精确到毫秒的在线时钟

应用研究数字技术

与应用

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1引言

PTP是IEEE-1588标准中定义的一种精密时钟同步协议,主要

应用于基于局域网的处理控制系统,在分布式系统中得以广泛的应

用。PTP协议通过硬件和软件的方法将网络客户机的内部时钟与主

机的基准时钟实现同步[1]。应用硬件方法时,精度为ns级;软件方法

的精度为ms级。在计算机网络中采用软件方法其精度要达到亚毫秒

时,可能会受到诸多因素影响而导致系统时间无法可靠性同步[2]。就

这些因素而言,主要包括交换机不平衡、接口卡缓冲时延数据包,同

时还包括系统内部的相关影响因素;然而,这些因素即无法有效的

控制,又难以准确预测,以致于时钟同步性较差。大型靶场的实时测

控系统因内部设备终端数较多,很难用硬件方法实现PTP时钟同步,

文章根据软硬件系统的特点以及PTP协议,利用纯软件方式对高精

准时钟实现同步。为此,我们可以建立一个高精准时钟,按照同步机

制同步处理测量结果,其时间同步精度到达了内亚毫秒,有效解决

了各种不可预测因素对局域网时钟同步的影响。

2PTP协议时钟同步原理分析

就PTP协议时钟同步而言,其中包含了基准时钟以及同步时钟;

这里所讲的时间同步,实际上就是分别在发、接收双方对时间信息

等进行打时戳,接收时根据戳对基准以及同步时钟偏差进而信息等

进行计算,然后采取网络传输延时方式予以实现。PTP协议中定义了

几种信息类型,其中包括同步、跟随以及延时校正申请和延时校正

响应等类型。对于同步时钟与基准之间的差异而言,主要是由信息

包以及时钟偏差的传输延迟形成的,时钟同步又包含了两个阶段,

即偏移校正阶段、延时校正阶段。从流程上来看,如图1所示。

在A阶段(偏移校正),基准时钟于TM

1

处发出同步信息至同步

时钟,而且同步信息中有时间戳,是关于数据预计时间的描述。由于

同步信息中包含了预发时间,因此同步信息发出的真实时间被测量

以后,随后通过跟随信息发出。同步时钟记录了同步信息的真实接

收时间,记为TS

1

;通过TM

1

、TS

1

能够将同步时钟之于基准时钟的偏

差(offt)计算出来,计算公式为:offt=TM

1

-TS

1

。实践中,可根据

时间偏差对同步时钟进行校正,计算结果中因有传输延时而必须对

其校正。在B阶段,同步时钟将延时校正申请信息发送至基准时钟,

并且由同步时钟将准确时间(TS

2

)记录下来,同时基准时钟将接收到

的准确时间(TM

2

)记录下来,经延时校正响应返回同步时钟。此时,

同步时钟结合上述时间(两个)将网络延时计算出来,计算公式为

delay=(TM

2

-TS

2

)/2,而且利用这一数值予以校正。

3PTP协议下的高精准时钟同步策略

对于高精准数字时钟而言,其作为高精准时钟实现同步的前提

和基础,实际应用之前需先建立高精准时钟。为了解决以上因素对

时钟同步精度造成的影响,在PTP协议条件下将响应同步制度引入

其中,采用直线拟合与过滤等方法,确保其精度达到亚毫秒级。

3.1构造高精准数字时钟

对于计算机而言,中央处理器上配置了高精度时钟,以2GHz的

中央处理器为例,其定时精度达到了0.5ns。同时,Windows系统还

提供了可获得中央处理器震荡频率以及开机后定时器计数值的接

口,并且在API接口基础上构造出精准度相对较高的逻辑时钟。以t

0

代表中央处理器中的定时器计算数值,用△t代表逻辑时间之于中央

处理器的计数偏差;逻辑时间(t)利用公式t=t

0

+△t来计算,修改逻辑

时间时可通过△t的修改来完成[3]。

3.2响应同步机制

计算机关卡缓存效应下,如果增大两次传输时间间隔,则时钟

同步必然会受网络影响,必然网络系统稳定性差、操作进程调度等

局域网高精确时间同步

方法及其在实时测控系统中的应用

唐艺灵

(92941部队96分队,辽宁葫芦岛125000)

摘要:PTP精确时间同步协议广泛应用于分布式网络系统中,本文针对实时测控网络系统中各种影响因素的特点,结合PTP协议时钟同

步机制,提出了一种适用于网络环境下的高精准时钟同步方法,通过采用响应同步机制以及对测控数据进行处理,实现亚毫秒精度的时钟

同步。

关键词:PTP协议；局域网；时钟同步；精确时间；测控系统

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1007-9416(2017)03-0065-02

收稿日期:2017-03-09

作者简介:唐艺灵(1971—),男,福建安溪人,硕士,高级工程师,研究方向:试验指挥控制。

图1钟同步原理示意图

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因素的影响。响应同步机制的应用,能够解决上述问题,减小影响。

具体而言,就是在接收信息以后,再返回确认信息;此时发送方仅在

接收确认信息后方可在此发送信息。通过隔离前后信息的传输,可

使接收方避免同时接受全部信息数据。

3.3数据处理算法

实践中,为了能够从测量数据中及时准确的获取有价值的数据

信息,需对上述采取拟合法进行处理。比如,Data[1:N]代表了N个测

量所得的数据,而Data’[1:M]代表过滤所得数据,其公式为Data’[1:

