分布式数据采集系统中的时钟同步[图]
分布式系统 时钟同步52页PPT

➢ 服务器主动定期询问每台机器的时间 ➢ 服务器基于客户的回答,告知它们拨快或者拨 慢时间
时钟同步算法:Berkeley算法
实现方法
时间守卫程序
a)
b)
a) 时间守卫程序向所有 其他机器询问时钟值
b) 其他机器做出应答 c) 时间守卫程序通知每
台机器如何调整他们 的时钟
c)
时钟同步算法:Berkeley算法
时钟同步算法
• 系统基础模型
时钟同步算法
•
系统基础模型
时钟同步算法
时钟同步算法
1. Cristian算法 2. Berkeley算法 3. 平均值算法
时钟同步算法:Cristian 算法
基本思想
➢一台机器设为时间服务器(带有卫星接收器) ➢其他的每一台机器周期性地向时间服务器发送 请求消息已获得当前标准时间。 ➢时间服务器在短时间内将包含当前时间的消息 发送给请求时间机器。
SUMMER TEMPLATE
分布式系统 时钟同步
同步
寇迦南
1.时钟同步
引入 时钟同步
例子:UNIX中make程序的调用问题。
引入 时钟同步
例子:UNIX中make程序的调用问题 Make程序的作用是什么?
➢ 可以自动完成对源文件的编译。
引入 时钟同步
UNIX系统会把较大的程序分成多个源程序,当 一个源文件发生变化时(比如被修改后),只 需编译一个文件即可,不需要对所有的文件进 行编译。
input.c必须被5重151新编译。5155 t
input.o
input.c
引入 时钟同步
例如:如果源文件output.c的修改时间为5144且 对应目标文件output.o的修改时间为5145,那么, 不需要对output.c进行重新编译。
分布式数据采集系统时间同步研究

分布式数据采集系统时间同步研究文永康;文菠;齐永龙【摘要】随着网络技术的飞速发展,分布式应用系统的规模越来越大,网络中各远距离节点间的时间同步性要求越来越高;这种高同步性要求在诸如分布式数据采集和测试测量系统中尤为重要.IEEE 1588——精确时间协议(PTP,Precision Time Protocol)为此提供了一个很好的解决方案,它是一种主要基于以太网的精确时钟同步技术,其同步成本低、精度高、协议开放,广泛应用于各种通信、测试测量设备;文章着重介绍了如何在分布式数据采集系统中实现IEEE 1588 PTP协议,其实现原理可应用到其它类似基于IEEE 1588 PTP协议的分布式应用中;采用此方法构建的分布式数据采集系统同步精度达到了纳秒级.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2014(022)004【总页数】3页(P1273-1275)【关键词】分布式系统;数据采集;IEEE1588;时间同步【作者】文永康;文菠;齐永龙【作者单位】成都天奥测控技术有限公司,成都611731;成都天奥测控技术有限公司,成都611731;成都天奥测控技术有限公司,成都611731【正文语种】中文【中图分类】TP2740 引言分布式测试系统是计算机技术、网络技术与自动测试技术的结合体。
在分布式测试系统中,各个设备节点(从节点)通过有线或无线的方式与中央处理器(主节点)进行通信,实现统一的控制与数据的集中处理。
为了保证主从节点交互信息的实时性,网络中所有节点时钟需要保持同步。
分布式测试系统中的各个测试节点区域分散,同时每个测试节点具有独立的时钟,由于受到时钟特性与工作环境的影响,各测试节点时钟不同步。
特别是采用低成本时钟的分布式测试系统,节点时钟精度与稳定度低,各测试节点的时钟之间存在较大的时钟偏差。
因此,分布式测试系统的时钟网络需要进行时钟同步,以保证各个设备节点通信的实时性以及测量数据的正确性[1]。
基于LabVIEW的分布式数据采集系统时钟同步方法

j
当设备接入 网络时 ,按照 P r I ’ P 协议 ,主时钟将
一
钟 与 主时 钟保 持 同步 。为 了确 定 网络 延 时 ,从 属 时
个 同步 消息 向所 有从 属 时钟 发送 .并 创建 一 个 内
钟会向主时钟发送一个延时请求消息 。并创建一个 时间标 签 。主 时钟监测到延 时请求消息 的到达时 间,然后将此信息以一个延时响应消息发送 回从属 时钟 ,这两个时间标签之 间的时间差代 表了网络传
完成。
I连续采样 } _ —] I 背板 1 0 M 时钟
l 定时
塞 墨: 竺: 苎
