分布式控制系统的时钟同步研究

同步是时标或信号在频率和相位上保持某种严格的特定关系。时钟是由产生基准频率的信号发生器中的某种频率源以及相配套的输入、输出接口和控制电路等所组成的一整套具有特定同步时钟功能的综合体，在通信系统中控制定时的时间基准设备，并不是指日常生活中使用的钟表。 时钟同步是分布式系统的核心技术之一，其目的是维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，以使系统中的消息、事件及各节点与时间有关的行为有一个全局一致的解释，以确保节点发送和接收消息在时间逻辑上是完全正确的。在分布式系统中，不同的节点需要精度统一的时钟，由于没有全局的系统节拍，就很难获得精确的时钟同步，CAN总线作为一种典型的分布式控制系统具有实时性高的特点，其系统中实时数据传输的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，还与计算结果产生的时间有关。为了满足CAN总线消息传输的实时性与可预测性，需要根据实际系统的要求选定恰当的时间调度算法，但是由于CAN总线是基于事件触发机制的多主系统，而且最大宽带只有1Mb/s，所以在研究“后期协商”时钟同步算法的基础上，将这种同步算法应用于CAN总线，并且设计了一种改进的容错性“后期协商”同步算法，使其不但可以有效利用CAN总线自身的优点，而且充分利用带宽资源。 1 CAN总线的相关特性 2 时钟特性 由于物理时钟存在非零的漂移率，如果没有精确的外部时钟元，就不能保证时钟同步中的精确度av，为了克服时钟漂移，全网节点中的所有虚拟时钟必须进行周期性的重同步，以保证具有一定的时钟精确度。因此所研究的基于CAN总线的时钟同步机制必须满足以下两个条件：①必须可以产生周期性的重同步时间，连续两次同步的时间间隔称为重同步周期，由T表示；②为网络中的每个节点提供相应的数值来调节虚拟时钟，使其满足时钟精度的要求。 3 后期协商同步算法 该算法的时钟同步过程是首先网络中所有节点在某个预置启动时间内传输同步消息，成 功接收该消息的所有节点则重新启动虚拟时钟。由于网络可能出现错误，造成部分同步消息 不能被所有节点成功接收，所以由同步消息触发的虚拟时钟仅仅作为时钟主节点的候选节 点，直到所有节点达成协商，以取得最好时钟精确度为协商标准，最终确定时钟主节点。因 为是在候选虚拟时钟已经开始计时后才开始进行协商，所以被称为“后期协商”时钟同步算 法。通过该算法所取得的时钟同步精度可以表示为： 修正算法由时钟同步算法和CAN总线中特定的协商协议组成，只需要在两个阶段进行 消息的互换。提供了更高的时钟精确度，而且。在第一个阶段需要传输大量的消息，通过分 析可以知道该时钟同步算法需要传输的消息数为n(n＋1)(n表示网络中的节点数目)。第二阶 段是所有节点进行协商选择作为下一次同步的时钟主节点。 该算法完全是分布式实现，为了达到容错的目的，不再在总线中指定时钟主节点，这样 可以避免单点失效，网络中的所有节点均可以发送“同步”消息，最终通过协商选择具有最 高时钟精确度与最好时钟准确度的节点成为下一次重同步的时钟主节点。图1为该算法的流 程图。 4 实验部分 在采用容错性“后期协商”同步算法时，时钟精确度与总线波特率以及重同步之间关系 的实验采用如下方案： 1) 建立一个由一个时间主节点和3和从节点组成的CAN总线网络，4个节点均以单片机的定时器作为本节点的时钟基准。 图1 “后期协商”同步算法流程图 2) 时间主节点以一定的波特率每隔一个基本周期发出一个同步帧给网络上的各个从节点，并通过单片机的定时器实现，因为在单片机的后台程序循环中没有其他任务，因此可以认为同步帧的发送是等间隔的。 3) 各个从节点接收到同步帧后纪录当时定时器的值并存储到指定存储空间，每相邻两个值的差即为该节点的一个基本周期的长度。然后随机取10个基本周期的值，然后分别与主节点的基本周期相减取差值，再求该10个值的平均值取整作为该从节点在特定波特率和特定。基本周期下的偏差，用同样的方法将所有节点的偏差取平均值取整后作为相应的波特率和基本周期下的从节点的偏差。时钟精确度与网络波特率以及重同步周期试验数据如表2所示。 5 结束语 从实验数据可以看出：当随着重同步周期的增加，其时钟同步的偏差越大，由实验方案可以知道重同步周期的长度即为时钟同步的周期，其周期越小，说明时钟同步的频率越大，则可以取得更小的时钟同步偏差，但是时钟同步的频率不可以无限小，否则会造成时钟同步的额外开销增大，影响网络中其他消息的传输。并且当随着总线波特率的增加，其时钟偏差逐渐减小，这是因为波特率越大，则同步消息在总线上传输造成的节点之间的总线延时会进一步减小，造成了时钟同步偏差的减小。基于上述实验数据可以为重同步周期与总线波特率的设定奠定基础。