高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统技术方案

一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统，该方法，包括以下步骤：A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据；B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合出最佳值C；C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync

High precision time synchronization method and system of process layer Ethernet switch system

A high-precision process layer Ethernet switch system time synchronization method and system, the method includes the following steps: A. data collection, obtaining the counter and register value of the time stamp processing module of the times entering the hardware and obtaining the time information of the times; obtaining n groups of data; B. collecting n groups of data by adopting multiple data processing methods According to the filtering and data fitting, the best value C is obtained; C. by calling the relevant time synchronization process with the round search function, the time information sync in a certain frame is randomly collected

【技术实现步骤摘要】
高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统
本专利技术涉及智能变电站领域，特别涉及一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法和系统。
技术介绍
在智能变电站系统中，通常存在一个对时同步机制，用来确定各个系统中各种事件发生的先后、协调各种消息的传输等。尤其是在智能变电站中的过程层以太网交换机，作为智能变电站系统的核心装置，当变电站产生突发事件时，报文首先经过过程层以太网交换机再发往其他保护测控等装置，而保证整个交换机系统的时间统一能更加准确定位突发事件发生时间，因此，如何在交换机系统上获得准确可靠的系统时间成为一项重要课题。但在实际的智能变电站系统应用中，尤其是网络中采用传统对时报文进行同步时，过程层以太网交换机系统时钟同步并不能达到亚毫秒的时钟精度。导致过程层以太网交换机系统时间同步精度不高的原因主要有两个方面，一方面是由于交换机的网卡缓存效应，交换机在缓存众多所接收的对时信息中，交换机无法准确地采用哪一帧对时信息进行交换机系统时间同步，因此这就直接导致了信息接收时间测量的不准确，造成交换机系统时间同步失效。而另一方面是因为操作系统进程调度响应时间的影响，由于交换机操作系统采用时间片轮转机制，通过系统中断进程进行调度，使得无法控制时间同步进程在何时被调度，何时停止，因此，造成了软件延时的不可预测。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种有效地消除不确定性因素的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法。本专利技术的另一目的在于提供一种有效地消除不确定性因素的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统。本专利技术的目的之一可以这样实现，设计一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，包括以下步骤：A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合出最佳值C；C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息synctime，并对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值Cdvaue；D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switchtime＝synctime+C+Cdvaue。进一步地，报文数据采集时，根据进入交换机网卡缓存区的任意两帧对时报文的计数器差值算出接收这两帧报文的时间差△t1；与此同时，由于这两帧报文中都带有精确的时间信息，两帧报文中时间值的差值记为△t2；选取网卡缓存取区这两帧对时报文的△t1和△t2，它们的差值记为一组数据Tdvalue；在1min以内，选取N组数据。进一步地，多重数据处理方法表述为，这N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C。进一步地，N组Tdvalue数据记为Data[N]，Data[M]为过滤后的数据，过滤处理过程可按如下公式进行；Data[M]＝fm,n(Data[N])fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于0.8*middle_value的值，最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除；对数据进行均值处理，进行最小二乘直线拟合，拟合可按如下公式进行；C＝1/M*∑Data[M]；其中，M＝N-m-n。进一步地，软件响应偏差计算方法表述为，当交换机上电时，硬件数据链路层的硬件计数器会不断增加；而操作系统时刻准备读取两个寄存器来存储硬件计数的两个关键位置；一个位置是当该帧对时报文首次进入数据链路层硬件时戳处理模块时，寄存器reg1记录存储此时的硬件的计数count1；另一个位置是当软件应用轮寻函数调用时间同步进程获取网卡缓存区该帧对时报文中的时间信息时，寄存器reg2记录存储此时的硬件计数count2；硬件计数器颗粒度β根据芯片的晶振频率而定，而这两者的差值Cdvaue，也是这两个关键位置的时间差值，表征数据从数据链路层到应用层的总的系统响应时间；具体计算公式为Cdvaue＝(count2-count1)*βns。更进一步地，硬件计数器颗粒度β为8ns。进一步地，系统应用层调用时间同步进程进行交换机系统时间设置时，需要通过读取对时报文中的时间报文信息synctime，加上网卡缓存效应的误差值C和操作系统响应不确定的时延误差Cdvaue。本专利技术的另一目的可以这样实现，设计一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步系统，包括时钟源模块、从钟源模块、硬件时戳处理模块、SWITCH模块、CPU操作系统模块和本地时钟处理模块，时钟源模块输出端与硬件时戳处理模块输入端相连，硬件时戳处理模块输出端与SWITCH模块相连，SWITCH模块与CPU操作系统模块调用相连，CPU操作系统模块调用与本地时钟处理模块相连，硬件时戳处理模块中的寄存器与CPU操作系统模块相连；对时报文在SWITCH模块中缓存之后再次转发出来经过硬件时戳处理模块，最后从时钟硬件时戳处理模块中出来到达从钟模块；时钟源模块主要产生对时报文，对时报文中带有精确的时间信息；从钟模块，用于经过处理的对时报文的接收；硬件时戳处理模块，用于处理对时报文，包括打上时戳标志、存储记录硬件计数器和硬件寄存器的值；SWITCH模块，用于报文的存储转发，缓存对时报文；CPU操作系统模块，用于相关时间同步进程调用，读取缓存报文信息；本地时钟处理模块，用于多重数据处理方法和软件响应偏差计算出准确的交换机系统同步时间，并同步到交换机系统中；以太网对时报文通过时钟硬件时戳处理模块后，报文中的对时信息首先送到交换机本地网卡模块的缓存区，并在CPU操作系统模块系统空闲时通过调度时间同步进程读取缓存的报文的对时信息，之后根据本地处理时钟模块对报文的对时信息进行算法处理，最后产生交换机系统对时的参考输入时钟。本专利技术采用多重数据处理以及软件响应偏差计算方法对交换机同步时间信息进行处理，产生交换机系统同步对时的参考输入时钟，从而有效解决了网卡缓存效应和操作系统响应因素对过程层以太网交换机系统时间同步的影响。附图说明图1是本专利技术较佳实施例的示意图；图2是本专利技术较佳实施例之流程图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步的描述。一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，包括以下步骤：A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；报文数据采集时，任意选取两帧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：/nA、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；/nB、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合出最佳值C；/nC、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息sync