参考时钟 源
开 始
任务
采 样 时 钟f l F i o 0 0 0 ( ) 0 ( ) } — - f _ —
图 2 功 能 板 卡 时钟 同步 设 置 程序 框 图
长期稳定性 ,由各个采集单元 的 P X I 一 6 6 8 3 时钟 同 步卡来完成同步的工作 。
系统采 用 独立 组 网方式 。网络 拓扑 结构 采 用 星
型网络结构。系统 中的数据采集单元成为星形 网络
时钟 源 优 先级 数 值
L 1 同步 r _ — _ 1 参考 旧 同 步属性结点 墨l [ _西 _ : 二
从属时钟都知道主时钟发送同步信息及该消息到达
的时 间 ,这个 时 间差 可使 每个 从属 时钟 将其 内部 时
此 选用 N I 公 司的 P X I 一 6 6 8 3定 时和 同步模 块 。P X I 一 6 6 8 3模 块 可 用 于 同步 和实 时 的 系统 时 间 ,还 能 够 在一台 P X I 机 箱 内部 或 多 台机箱 之 间低偏 移 路 由时
链路分布式数据采集系统中时问同步技术研究

u n
e
l
o n
f ig ) # i
a c e
f i g )#i
f ig
.
n
t
e r
f
a c e
de
s
t i na t i on
19 2 16 8 . 1l / 2
19 2 16 8 2 1
o n
隧道 另 头
(
c o n
.
.
—
R3 ( c f ig
-
f ig
—
i f ) #t
.
u n n e
l
o n
其 中,n ; k发送 的第 n 个数 据包 , ) C + 一 , t =Oe 对于 反 向链路 的优 化 目 为 : 标 m n a u e ( —t +( J me s r + O ) M 一P 约束 条件 为
(~ ) 18
可 见 , 时时延 的真 实值 为 即为r s l=dt, 测量 得到 的 此 eu tt 则 - 值 为
T t ( )可 以写成
端到 端时 延实 际上 是 由节 点时延 和链 路 时延 组成 的 ,具体 分 为 四个部 分 : 据包 在链 路上 的传 播 时延t、传 输时 延t、在 节点 数
上 的处理 时延 t以及在 缓冲 区 中的排 除 时延t, 则端到 端 的时 延为 r sl= M T,其 中T T eu tT + 。 T,近似 为常 量 ,t=/ b 该段 : o lb(为 链路 的带 宽值 ),M 分组 长度 。 为 由 ( )、 ( )两式 可 以看 出,要 确定 出单 向时延 就必 卜4 卜5 须 估计 出参 数 和 ,S eBM o等 人 的研究 表 明,从 计算 复杂 u .o n 度 、稳 健性 和有 效性 等方 面考 虑 ,线性 规划 的方 法 具有 明显 的优 越 性 。SnB M o 的方法 能估 计 出两个 时钟 的频 差 ,但 是消 除不 u .o n 了两个 时钟 的初 始相 位差 ,这 里对 该 方法 做 了进 一 步 的发展 。利 用 前 向和 反 向两 个单 向测 量可 以估计 出消 除收 发 时钟 频 差和 初始 偏 差 的端 到端 的时 延 。对 于前 向链 路 : 优 化 目标 为 : m n1 ) e srn 一m + i(/ m a ue一 M (— ) 16
VSAT数据采集处理系统中的时间同步技术

VSAT数据采集处理系统中的时间同步技术李伟超1,2 李志刚1 杨旭海 1(1.中科院国家授时中心,陕西西安,710600;2.中国科学院研究生院 北京100039;)摘要:本文介绍了在Windows 2000平台下,VSAT数据采集处理系统中相关的时间同步技术。
结合GPS和原子钟实现系统级的时间同步和装置级时钟的同步,并在此基础上实现了时戳的同步处理及线程的时间同步。
关键字:时间同步; VSAT; 数据采集中图法分类号:TP274文献标识码:ATechnology Of Time Synchronization In VSAT Data Collection And ProcessingLi Weichao 1,2 Li Zhigang1 Yang Xuhai(1.National Time Service Center ,Chinese Academy of Sciences ,Xi’an Shanxi 710600,China)(2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039 ,China)Abstract: The paper introduces the technology of time synchronization in VSAT data collection and processing based on windows 2000. The time synchronization in the system levele and the clock synchronization in the device level are realized by using GPS and atomic clock,and on this condition the time stamp synchronization and the threads time synchronization are realized. Keywords:time synchronization; VSAT; data collection时间同步是计算机应用系统的一个最基本要求,集中式系统的时间无二义性,而分布式系统本身却没有标准的时间统一系统或共同的时间基准[1~2],所以必须建立分布式系统的时间统一系统。
分布式系统中的时钟同步新方法

分布式系统中的时钟同步新方法∗李滚;牛梦洁;柴阳顺;陈鑫;仁艳秋【摘要】Time synchronization plays an important role in application of aircraft flying formation and constellation autonomous navigation, etc. In application of clock synchronization in the network system, it is not always true that each observed node may be interconnected, therefore, it isdifficult to achieve time synchronization of net-work system with high precision in the condition that a certain node can only obtain the measurement information of clock from one of its corresponding neighbors, and cannot obtain from other nodes. According to this special problem, a novel method of high precision time synchronization of network system has been proposed. In this paper, we regard each clock as a node in the network system, and based on different distributed topology definition, the following three control algorithms of time synchronization un-der three circumstances have been designed: without a master clock (reference clock), with a master clock (reference clock), and with a fixed communication delay in the network system. The validity of the designed clock synchronization protocol has been proved both theoretically and through numerical simulation.%时间同步技术广泛应用于飞行器编队以及星座自主导航等方面。
分布式数据采集与监控系统的时间同步及其软件编程

分布式数据采集与监控系统的时间同步及其软件编程【摘要】随着通信技术的发展,时间同步技术获得了明显进步。
时间同步技术应用十分广泛。
在通信技术中分布式数据采集是经常要用到的方法。
