一种无线网络设备间时钟同步的方法技术

本发明专利技术提供一种无线网络设备间时钟同步的方法，包括以下步骤：一、时钟源设备与至少一个时钟从设备网络互连；二、时钟源设备获得基准时钟，时钟从设备获得未经同步的基准时钟；三、时钟源设备与时钟从设备之间通过时钟同步帧进行时钟信息的交互；四、时钟源设备将包括基准时钟频率和相位的信息传输到时钟从设备，时钟从设备中的CPU处理器计算出时钟源设备的基准时钟，并根据基准时钟来校正自身的基准时钟；通过以上步骤实现无线网络设备间的时钟同步。同步的基准时钟可以用于CPU的系统任务同步调度、同步控制指令执行、外部信号高精度同步测量、高速移动物的同步测量，满足基本的无线任务调度，满足超低功耗应用中设备的同步唤醒任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线网络领域，特别是一种无线网络设备间时钟同步的方法。
技术介绍
无线自组网、无线传感器网络因其简单可靠、部署方便、成本低廉等优点在物联网、智能工业、智能交通、智慧城市和智能家居领域中得到越来越广泛的应用。目前市面上存在的无线自组网、无线传感器网络大部分是一种非同步通讯网络，各个设备节点采用各自独立的晶振和系统时钟运行无线网络协议，并且采用主从问答的方式进行信息交互、指令传输，这些非同步无线通讯设备由于硬件晶振偏差，温度飘移、传输延迟误差等多种因素，无法保证无线网络中设备节点间的同步信息采集和同步动作执行；而在某些应用环境中，对于信息的同步采集和动作同步执行至关重要，这些非同步无线通讯设备则无法胜任这些工作。目前市面上存在采用无线令牌技术设计的无线网络，这种无线网络只能在令牌命令能够达到的无线空域内实现设备间的同步，不能实现无线网络多级级联的设备间同步，且同步精度依赖于设备节点各自独立的晶振和系统时钟，同步精度不高且误差大；随着温度的变化和运行时间延长，各个设备节点的晶振频率会出现偏移，导致同步误差会进一步加大。在无线自组网、无线传感器网络领域存在较多的无线时钟同步技术，但这些无线时钟同步技术要么实现过程复杂、要么对无线网络设备的硬件有特殊要求、要么受软件操作延迟影响导致时钟同步精度不够高，这些无线时钟同步技术难以在无线自组网、无线传感器网络、低功耗无线网络领域得到很好的应用。当前很多无线联网的应用中，为了进行设备节点的时钟同步，会采用传统的NTP、SNTP协议进行时间同步，该同步方式虽然实现简单，但其仅能实现点对点设备的时间同步，仅能用于日历时间的同步，不能实现系统时钟的频率和相位同步，受无线传输多径干扰严重，同步精度较低；对于同步精度较高的应用环境，通常会在每个设备上增加GPS时钟同步硬件实现高精度的时钟同步，该同步方式虽然同步精度高，但需要增加昂贵的GPS时钟同步硬件，且对CPU处理器有较高的要求。电池供电的低功耗无线自组网、无线传感器网络设备的应用环境中，无线设备进入休眠需要配置一个统一的休眠时钟，若休眠时钟不同步，会造成部分设备被唤醒，部分设备还处于休眠状态，如此情况下进行无线通讯，会造成部分设备无法接收通讯指令的问题；若过长保持设备的唤醒状态，则又会增大设备的耗电量，减少电池供电设备的继航时间，如果增加昂贵的时钟同步芯片，又会进一步增加设备的耗电量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种无线网络设备间时钟同步的方法，时钟同步实现过程简便、无特殊硬件要求、同步误差小，通过该时钟同步方法可以实现无线网络设备间系统时钟和任务调度时钟的同步，对于无线设备间的多级级联应用也能够保证很好的时钟同步精度。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种无线网络设备间时钟同步的方法，包括以下步骤：一、时钟源设备与至少一个时钟从设备网络互连；二、时钟源设备获得基准时钟，时钟从设备获得未经同步的基准时钟；三、时钟源设备与时钟从设备之间通过时钟同步帧进行时钟信息的交互；四、时钟源设备将包括基准时钟频率和相位的信息传输到时钟从设备，时钟从设备中的CPU处理器计算出时钟源设备的基准时钟，并根据基准时钟来校正自身的基准时钟；通过以上步骤实现无线网络设备间的时钟同步。