M]=f

m,n

(Data[1:N]),其中M=N-m-n;f

m,n

先排列数据,以此来确保

差异相对较大的数值可排在数组两侧,并且将其中的小数值(m个)

和其中的大数值(n个)去掉,即实现了过滤处理目的。其中,m、n均为

可变参数,具体根据数据量规模、稳定性而定。对于Data’[1:M]而言,

可采用y=C直线公式对数据最小二乘直线拟合,具体拟合公式为

C=1/MΣData’[1:M],以此从N数据中得到拟合值C(最佳值)。

4精度要求

4.1实时测控系统概述

某靶场实时测控系统由信息汇集分发、中心计算机、安控台、指

挥显示、实时数据库和局域网等六个分系统组成。(1)信息汇集分发

分系统负责对外信息的接收与发送。接收各种外部信息,转换为内

部通信协议通过订阅/发布机制向内部各分系统转发,将内部各分

系统产生的信息按照通信协议向外部发送,此外还负责通过系统配

备的时统B码终端向全系统提供网络授时服务,保持系统时间同步。

(2)中心计算机分系统负责对外部的各种测量数据进行实时处理。具

备弹道处理、航迹融合处理及目标安全故障判断等实时数据处理功

能,它有很高的时间同步要求。(3)安控台分系统负责目标飞行试验

的安全决策与控制。具备安控指令收发、记录与显示功能,同样有很

高的时间同步要求。(4)指挥显示分系统负责各种测控信息的显示。

具备满足试验、训练及演练等多种任务的态势综合处理与展现能

力。(5)数据库分系统负责各种实时测控信息的实时存贮。具备数据

查询、检索、快速处理、分析与评估等功能。(6)局域网分系统负责系

统内部信息的传输。采用双网结构保证信息传输可靠性。

4.2实时测控系统同步精度要求

时测控系统系统时间采用北京标准时间(BST),其具有严格的

同步精度要求。(1)中心计算机和安控台分系统服务器获得的时间与

时统时间同步精度优于100μs;(2)其它分系统服务器通过网络校时

的时间平均误差≤15ms;(3)中心计算机分系统服务器通过时码板产

生的1Hz、20Hz中断信号延迟≤200μs;(4)内部局域网信息传输时

延≤5ms。

5基于PTP协议高精准时钟同步方法在实时测控系统的应用

根据基于PTP协议的高精准时钟同步法,按照PTP协议时钟同

步机制以及实时测量数据,设计和运用性能比较可靠的时钟同步方

案。比如,中心计算机实时处理软件,其流程如图2所示。

(1)信息汇集分发分系统时统B码终端产生的基准时钟在TM

1

[1]

发送同步信息到接收端同步时钟,然后将准确时刻TM

1

记录下来[1],

在FollowUp信息中将同步信息发送的TM

1

[1]发送至同步时钟。对于

同步时钟而言,其接收同步信息以后,将准确接收时刻TS

1

记录下来

[1],然后再将确认信息OK返回。(2)重复N次上述过程,同步时钟即可

获得N个时钟的信息发送与接收时刻,即TM

1

[1:N]、TS

1

[1:N],然后

将二者做差,得到Offt[1:N](即N个偏移值)。(3)对N个偏移值过滤

与直线拟合,或者最佳拟合值(offt),并以该值为基础对同步时钟实

现偏移校正之目的。(4)将DelayReq信息发送至基准时钟,然后将发

送的准确时刻TS

2

[1]记录清楚,基准时钟在收到信息后记录准确的

接收时刻TM

2

[1],由DelayResp向同步时钟返回TS

2

[1]。(5)重复上一

步骤M次以后,同步时钟即可获得2M个时钟信息,即TM

2

[1:N]与

TS

2

[1:N],通过对二者做差可得M个基准、Delay[1:M](同步时钟延

时信息)。(6)过滤出来Delay[1:M]并进行直线拟合,从而得到最佳拟

合值,然后利用这一拟合值对延时校正同步时钟。

当网络平稳且计算机负载相对较小时,取M=N=10,m=n=2,精

度就能达到亚毫秒级。上述步骤完成以后,即实现了一次基准、同步

时钟同步。在此过程中,为了能够有效避免因时钟累积误差而造成

的系统同步精度问题,周期性地重复以上过程,即保持了系统同步。

6结语

总而言之,基于PTP时钟同步机制,设计适用于实时测控系统网

络环境下的可以达到亚毫秒精度的时钟同步方法,该方法在实时测

控软件中得到了有效应用。

参考文献

[1]烜桂本,刘锦华.IEEE1588高精度同步算法的研究和实现[J].电光

与控制,2006(5):90-94.

[2]袁振华,董秀军,刘朝英.基于IEEE1588的时钟同步技术及其应用

[J].计算机测量与控制,2006(12):1726-1728.

[3]汪文俊,龚育昌,朱建明.基于UDP的局域网内时钟同步协议[J].计

算机应用与软件,2007(5):133-135.

图2时钟同步全部步骤示意图

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