本文将重点探讨时间同步技术在分布式数据采集与监控系统中的应用。
【关键词】分布式;数据采集;监控系统;时间同步;软件编程时间同步技术是通信技术中一种专门用于数据传输的技术,时间同步技术应用十分广泛。
时间同步技术在数据传输过程中可以实现通信系统的可靠稳定迅速运行。
它主要运用于工程和技术领域。
时间同步技术是基于同步数据采集原理产生的。
它在分布式数据采集与监控系统中应用非常广泛。
分布式数据采集与监控系统是专门用来对数据进行分布式采集并予以全方位监控。
在分布式数据采集监控系统中时间同步技术是其核心技术。
时间同步技术在系统中的应用是系统功能正常发挥的前提。
时间同步步技术直接关系到系统的整体性能。
在分布式数据采集与监控系统中对时间同步技术的要求非常高,系统的正常运行要求分布式技术达到以下几个要求:一是对随机事件或者是突发事件的精确确标记;二是对实时数据高要求的满足。
在分布式数据采集与监控系统中,包含着大量的实时数据,这些实时数据是专门用来事故追记的。
它们自身的时序逻辑对时间同步技术有较高的要求;三是对系统中的任务进行调度,在多任务的前提下满足分辨率要求。
时间同步技术在分布式数据采集与监控系统中的应用主要是通过软件编程来实现的,加强对时间同步技术的软件编程的研究,有助于满足系统的高要求,从而提升系统的整体性能。
本文将先介绍数据同步原理,而后详细论述时间同步技术的软件编程。
一、时间同步原理我们要实现时间同步技术在系统中的应用就必须要掌握时间同步原理。
只要充分把握了时间同步原理后才能真正地提升系统性能。
在分布式数据采集与监控系统中,时间同步主要有两种时间信号:一是同步脉冲信号,二是时间码信号。
这两种信号应用范围不同,时间码信号一般应用于系统时间同步中,而同步脉冲信号一般用于装置时钟同步。
6.基于 GPS 技术实现分布式数据同步采集系统

造成干扰,不得而知。而其它 2 种 GPS 技术,在时钟信号的传输上都采用卫 星无线发送,极少极少会受到信号干 扰,唯一需要担心的是信号接收天线 的维护。 3) 成本对比
图1 桥梁健康监测系统的预警监测图
3. GPS IRIG-B 时钟同步技术:
该技术与 GPS PPS 技术极为相似, 都是通过 GPS 接收器接收 GPS 同步信 号,做相应的处理并发送给采集设备 做采集同步,和GPS PPS所不同的是 IRIG-B 时钟同步 信号中含有绝对 时 间,需要由PXI-6608来接收该信号, 并将其解析为可用的时间戳。
4. 三种时钟同步技术ห้องสมุดไป่ตู้比较:
1) 适用性 机箱同步技术由于电缆的局限
性,距离过长会导致信号衰减,很难 做到公里级数的时钟同步采集,所以 在本系统中无法适用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技术都采用卫星来作为同步时 钟信号传输的载体,可以做到无地域 限制的同步采集,符合本系统的同步 需求。 2) 准确性
机箱同步技术由于无需额外的 GPS信号接收设备,所以成本最低。GPS IRIG-B 技术不仅需要额外采用相对昂 贵的 PXI-6608,还须包括 GPS IRIG-B 信号接收器的成本。而 GPS PPS 可以 把 PXI-6608 换成便宜的 PXI-6602, PXI-6653 换成 PXI-6652,并且 GPS PPS 信 号 接 收 器 的 成 本 远 远 低 于 GPS IRIG-B。 三.GPS PPS 时钟同步技术的系统组 成
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
分布式数据采集系统中的时钟同步[图]在高速数据传输的分布式数据采集系统中,各个组成单元间的时钟同步是保证系统正常工作的关键。
由于系统工作于局域网,于是借鉴了IEEE1588时钟同步协议的原理,设计出简易、高效的时钟同步方案,并在基于局域网的分布式数据采集系统中实现微秒级的精确同步。
鉴于方案的高可行性和高效性,可将其推广到其他分布式局域网系统中。
引言随着网络技术的发展,各种分布式的网络和局域网都得到了广泛的应用[1]。
分布式数据采集系统广泛应用于船舶、飞机等采集数据多、实时性要求较高的地方。
同步采集是这类分布式数据采集系统的一个重要要求,数据采集的实时性、准确性和系统的高效性都要求系统能进行实时数据通信。
因此,分布式数据采集系统中的一个关键技术就是实现数据的同步传输。