优选的方案中，所述的时钟从设备为多个，时钟源设备与多个时钟从设备组成多级树状拓扑结构；其中，时钟源设备同时向多个时钟从设备进行时钟同步；时钟从设备从多个时钟源设备中选择时钟精度高的时钟源设备进行时钟同步。选择依据是根据时钟源级别和Offset级别。优选的方案中，所述的时钟源设备包括无线通讯模块、CPU和硬件晶振或CPU时钟；无线通讯模块用于进行无线网络的数据通讯和无线时钟同步信息的传输；CPU用于处理任务调度和无线时钟同步信息，并进行时钟同步计算及校正；硬件晶振或CPU时钟为CPU处理器运行提供一个基础的本地时钟。优选的方案中，步骤二中：a、时钟源设备将来源于外部或内部的时钟信号接入CPU的IO中断管脚，并配置为双边沿触发模式，记录时钟信号的脉冲宽度标准时间(t0)；b、CPU通过配置定时器对CPU内部运行的主时钟频率进行n分频，产生一个定时器中断；c、CPU内的计数器对定时器中断进行+1累计计数；由以上步骤获得基准时钟。优选的方案中，还包括校准基准时钟的步骤：外部或内部的时钟信号输入至CPU的IO中断管脚后，触发IO管脚中断服务，在正边沿中断时，记录基准时钟的计数器的数值t1；在负边沿中断时，记录基准时钟的计数器的数字t2，然后计算测量得到时钟信号脉冲宽度时间t3；比较输入的时钟信号脉冲宽度时间t0和测量时钟信号脉冲宽度时间t3；若t0与t3之间误差不超过设定的计数，则可以判定基准时钟计数器计数精度满足要求，标记为基准时钟同频可用；若t0与t3之间误差超过设定的计数，则计算定时器的分频偏移值，然后用分频偏移值修正定时器达到标准的的定时精度，重复以上步骤，进行定时器的精度修正，始终控制基准时钟计数器的计时时间同步到标准的基准时钟，直到标记的基准时钟同频可用为止。优选的方案中，还包括基准时钟的相位同步步骤：CPU的IO中断管脚接收到输入时钟信号，在每秒的0起始时刻的上升沿或下降沿中断时，CPU将基准时钟的计数器取整，实现对每秒的0起始时刻进行同相位处理，保证基准时钟的计数器的每秒的0起始时刻和输入时钟信号的0起始时刻同步，完成秒相位同步，标记基准时钟同相可用；同频可用和同相可用后，作为主时钟源的无线设备对时钟从设备进行时钟频率和相位的同步操作。优选的方案中，所述的时钟从设备包括无线通讯模块、CPU和硬件晶振或CPU时钟；无线通讯模块用于进行无线网络的数据通讯和无线时钟同步信息的传输；CPU用于处理任务调度和无线时钟同步信息，并进行时钟同步计算及校正；硬件晶振或CPU时钟为CPU运行提供一个基础的本地时钟；时钟从设备的CPU配置一个定时器对CPU内部运行主时钟频率进行n分频，产生一个定时器中断；CPU内的计数器对定时器中断进行+1累计计数；时钟从设备中由以上步骤获得未同步的基准时钟，由无线接收中断接收到时钟源设备发送过来时钟同步帧中的两个严格控制发送间隔的概略时钟帧来校准基准时钟的同频，由时钟同步帧中的同步请求帧和同步时钟帧来校准基准时钟的同相位和同频的二次微调。优选的方案中，所述的时钟同步帧包括概略时钟帧、同步请求帧和同步时钟帧；概略时钟帧包括秒时间段和基准时钟段，秒时间段记录从某时刻离当前时刻的秒数，基准时钟段为时钟源设备的计数器的时钟计数；概略时钟帧同时通知时钟从设备，时钟源设备的时钟是否已经同步到标准时钟，是否可以进行时钟同步；概略时钟帧帧每隔固定时段定时发送两次，两次的时间间隔由基准时钟严格控制；用于时钟从设备的无线接收中断进行定时器的校准；时钟从设备在初次上电后、重启或者时钟失步的情况下，收到主时钟源A的概略时钟帧后，需要进行无线时钟同步时，向时钟源设备发起同步请求帧；或者在时钟从设备的基准时钟每隔固定时间向时钟源设备发起同步请求帧；同步请求帧包括帧头、帧类型、从设备地址和从设备状态信息。同步时钟帧为时钟源设备接收到时钟从设备的同步请求帧后，记录计数器的数字t2信息，在一个时间段后向时钟从设备发送同步请求帧；同步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是包括以下步骤：一、时钟源设备与至少一个时钟从设备网络互连；二、时钟源设备获得基准时钟，时钟从设备获得未经同步的基准时钟；三、时钟源设备与时钟从设备之间通过时钟同步帧进行时钟信息的交互；四、时钟源设备将包括基准时钟频率和相位的信息传输到时钟从设备，时钟从设备中的CPU处理器计算出时钟源设备的基准时钟，并根据基准时钟来校正自身的基准时钟；通过以上步骤实现无线网络设备间的时钟同步。