【技术特征摘要】
1.一种高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、数据采集，获取对时报文进入硬件时戳处理模块的计数器和寄存器数值以及获取对时报文中的时间信息；获取N组数据，其中N的取值范围可取为10≤N≤20；
B、通过采用多重数据处理的方式对采集的N组数据进行数据过滤和数据拟合出最佳值C；
C、通过应用轮寻函数调用相关时间同步进程，再随机采集某一帧对时报文中的时间信息synctime，并对该帧报文进行软件响应偏差方法计算出时间差值Cdvaue；
D、结合步骤B和步骤C计算出的误差值，计算并设置交换机的系统同步时间为Switchtime＝synctime+C+Cdvaue。


2.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：报文数据采集时，根据进入交换机网卡缓存区的任意两帧对时报文的计数器差值算出接收这两帧报文的时间差△t1；与此同时，由于这两帧报文中都带有精确的时间信息，两帧报文中时间值的差值记为△t2；选取网卡缓存取区这两帧对时报文的△t1和△t2，它们的差值记为一组数据Tdvalue；在1min以内，选取N组数据。


3.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：多重数据处理方法表述为，这N组数据中存在一些差异较大的值，通过数组排序的方法算出数值差异较大的值，找到这部分数据予以过滤消除影响；然后为了使剩余数据的方差最小，通过最小二乘法对这些数据进行直线拟合，拟合出最佳值C。


4.根据权利要求3所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：N组Tdvalue数据记为Data[N]，Data[M]为过滤后的数据，过滤处理过程可按如下公式进行；
Data[M]＝fm,n(Data[N])
fm,n()的过滤规则为中值剔除法，即先对选取的N组数据进行数据大小排序后取中值middle_value，并对这一中值适当的扩大或者缩小，定义m的范围为超过1.2*middle_value的值，n的范围为小于0.8*middle_value的值，最后把这些数值差异较大的m个大值和n个小值剔除；
对数据进行均值处理，进行最小二乘直线拟合，拟合可按如下公式进行；
C＝1/M*∑Data[M]；其中，M＝N-m-n。


5.根据权利要求1所述的高精度的过程层以太网交换机系统时间同步方法，其特征在于：软件响应偏差计算方法表述为，当交换机上电时，硬件数据链路层的硬件计数器会不断增...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈远生，杨庆，许平凡，翁铖，谢杰勇，
申请(专利权)人：长园深瑞继保自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44