一種適用于RS485總線(xiàn)時(shí)鐘同步協(xié)議*

付道俊 劉 巍 陳源寶

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

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一種適用于RS485總線(xiàn)時(shí)鐘同步協(xié)議*

付道俊 劉 巍 陳源寶

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)

RS485總線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于分布式控制領(lǐng)域,隨著對(duì)控制精度需求地不斷提高,分布式控制系統(tǒng)時(shí)鐘同步成為一項(xiàng)核心技術(shù)。論文在IEEE 1588協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種適用于RS485總線(xiàn)的時(shí)鐘同步協(xié)議,定義了協(xié)議主要幀結(jié)構(gòu),并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證,驗(yàn)證了協(xié)議的正確性。

時(shí)間同步; RS485; IEEE 1588

Class Number TP273

1 引言

RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)憑借組建成本低、可靠性高、分布范圍較大等特點(diǎn)[1～3],在分布式控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著近年來(lái)對(duì)控制精度要求不斷地提升,時(shí)鐘同步技術(shù)成為分布式控制系統(tǒng)的核心技術(shù),如何保留投資,在原有RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上增加時(shí)鐘同步服務(wù),具有積極的意義。

本文在IEEE 1588協(xié)議[4～5]的基礎(chǔ)上提出一種適用于RS485總線(xiàn)的時(shí)鐘同步協(xié)議,由于協(xié)議運(yùn)行于應(yīng)用層,可以很好地兼容現(xiàn)有系統(tǒng),便于在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步服務(wù)地升級(jí)。

2 IEEE 1588協(xié)議

IEEE1588協(xié)議的全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議(IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol)”,簡(jiǎn)稱(chēng)PTP(Precision Timing Protocol)。其主要原理,是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性的對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步,可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步[6～10]。

3 協(xié)議

在RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主鐘節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘與主鐘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。如圖1所示。

時(shí)鐘同步協(xié)議主要包括五類(lèi)數(shù)據(jù)幀,分別是時(shí)鐘快速同步幀,時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀,時(shí)鐘偏移計(jì)算幀,線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀,線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀。時(shí)鐘同步方法如下:

時(shí)鐘同步流程如下:

1) RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)將時(shí)間信息(時(shí)間記為T(mén)Z1)通過(guò)時(shí)鐘快速同步幀向所有RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播;

圖1 RS485總線(xiàn)時(shí)鐘同步原理圖

2) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)接收時(shí)鐘快速同步幀,并將本地時(shí)間(時(shí)間記為T(mén)C1)調(diào)整至與時(shí)鐘快速同步幀一致,即TC1=TZ1,實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘粗同步;

3) RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)向所有RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀,并記錄下發(fā)送幀的時(shí)間(時(shí)間記為T(mén)Z2);

5) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)接收時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀,記錄該幀到達(dá)時(shí)間(時(shí)間記為T(mén)C2);

6) RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)將時(shí)間信息TZ2通過(guò)時(shí)鐘偏移計(jì)算幀向所有RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播;

7) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)接收時(shí)鐘偏移計(jì)算幀,存儲(chǔ)該幀時(shí)間信息TZ2;

8) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn),如從鐘節(jié)點(diǎn)1,向RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀,并記錄下發(fā)送該幀的時(shí)間(時(shí)間記為T(mén)C3);

9) RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)接收線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀,記錄該幀到達(dá)時(shí)間(時(shí)間記為T(mén)Z3);

知識(shí)的積累和消化的過(guò)程，也是思想理論創(chuàng)造者生成即成長(zhǎng)的過(guò)程。這種創(chuàng)造能力是在接受、理解和反思已有思想理論的歷程中實(shí)現(xiàn)的，相應(yīng)的人的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是“T”型的。在這里，總體上說(shuō)，人的認(rèn)知的廣度是與認(rèn)知的深度成正比的。知識(shí)的儲(chǔ)備既要有廣度，又要有深度，能夠較好地結(jié)合二者。所以，廣博的知識(shí)、不羈的想象、豐富的經(jīng)驗(yàn)、批判的反思、抽象的概括、邏輯的分析等等，都是要著力加以培養(yǎng)的。打下廣闊而又全面的知識(shí)基礎(chǔ)，將為未來(lái)專(zhuān)業(yè)發(fā)展提供扎實(shí)而又充分的前提。如何處理好這“一橫”“一縱”關(guān)系，形成適當(dāng)?shù)闹R(shí)結(jié)構(gòu)，需要學(xué)者審時(shí)度勢(shì)的智慧。

10) RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)將時(shí)間信息TZ3通過(guò)線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀發(fā)送至RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1;

11) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1接收線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀,存儲(chǔ)該幀時(shí)間信息TZ3;

12) RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1,已知時(shí)間信息TC2、TZ2、TC3,TZ3,則:

TC2=TZ2+Toffset+Tdelay1

(1)

TZ3=TC3-Toffset+Tdelay2

(2)

其中Toffset為RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1與RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差,Tdelay1為RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)至RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1線(xiàn)路延遲,Tdelay2為RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1至RS485總線(xiàn)主鐘節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)路延遲;鑒于在同一RS485總線(xiàn)中,Tdelay1與Tdelay2為近似相同,故:

Toffset=(TC2-TZ2+TC3-TZ3)/2

(3)

其它RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘過(guò)程與RS485總線(xiàn)從鐘節(jié)點(diǎn)1時(shí)鐘同步過(guò)程類(lèi)似。

4 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

4.1 幀結(jié)構(gòu)

時(shí)鐘同步協(xié)議包括的五類(lèi)數(shù)據(jù)幀均采用9字節(jié),其中時(shí)鐘快速同步幀結(jié)構(gòu)定義如表1所示。

表1 時(shí)鐘快速同步幀定義表

其中:EQ[8:1]表明節(jié)點(diǎn)號(hào),主鐘節(jié)點(diǎn)為0xff;FD1為1表明該幀為時(shí)鐘快速同步幀;FD2為1表明該幀為時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀;FD3為1表明該幀為時(shí)鐘偏移計(jì)算幀;FD4為1表明該幀為線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀;FD5為1表明該幀為線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀;TY[8:1]表明2000年以后的年份,取值范圍[0,255],表明年份[2000,2255];TM[8:1]表明月數(shù),取值范圍[1,12];TD[8:1]表明天數(shù),取值范圍[1,31];TH[8:1]表明小時(shí)數(shù),取值范圍[0:23];TM[8:1]表明分鐘數(shù),取值范圍[0:59];TS[8:1]表明秒數(shù),取值范圍[0:59];TMS[8:1]表明10毫秒數(shù),取值范圍[0:100]。

表2 時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀,時(shí)鐘偏移計(jì)算幀,線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀,線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀定義表

其中:EQ[8:1]表明節(jié)點(diǎn)號(hào),主鐘節(jié)點(diǎn)為0xff;FD1為1表明該幀為時(shí)鐘快速同步幀;FD2為1表明該幀為時(shí)鐘偏移計(jì)算參考幀;FD3為1表明該幀為時(shí)鐘偏移計(jì)算幀;FD4為1表明該幀為線(xiàn)路延遲計(jì)算請(qǐng)求幀;FD5為1表明該幀為線(xiàn)路延遲計(jì)算回應(yīng)幀;TD[8:1]表明天數(shù),取值范圍[1,31];TH[8:1]表明小時(shí)數(shù),取值范圍[0:23];TM[8:1]表明分鐘數(shù),取值范圍[0:59];TS[8:1]表明秒數(shù),取值范圍[0:59];TN[32:1]表明一秒以?xún)?nèi)的納秒數(shù),取值范圍[0,1000000000)。

4.2 測(cè)試環(huán)境與結(jié)果

采用三臺(tái)PC機(jī)配置三塊RS485接口卡作為協(xié)議運(yùn)行環(huán)境,采用C語(yǔ)言編程搭建協(xié)議驗(yàn)證環(huán)境。經(jīng)過(guò)測(cè)試,時(shí)鐘同步精度優(yōu)于1ms,驗(yàn)證了協(xié)議正確性和可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在IEEE 1588協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種適用于RS485總線(xiàn)時(shí)鐘同步協(xié)議,定義了五類(lèi)同步幀的幀結(jié)構(gòu),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本協(xié)議的正確性和可行性。

[1] 馮子陵,俞建新.RS485總線(xiàn)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(20):215-218.

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A Time Synchronization Protocol for RS485 Bus

FU Daojun LIU Wei CHEN Yuanbao

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

The RS485 bus is widely used in the field of distributed control. As the precision demand enhanced, the time synchronization of the control system becomes a key technology. Based on the IEEE 1588 protocol, a method is presented for the time synchronization for RS485 bus. This paper defines the main frame structure and the protocol, and the protocol is verified through the test on verification platform.

time synchronization, RS485, IEEE 1588

2014年11月11日,

2014年12月28日

付道俊,男,碩士,工程師,研究方向:艦船測(cè)控技術(shù)。劉巍,男,工程師,研究方向:艦船控制。陳源寶,男,博士,工程師,研究方向:艦船信息。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.026