由于产生时钟的晶振具有频率漂移的特性,故对于具有多个采集终端的分布式系统,如果仅仅在系统启动时进行一次同步,数据的同步传输将会随着系统运行时间的增长而失步。
因此时钟的同步就是保证数据同步传输的关键所在。
2002年提出的IEEE1588标准旨在解决网络的时钟同步问题。
它制定了将分散在测量和控制系统内的分离节点上独立运行的时钟,同步到一个高精度和高准确度时钟上的协议。
由于分布式数据采集系统工作于局域网的环境中,于是借鉴IEEE1588标准中的思想,设计出一种针对基于局域网的分布式系统的时钟同步的机制,成功地在分布式数据采集系统中实现了μs级的同步。
1 时钟同步原理及实现时钟同步原理借鉴了IEEE1588协议中的同步原理。
IEEE1588 定义了一个在工业自动化系统中的精确同步时钟协议(PTP 协议),该协议与网络交流、本地计算和分配对象有关。
IEEE1588 时钟协议规定,在进行时钟同步时,先由主设备通过多播形式发出时钟同步报文,所有与主设备在同一个域中的设备都将收到该同步报文。
从设备收到同步报文后,根据同步报文中的时间戳和主时钟到从时钟的线路延时计算出与主时钟的偏差,对本地的时钟进行调整[2]。
系统由各个单元的系统控制板(简称“系统板”)来完成同步的工作。
同步模型与IEEE1588时钟协议一致,采用主从结构。
主从单元采用相同频率的晶振,此时时钟同步的关键就是解决时钟相位对准问题和时钟漂移的问题。
系统中采用的时间同步算法,是借鉴IEEE1588的同步原理,主要是采用约定固定周期同步的算法。
和IEEE1588同步算法一样,同步过程分为两个阶段: 延迟测量阶段和偏移测量阶段。
下面以一主一从模式为例介绍其原理。
1.1 延迟测量延迟测量阶段用来测量网络传输造成的延迟时间[3]。
定义一个延迟请求信息包(Delay Request Packet) ,简称“Delay_Req”。
延迟测量示意图。
图1 延迟测量示意图为了简化程序,采用固定的周期测量网络延迟,一般系统每工作一个小时进行一次测量。
从属时钟TSd 时刻发出延迟请求信息包Delay_Req ,主时钟收到Delay_ Req 后再立刻返回一个延时响应包delay_back发送给从属时钟,因此从属时钟就可以非常准确地计算出网络延时:TM2 →TS2∶Delay1 = TS2-Offset-TM2 TS3 →TM3∶Delay2 = TM3-(TS3 - Offset) 其中的Offset为从时钟与主时钟之间的时间偏差。
因为网络延迟时间是对称相等的,所以:Delay =(Delay1 + Delay2)/2=((TS2-TM2)+(TM3-TS3))/2需要说明的是,在这个测量过程中,假设传输介质是对称均匀的,且线路是对称的[4]。
1.2 时钟修正时钟修正用来修正主时钟和从属时钟的时间差。
在这个时间修正过程中,IEEE1588中主时钟周期性地发出一个确定的同步信息包(Sync) (一般为每2秒1次) ,它包含一个时间印章(time stamp) ,精确地描述了数据包的发出时刻[3]。
本案采用的简单同步模式,主要就是约定了同步修正包的发出时刻,整秒时刻,系统会在整秒时刻不做其他工作,这样就可以省掉IEEE1588中用于发送同步包预计发包时间的同步跟随包。
假设同步前主时钟的时间为发出时钟Tm1=2 000 s,而从属时钟的接收时间为Ts1=2 001 s。
如果主从时钟是同步的,则同步的接收时钟是:Tm1+Delay=2 000+0.5=2 000.5。
只需将时钟调整为2 000.5,即Ts′=Tm1+Delay。
简易时钟同步的关键就在此。
同步包内可包含主端发出的时刻。
从端收到后,即可与测得的Delay相加为自己的该时刻时钟。
这里要说明的是:① 上式中的Delay 就是主时钟与从属时钟之间的传输延迟时间,从上面的延迟测量阶段得到。
② 如果收到的同步包信息出错,从单元可以根据自己的时刻,依据临近取整原则推知主端发出的整秒时刻时间,与接收包进行对比。
因为时间偏移一般都在μs级,如果误差太大,则舍弃该包。
1.3 同步实现,从端发出延迟统计包,主端反馈后,从端求得Delay。
在每个整秒左右时刻收到同步包后,进行时钟修正,即从属时钟与主时钟实现了精确同步[5]。
2 分布式数据采集系统简介分布式数据采集系统属于局域网构架,单元间通过网络进行数据交互,由集线器和微采集系统组成,每个微采集器成为一个独立“单元”。
