李經(jīng)松，陳朝暉，黨紀紅，李昊然，董曉剛，李曉鋒

0 引 言

分布式系統(tǒng)的各子系統(tǒng)間系統(tǒng)時間同步技術算法復雜，設計困難，一直以來深受研究領域的關注.實現(xiàn)分布式系統(tǒng)時間同步的設計思路有如下兩種：1)非對稱式時間同步方法，選取某一時鐘精度高，穩(wěn)定、可靠的節(jié)點，以此節(jié)點的時間作為基準，向其他節(jié)點廣播同步；2)對稱式時間同步方法，所有節(jié)點的時間都參與系統(tǒng)的時間同步，每個節(jié)點的時間對于時間同步的作用是一樣的[1].

航天器系統(tǒng)作為一種分布式實時控制系統(tǒng)，任務調(diào)度及控制要求具有實時特性，各個分系統(tǒng)或功能部件的時鐘來源互相獨立，晶振頻率、漂移特性等各不相同.若無時間同步機制，航天器系統(tǒng)不具備一個統(tǒng)一的時間基準，統(tǒng)一協(xié)調(diào)能力將大大降低，直接影響任務執(zhí)行的效果甚至成敗[2].基于1553B總線的航天器系統(tǒng)[3]，鑒于1553B總線的主從式通訊方式，系統(tǒng)通常采取非對稱式時間同步方法，選取某單一精確時鐘源(原子鐘、GPS時鐘)對全系統(tǒng)進行整體時鐘同步[4].本文所涉及的1553B芯片均為DDC公司ACE(advanced communication engine)系列1553B總線協(xié)議芯片[5-7].

1 分布式系統(tǒng)時間同步機制

分布式系統(tǒng)的時間同步是指系統(tǒng)中所有或部分節(jié)點擁有相同的時間基準，時間同步的目的是維護一個全局一致的物理或邏輯時鐘，使得系統(tǒng)中的信息、事件及各節(jié)點與時間有關的行為具備一種全局一致的解釋，確保節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)在時間邏輯上是一致的.下面首先對時鐘模型、時間同步問題的現(xiàn)狀進行闡述.

1.1 時鐘模型

在計算機系統(tǒng)中，時鐘通常用晶體振蕩器脈沖來度量，即

其中：ω(τ)是晶振的頻率；k是依賴于晶振物理特性的常量；t是真實時間變量；c(t)是構造的本地時鐘，間隔c(t)-c(t0)用來作為時間度量.對于理想的時鐘，ω(τ)為常值，但在工程實踐中，因為溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會導致晶振頻率產(chǎn)生波動[8].

1.2 時間同步

由于分布式系統(tǒng)主要基于網(wǎng)絡構建，其通常利用網(wǎng)絡協(xié)議約定網(wǎng)絡中所有節(jié)點的同步機制，在無序的網(wǎng)絡環(huán)境中提供精確和健壯的時間服務，比較有代表性的網(wǎng)絡協(xié)議有網(wǎng)絡時鐘協(xié)議(network time protocol,NTP)、簡單網(wǎng)絡時鐘協(xié)議(simple network time protocol,SNTP)、IEEE1588協(xié)議等，這些時間同步協(xié)議能夠很好地適用于網(wǎng)絡環(huán)境，利用網(wǎng)絡資源來滿足分布式系統(tǒng)的時間同步需求.

2 時間同步設計方法

基于1553B總線的航天器系統(tǒng)，采用軟件實現(xiàn)的時間同步設計方法，根據(jù)同步時間偏移補償?shù)木_程度分為：時間同步粗補償方法、時間同步精補償方法.航天器系統(tǒng)中，時間同步的發(fā)起方(bus controller,BC端)通常具備相對精確的時鐘源，對系統(tǒng)中的其他分系統(tǒng)(remote terminal,RT端)進行時間基準的分發(fā).

2.1 1553B時標功能

1553B芯片具有一套自身的時間基準，即1553B時標.1553B時標功能主要基于1553B芯片內(nèi)部的時標計數(shù)器，時標計數(shù)器與處理器的硬件計數(shù)器功能相同，具有計數(shù)或計時功能，時鐘來源既可以是內(nèi)部時鐘源，也可以是外部時鐘源，具體依據(jù)應用而定.時標計數(shù)器為16位字長的加計數(shù)，表示范圍為0x0000～0xFFFF，翻轉循環(huán)使用；計時分辨率具有粒度粗細多種選擇：2，4，8，16，32和64 μs/LSB(least significant bit).1553B芯片允許軟件通過時標寄存器訪問時標計數(shù)器的內(nèi)容，根據(jù)需要寫入、讀取時標寄存器的值；消息塊時標字自動鎖存記錄消息SOM(start of message)、EOM(end of message)的時刻.下文介紹的時間同步設計方法就是通過對時標分辨率、時標寄存器、消息塊時標字等功能的有效設置來實現(xiàn)的.

