一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法

摘要

本发明公开了一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，包括以下步骤，1)将级联系统划分为四个层次；2)确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道；3)依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的对同步采样和同步传输及链路管理的各层装置；4)计算各层的信道延迟量；5)重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号；6)以采样周期T_s为节拍控制数据传输。本发明解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，同步精度和实时性高，通道建设成本和施工工作量低，具有良好的应用前景。

主权项

一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；步骤(2)，确定级联系统的采样间隔T_s，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息的编码信号连接采集控制装置；(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：(a)数据交换和通信管理装置的端口在T₁时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T₂时刻接收到该报文，并在T₃时刻发回测距应答报文，该报文在T₄时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间T_{pkt_correct}后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟T_{mu_delay}和时钟偏差T_{mu_offset}，T_{mu_delay}＝{[(T₄‑T_{pkt_correct})‑T₁]‑(T₂‑T₃)}/2   (1)T_{mu_offset}＝{(T₂‑T₁)+[T₃‑(T₄‑T_{pkt_correct})]}/2   (2)(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T₅时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T₆时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T₇时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟T_{dae_delay}为，T_{dae_delay}＝(T₇‑T₅)/2   (3)；步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，(a)第二层的数据交换和通信管理装置以T_s为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号，再将该信号超前移相T_s‑T_{mu_delay}作为本地同步信号(以下简称MSYN)；超前移相T_s‑2T_{mu_delay}后作为本地实时数据发送的触发信号(以下简称MU_TX_SYN)，其中T_{mu_delay}为数据合并和转发装置根路径延迟；(c)第三层的数据合并和转发装置在本地同步信号(MSYN)的触发下向各下级的第四层的数据采集和控制终端发送间隔T_s的背景扫描控制报文，为第四层的数据采集和控制终端提供同步参考；(d)第四层的数据采集和控制终端从第三层的数据合并和转发装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为T_s的外同步信号(以下简称DSYN)，再将该信号超前移相T_s‑T_{dae_delay}作为本地同步信号，T_{dae_delay}为第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟；(e)第四层的数据采集和控制终端在恢复出的本地同步信号(DSYN)的触发下控制本地的模拟量或数字量的采集，完成系统级同步采样控制；步骤(6)，本地同步信号建立以后，以采样周期T_s为节拍控制数据传输，每个节拍传送的数据的过程如下，(a)第三层的数据合并和转发装置，将一个节拍划分前后两部分T_w和T_p，实时窗口T_w传递实时业务，数据窗口T_p传输普通业务，按照第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口划分传输域，每个下行端口对应一个独立传输域，按第二层的数据交换和通信管理装置的每个传输域挂接的第三层的数据合并和转发装置的数量，将实时窗口T_w划分成多个时隙，时隙的宽度T_slot，根据公式(4)得到，T_slot＝pkt_size*8*T_B   (4)其中，pkt_size为每级的数据量，T_B为网络发送每个比特的时间；(b)第三层的数据合并和转发装置在本地实时发送触发信号(MU_TX_SYN)的触发下产生传输节拍，将本地采集的实时数据进行合并后安排在对应的时隙中发送，在其他的时隙向上直通转发来自其他第三层的数据合并和转发装置的实时业务数据；(c)第四层的数据采集和控制终端在外同步信号的触发下在一个节拍内续传两次上一间隔所采集到测量数据，以完成控制命令和同步信息传输。