【技术特征摘要】
1.一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是包括以下步骤：一、时钟源设备与至少一个时钟从设备网络互连；二、时钟源设备获得基准时钟，时钟从设备获得未经同步的基准时钟；三、时钟源设备与时钟从设备之间通过时钟同步帧进行时钟信息的交互；四、时钟源设备将包括基准时钟频率和相位的信息传输到时钟从设备，时钟从设备中的CPU处理器计算出时钟源设备的基准时钟，并根据基准时钟来校正自身的基准时钟；通过以上步骤实现无线网络设备间的时钟同步。2.根据权利要求1所述的一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是：所述的时钟从设备为多个，时钟源设备与多个时钟从设备组成多级树状拓扑结构；其中，时钟源设备同时向多个时钟从设备进行时钟同步；时钟从设备从多个时钟源设备中选择时钟精度高的时钟源设备进行时钟同步。3.根据权利要求1所述的一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是：所述的时钟源设备包括无线通讯模块、CPU和硬件晶振或CPU时钟；无线通讯模块用于进行无线网络的数据通讯和无线时钟同步信息的传输；CPU用于处理任务调度和无线时钟同步信息，并进行时钟同步计算及校正；硬件晶振或CPU时钟为CPU处理器运行提供一个基础的本地时钟。4.根据权利要求1所述的一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是步骤二中：a、时钟源设备将来源于外部或内部的时钟信号接入CPU的IO中断管脚，并配置为双边沿触发模式，记录时钟信号的脉冲宽度标准时间（t0）；b、CPU通过配置定时器（T1）对CPU内部运行的主时钟频率进行n分频，产生一个定时器中断；c、CPU内的计数器对定时器中断进行+1累计计数；由以上步骤获得基准时钟。5.根据权利要求4所述的一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是还包括校准基准时钟的步骤：外部或内部的时钟信号输入至CPU的IO中断管脚后，触发IO管脚中断服务，在正边沿中断时，记录基准时钟的计数器的数值t1；在负边沿中断时，记录基准时钟的计数器的数字t2，然后计算测量得到时钟信号脉冲宽度时间t3；比较输入的时钟信号脉冲宽度时间t0和测量时钟信号脉冲宽度时间t3；若t0与t3之间误差不超过设定的计数，则可以判定基准时钟计数器计数精度满足要求，标记为基准时钟同频可用；若t0与t3之间误差超过设定的计数，则计算定时器（T1）的分频偏移值，然后用分频偏移值修正定时器（T1）达到标准的的定时精度，重复以上步骤，进行定时器（T1）的精度修正，始终控制基准时钟计数器的计时时间同步到标准的基准时钟，直到标记的基准时钟同频可用为止。6.根据权利要求4或5所述的一种无线网络设备间时钟同步的方法，其特征是还包括基准时钟的相位同步步骤：CPU的IO中断管脚接收到输入时钟信号，在每秒的0起始时刻的上升沿或下降沿中断时，CPU将基准时钟的计数器取整，实现对每秒的0起始时刻进行同相位处理，保证基准时钟的计数器的每秒的0起始时刻和输入时钟信号的0起始时刻同步，完成秒...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘进，
申请(专利权)人：潘进，
类型：发明
国别省市：湖北;42