2.2 時間同步粗補償方法

時間同步粗補償方法，是指對時間同步消息傳輸時延、處理時延的測算及補償，僅能對RT端自身可觀測因素進行處理，RT端不可觀測因素則假定為理想狀態(tài)，時延不做考慮.此方法同步時間偏移補償?shù)木壬缘?，但能夠滿足當前多數(shù)系統(tǒng)的同步需求.時間同步粗補償過程如表1所示.

表1 時間同步粗補償過程Tab.1 The process of time synchronization’s coarse compensation

表1中，步驟1～3即為RT端不可觀測因素，步驟1、3時延不做考慮，步驟2的時延粗略估算得到；步驟4的時延屬于RT端可觀測因素，能夠通過手段測算得到，傳統(tǒng)的時間偏移測算方式有兩種[9-10]：消息中斷方式、消息查詢方式.

2.2.1 消息中斷方式

Ttran≈(num+1)·20 μs

(1)

Tdrift=(CnCtrl-CnInt)·CycleLSB

(2)

(3)

式(2)中，處理器時鐘計數(shù)器計算變化量時需要考慮計數(shù)器翻轉，CycleLSB為處理器時鐘計數(shù)器分辨率.消息中斷方式的時間偏移測算并非十分準確，由于未考慮系統(tǒng)軟件執(zhí)行中斷上下文切換的時間開銷(最大開銷超過100 μs)，其時間偏移測算精度為100 μs量級.

2.2.2 消息查詢方式

RT端通過周期性堆棧查詢方式接收時間同步消息，對時間同步消息EOM時刻沒有監(jiān)測功能，查詢到時間同步消息后，僅讀取時間同步消息中同步時間為Tsync;堆棧查詢操作退出后，在本控制周期內(nèi)進行時間同步操作，偏移補償后的同步時間計算同式(1)～(3).由于未對RT端時間同步消息處理過程的時延進行測算，則式(2)替換為：Tdrift=0.真實系統(tǒng)中，RT端時間同步消息處理過程時延的漂移范圍為±1個控制周期，此方法的時間偏移測算精度較低，為10 ms或100 ms量級.

2.2.3 改進的消息查詢方式

提出一種改進的消息查詢方式，采用1553B時標功能測算RT端時間同步消息處理過程的時延.RT端1553B芯片具有對所有消息EOM時刻自動鎖存的機制，將時標寄存器實時值進行鎖存并放入消息塊時標字中.借助芯片的這一特性，RT端具備了對時間同步消息EOM時刻準確監(jiān)測的功能，顯著提高傳統(tǒng)消息查詢方式的時間偏移測算精度，精度達到±40 μs，相比消息中斷方式也能取得更優(yōu)的性能.

在每個控制周期起始時刻記錄1553B時標寄存器時標值CntTagCtrl；進行周期性堆棧查詢，若查詢到時間同步消息，讀取時間同步消息中同步時間為Tsync,并從消息塊描述符中讀取EOM時刻的時標字，記為時標值CntTagEOM,偏移補償后的同步時間計算同式(1)～(3)，將式(2)替換為：Tdrift=(CntTagCtrl-CntTagEOM)·TagLSB.其中，時標偏移計算時需要考慮計數(shù)器翻轉，TagLSB為時標分辨率，粒度大小選擇依據(jù)應用需求而定.改進的消息查詢方式，兼有兩種傳統(tǒng)時間偏移測算方式的優(yōu)點，有效提升時間同步粗補償方法的精度.

2.3 時間同步精補償方法

時間同步精補償方法，是指BC端與RT端協(xié)同進行同步時間偏移的測算，由于收發(fā)雙方相互協(xié)同、共同參與，減少或消除了時間同步粗補償方法中的不可觀測因素或不準確因素.

時間同步精補償方法如下：首先，將同一個消息在BC端的EOM時刻與在RT端的EOM時刻近似地認為是物理同一時刻，BC端軟件與RT端軟件分別獲取到相應EOM時刻的時標值；其次，利用BC端與RT端獲取到的時標值進行時標同步[11]；再次，由統(tǒng)一基準后的時標計數(shù)器負責同步時間偏移的測算，將所測算偏移對同步時間做補償.

2.3.1 時標計數(shù)器的同步

在1553B總線物理層傳輸時延可以忽略的前提下，總線上所傳輸消息的“最后一個字奇偶校驗位傳輸結束”時刻(PARITY BIT時刻)，這一物理事件可以被BC端與RT端共同視為同一時刻，此電氣特性能夠很好的作為時間同步的設計依據(jù).由于BC端與RT端芯片不容易獲取到PARITY BIT時刻，則將同一個消息在BC端的EOM時刻與在RT端的EOM時刻近似地認為是PARITY BIT時刻.

EOM時刻至PARITY BIT時刻的誤差修正涉及BC端芯片消息EOM時序與RT端芯片消息EOM時序.根據(jù)ACE芯片手冊，圖1中，BC端消息EOM的時標記錄時刻(寫TIME TAG WORD)落后PARITY BIT時刻10 μs左右；圖2中，RT端消息EOM的時標記錄時刻(寫TIME TAG WORD)落后PARITY BIT時刻大約5 μs左右.

