多个子功能模块，所述顶层模块与多个子功能模块通信连接，所述顶层模块包括psync模块，完成ip核与外部信号的接口连接以及ip核内部各子功能模块的信号互连处理，通过调用各子功能模块完成对同步客户端的同步；所述子功能模块包括：fifo模块、recv模块、perm模块、ctrl模块和reg模块，其中：所述fifo模块，与所述psync模块连接，用于接收所述psync模块发送的pcf数据帧并传输至所述recv模块，对接收和发送的pcf数据帧进行缓存，通过异步时钟读写，适配收发数据时钟频率偏差造成的数据采样偏移；recv模块，与所述fifo模块连接，用于接收pcf帧的数据并进行解析，提取参数；perm模块，与所述recv模块连接，用于对解析厚度pcf帧进行固化，恢复pcf帧的发送时间点信息；ctrl模块，接收所述reg模块、所述perm模块传输的信号，用于完成同步客户端节点同步过程状态机跳转及控制，完成故障检测和结团检测功能；reg模块，与apb2总线信号交互，用于从模块外部注入同步控制参数，完成参数提取和分发，并传输至所述ctrl模块以实现对参数的配置。2.如权利要求1所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，在星载时间触发网络的同步过程中，接收压缩主机发送的pcf帧，提取所述pcf帧中的in帧进行同步算法处理，其中时间触发网络设备根据同步机制进行类型划分为压缩主机。3.如权利要求2所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，通过对in帧参数的提取和时序保持算法来对本地同步时钟进行纠正，直接将本地时钟集成到已建立的网络同步时钟上实现网络时间同步。4.如权利要求1所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，所述fifo模块包括监测滤波单元，用于监测预设的同步周期内，压缩主机接收预设次数的来自相同同步主机的同步帧，进而保证同步主机与压缩主机之间有且仅进行预设次数的时间同步操作。5.如权利要求1所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，在星载时间触发网络的同步过程中，启用压缩函数时，将固化时间点间隔限定在当前观测窗口，若预设次数的固化时间间隔，大于当前观测窗口限定的固化时间点间隔，则开启新的压缩函数，重新对固化时间点进行采集。6.如权利要求5所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，在星载时间触发网络的同步过程中，启用压缩函数时，求取压缩修正值时，采用容错中值化处理，过滤掉采集到的固化时间点间隔中大于间隔阈值的固化时间点。7.如权利要求1所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，引入结团检测机制，实时检测网络中处于同步状态的成员数，使网络中同步节点数维持在预设阈值上，进而避免了同步结团的形成。8.如权利要求1所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，其特征在于，引入了接收窗口机制，对窗口内不同的压缩时间点，按照最优帧选择准则，选择出最佳的压缩
时间点，同时又对窗口外的压缩时间点进行过滤，进而消除节点不一致失效的干扰。9.一种用于星载时间触发网络时间同步系统，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端。10.一种时间触发网络设备，其特征在于，包括同步主机、压缩主机及权利要求1至8中任意一项所述的用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端。

技术总结
本发明公开了一种用于星载时间触发网络时间同步的同步客户端，包括：时间同步客户端IP核，集成于可编程逻辑器件中；时间同步客户端IP核包括顶层模块和多个子功能模块，顶层模块与多个子功能模块通信连接，顶层模块包括PSYNC模块，完成IP核与外部信号的接口连接以及IP核内部各子功能模块的信号互连处理，通过调用各子功能模块完成对同步客户端的同步；子功能模块包括：FIFO模块、RECV模块、PERM模块、CTRL模块、REG模块，本发明通用架构的设置便于星载实时网络同步客户端功能的实现，实现星载时间触发网络的周期同步性，并具备了同步结团检测、异步结团检测和相关结团检测功能，工程效果好、调试方便，能有效降低设计成本。能有效降低设计成本。能有效降低设计成本。


技术研发人员：朱浩文 关宁 赵梦 张瑞珏 罗鹏
受保护的技术使用者：上海航天测控通信研究所
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/18