可以支持一主多从的分布式模型:设置其中一个微采集系统作为主单元,其他的作为从单元。
分布数据采集系统结构框图。
各个单元的设计完全相同,均由一个系统控制板和多个功能板构成。
系统控制板是采集器的核心,它控制着单元内的各个功能卡的配置和单元内的数据传输,同时保持与外部通信。
功能板用以实现A/D、FIFO处理等功能,用于数据采集和传送。
各个单元中的所有板卡皆采用独立时钟。
此分布式采集系统中各个单元构成一个星形网。
系统控制板成为星形网络中的节点,节点间用网线相连。
系统符合协议IEEE802.3、CSMA/CD标准,可以与标准的以太网完美兼容。
3 基于FPGA的实现3.1 分布式系统中各个单元的体系结构由于FPGA开发灵活,精度上能达到系统要求,开发周期短,且成本低。
系统中各个系统控制板采用FPGA技术,即采用微控制器及其对应的外设接口和相应的软件来实现[6]。
利用Nios II处理体系,将系统划分为各个功能模块,并考虑到系统所需的资源和生成代码的大小。
设计的系统由以下几部分组成:Altera的Cyclone系列芯片,包括嵌入Nios II软核、系统定时器、同步时钟定时器、DM9000A以及Avalon总线等设计。
网络接口芯片DM9000A实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能。
系统采用无链接的UDP通信,且采用多个定时器,用于时钟同步和工作周期的制定。
图2 同步过程图3 分布数据采集系统结构框图3.2 具体软件设计流程同步定时器每秒钟产生一次中断。
作为同步时钟,另一个定时器将一个同步周期划分为几个等时段,为工作周期。
主从单元通过网络互相交换数据,在每一个系统周期内将各自的数据发送到网络中。
为了预防发送时刻点的冲突,在配置信息中注明每个周期该单元的发送时刻。
系统有以下几种状态:初始状态、预同步状态、实时工作状态。
① 初始状态:分布式系统上电后,主从单元进入初始状态对各项参数进行初始化,注册timer中断和网络中断等。
初始化后进入预同步状态。
② 预同步状态:主要是每小时进行一次网络延时的测量,然后从端会将自己与主端的一次传输时延保存起来。
③ 实时工作状态:预同步完毕后各单元进入实时工作状态。
一小时后又再次进入预同步状态。
实时工作状态将处理多个线程。
(1)同步线程① 主单元,将同步timer的周期置为1 s的同步约定周期,即每1 s产生1次中断。
主单元会在每秒到来时刻(中断),发出同步包(syns)。
② 从端在接收到同步包后,调整定时器时钟为同步包内时刻与时延之和。
(2)数据传输线程系统在避开同步阶段的时刻进行实时数据的传输,主要是根据系统对各个工作周期的划定。
(3)数据采集和处理线程由系统中各单元的各自任务来决定,不占用网络。
对传感器采集数据进行处理,同时也处理网络传送来的数据。
4 同步测试在系统的实时工作状态下,验证其同步效果。
由于同步定时器产生的脉冲为一个系统时钟宽度(32 MHz),不便于观察。
为了便于演示,主从端都在定时器产生的同步时钟上升沿到达时将同步信号置1,主单元在发送完同步包后将同步信号置0;从单元则在收到同步包后将同步信号置0。
这样得到的信号与定时器产生的同步时钟是同频的,只是放宽了脉冲宽度。
同步效果。
图4 同步效果图4(a)中,每个栅格为500 ms;图4(b)将其放大1 000倍,每栅格为500 μs。
每幅图中,上面的1通道为主单元同步信号,下面的2通道为从单元同步信号。
由图4(a)可见,同步时钟周期为1 024 ms。
由于从单元是在收到同步包后,将信号置0,必定滞后于主单元发送同步包时刻(主端将同步信号置0时刻),从图4(b)中可见,从单元脉冲宽度比主单元宽,因此只需比对同步信号的上升沿。
图4(b)是将图像保持时间置为无限,信号上升沿处阴影表示运行时间以来的偏移情况。
测试时间为24 h(小时),测量阴影的长度Δx=20 μs(上升沿偏移),即为同步效果最大的同步偏差可以控制在20 μs以内。
5 结论由于系统工作于局域网,借鉴IEEE1588协议思想,提出并实现了简易时钟同步的设想;占用资源少,精度高,可行性高。
验证是在实时工作状态下测试的,并将同步偏差控制在20 μs,满足时钟同步的要求;同时,以FPGA技术为载体,软件开发平台为Nios II,易于系统移植和功能扩展。
鉴于方案的高效和高可行性,可以进一步推广到其他分布式局域网的应用系统中。