綜合分析，整個EOM時刻至PARITY BIT時刻的時間偏移約為5 μs，誤差可以忽略.

時標計數(shù)器的同步時序如圖3所示.首先，BC端發(fā)送消息a，BC端與RT端分別鎖存了消息a的EOM時刻的時標值，分別為tagBc0、tagRt0;其次，BC端發(fā)送消息b，將BC端鎖存的時標值tagBc0發(fā)送給RT端，RT端收到消息b，計算BC端與RT端對應消息a的EOM時刻的時標值之差Δtag=tagBc0-tagRt0;最終，將RT端時標計數(shù)器的值tagRt同步至BC端時標計數(shù)器的值tagBc，則RT端同步后的時標計數(shù)器tagRt=tagBc=tagRt+Δtag.其中，BC端與RT端的時標分辨率應設置為一致.

圖1 BC端芯片消息EOM時序Fig.1 The time sequence of message’EOM at bus controller

圖2 RT端芯片消息EOM時序Fig.2 The time sequence of message’EOM at remote terminal

圖3 時標計數(shù)器同步時序圖Fig.3 The time sequence of time tagcounter’s synchronization

時標計數(shù)器實現(xiàn)同步之后，BC端任何事件的發(fā)生都可以標記時標戳，此時標戳在RT端具有相同的時間表述含義，如此顯著提高了系統(tǒng)間的事務同步能力.

2.3.2 時間偏移的測算及補償

Tdrift=(CntTagCtrl-CntTagSync)·TagLSB

(4)

(5)

式(4)中，時標偏移計算時需要考慮計數(shù)器翻轉，TagLSB為時標分辨率，粒度大小選擇依據(jù)應用需求而定.時間同步精補償相較時間同步粗補償，由于同步方與被同步方共同參與同步時間偏移的測算，減少或消除了不可觀測因素，同步精度真正達到±20 μs.

3 實驗驗證

為了驗證所設計同步方法的有效性，利用兩臺配備1553B通信芯片的嵌入式系統(tǒng)A、B以及通用測試PC環(huán)境，來模擬基于1553B總線的航天器系統(tǒng)中系統(tǒng)間的同步過程，對本文上述三種時間同步方式的效果進行實驗驗證.系統(tǒng)A，控制周期500 ms，系統(tǒng)B，控制周期200 ms；系統(tǒng)A作為BC端，每5 s向系統(tǒng)B發(fā)起一次同步操作(發(fā)送時刻固定)，系統(tǒng)B每200 ms進行一次堆棧查詢操作，二者進行200次同步操作實驗，驗證結果如下.

3.1 消息查詢方式的實驗驗證

系統(tǒng)B不對時間同步消息處理過程的時間偏移進行測算及補償.系統(tǒng)B的同步時間與真實時間偏差，實驗結果如圖4所示.

圖4 消息查詢方式的同步時間偏移實驗結果Fig.4 The experimental result of synchronous time migration by message polling method

實驗結果表明，傳統(tǒng)的消息查詢方式同步時間偏移幅度很大，精度在100 ms量級.

3.2 改進消息查詢方式的實驗驗證

系統(tǒng)B采用1553B時標功能對時間同步消息處理過程的時間偏移進行測算及補償，系統(tǒng)B時標分辨率設置為8 μs.系統(tǒng)B的同步時間與真實時間偏差，實驗結果如圖5所示.

圖5 改進消息查詢方式的同步時間偏移實驗結果Fig.5 The experimental result of synchronous time migration by modified message polling method

實驗結果表明，改進的消息查詢方式，由于采用1553B時標功能進行時間偏移的測算補償，使得時間同步精度相較傳統(tǒng)消息查詢方式提升3個量級，精度達到10 μs量級.

3.3 時間同步精補償方法的實驗驗證

系統(tǒng)A與系統(tǒng)B采用1553B時標功能對時間偏移進行協(xié)同測算及補償，二者時標分辨率都設置為8 μs，系統(tǒng)A、B兩方共同補償后的同步時間與真實時間偏差，實驗結果如圖6所示.

圖6 時間同步精補償方法的同步時間偏移實驗結果Fig.6 The experimental result of synchronous time migration by time synchronization’s refined compensation method

實驗結果表明，采用1553B時標功能實現(xiàn)的時間同步精補償方法，測算的時間偏移消除了不可觀測因素，使得系統(tǒng)時間同步精度真正達到10 μs量級.

4 結 論

本文介紹了基于1553B總線的航天器系統(tǒng)傳統(tǒng)時間同步機制，提出一種低系統(tǒng)開銷、高精度的時間同步設計方法，該方法采用1553B總線時標功能來提高同步時間偏移測算及補償精度.其中，BC端與RT端協(xié)同實現(xiàn)的時間同步精補償方法，相較傳統(tǒng)時間同步方法，同步精度真正達到了10 μs量級.本設計方法顯著提高了系統(tǒng)的同步精度，能夠滿足大多數(shù)航天器系統(tǒng)的應用需求.