基于1553B總線的航天器系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)計(jì)方法*

李經(jīng)松，陳朝暉，黨紀(jì)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(shí)間同步技術(shù)算法復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難，一直以來深受研究領(lǐng)域的關(guān)注.實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)時(shí)間同步的設(shè)計(jì)思路有如下兩種：1)非對(duì)稱式時(shí)間同步方法，選取某一時(shí)鐘精度高，穩(wěn)定、可靠的節(jié)點(diǎn)，以此節(jié)點(diǎn)的時(shí)間作為基準(zhǔn)，向其他節(jié)點(diǎn)廣播同步；2)對(duì)稱式時(shí)間同步方法，所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間都參與系統(tǒng)的時(shí)間同步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間對(duì)于時(shí)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度及控制要求具有實(shí)時(shí)特性，各個(gè)分系統(tǒng)或功能部件的時(shí)鐘來源互相獨(dú)立，晶振頻率、漂移特性等各不相同.若無時(shí)間同步機(jī)制，航天器系統(tǒng)不具備一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)能力將大大降低，直接影響任務(wù)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(duì)稱式時(shí)間同步方法，選取某單一精確時(shí)鐘源(原子鐘、GPS時(shí)鐘)對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行整體時(shí)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(shí)間同步機(jī)制

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

1.1 時(shí)鐘模型

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，時(shí)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(shí)時(shí)間變量；c(t)是構(gòu)造的本地時(shí)鐘，間隔c(t)-c(t0)用來作為時(shí)間度量.對(duì)于理想的時(shí)鐘，ω(τ)為常值，但在工程實(shí)踐中，因?yàn)闇囟取毫?、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會(huì)導(dǎo)致晶振頻率產(chǎn)生波動(dòng)[8].

1.2 時(shí)間同步

由于分布式系統(tǒng)主要基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其通常利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議約定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的同步機(jī)制，在無序的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供精確和健壯的時(shí)間服務(wù)，比較有代表性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘協(xié)議(network time protocol,NTP)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘協(xié)議(simple network time protocol,SNTP)、IEEE1588協(xié)議等，這些時(shí)間同步協(xié)議能夠很好地適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用網(wǎng)絡(luò)資源來滿足分布式系統(tǒng)的時(shí)間同步需求.

2 時(shí)間同步設(shè)計(jì)方法

基于1553B總線的航天器系統(tǒng)，采用軟件實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步設(shè)計(jì)方法，根據(jù)同步時(shí)間偏移補(bǔ)償?shù)木_程度分為：時(shí)間同步粗補(bǔ)償方法、時(shí)間同步精補(bǔ)償方法.航天器系統(tǒng)中，時(shí)間同步的發(fā)起方(bus controller,BC端)通常具備相對(duì)精確的時(shí)鐘源，對(duì)系統(tǒng)中的其他分系統(tǒng)(remote terminal,RT端)進(jìn)行時(shí)間基準(zhǔn)的分發(fā).

2.1 1553B時(shí)標(biāo)功能

1553B芯片具有一套自身的時(shí)間基準(zhǔn)，即1553B時(shí)標(biāo).1553B時(shí)標(biāo)功能主要基于1553B芯片內(nèi)部的時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器，時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器與處理器的硬件計(jì)數(shù)器功能相同，具有計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)功能，時(shí)鐘來源既可以是內(nèi)部時(shí)鐘源，也可以是外部時(shí)鐘源，具體依據(jù)應(yīng)用而定.時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器為16位字長(zhǎng)的加計(jì)數(shù)，表示范圍為0x0000～0xFFFF，翻轉(zhuǎn)循環(huán)使用；計(jì)時(shí)分辨率具有粒度粗細(xì)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(shí)標(biāo)寄存器訪問時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容，根據(jù)需要寫入、讀取時(shí)標(biāo)寄存器的值；消息塊時(shí)標(biāo)字自動(dòng)鎖存記錄消息SOM(start of message)、EOM(end of message)的時(shí)刻.下文介紹的時(shí)間同步設(shè)計(jì)方法就是通過對(duì)時(shí)標(biāo)分辨率、時(shí)標(biāo)寄存器、消息塊時(shí)標(biāo)字等功能的有效設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的.

2.2 時(shí)間同步粗補(bǔ)償方法

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

表1 時(shí)間同步粗補(bǔ)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(cè)因素，步驟1、3時(shí)延不做考慮，步驟2的時(shí)延粗略估算得到；步驟4的時(shí)延屬于RT端可觀測(cè)因素，能夠通過手段測(cè)算得到，傳統(tǒng)的時(shí)間偏移測(cè)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(shí)鐘計(jì)數(shù)器計(jì)算變化量時(shí)需要考慮計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)，CycleLSB為處理器時(shí)鐘計(jì)數(shù)器分辨率.消息中斷方式的時(shí)間偏移測(cè)算并非十分準(zhǔn)確，由于未考慮系統(tǒng)軟件執(zhí)行中斷上下文切換的時(shí)間開銷(最大開銷超過100 μs)，其時(shí)間偏移測(cè)算精度為100 μs量級(jí).

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(shí)間同步消息，對(duì)時(shí)間同步消息EOM時(shí)刻沒有監(jiān)測(cè)功能，查詢到時(shí)間同步消息后，僅讀取時(shí)間同步消息中同步時(shí)間為Tsync;堆棧查詢操作退出后，在本控制周期內(nèi)進(jìn)行時(shí)間同步操作，偏移補(bǔ)償后的同步時(shí)間計(jì)算同式(1)～(3).由于未對(duì)RT端時(shí)間同步消息處理過程的時(shí)延進(jìn)行測(cè)算，則式(2)替換為：Tdrift=0.真實(shí)系統(tǒng)中，RT端時(shí)間同步消息處理過程時(shí)延的漂移范圍為±1個(gè)控制周期，此方法的時(shí)間偏移測(cè)算精度較低，為10 ms或100 ms量級(jí).

2.2.3 改進(jìn)的消息查詢方式

提出一種改進(jìn)的消息查詢方式，采用1553B時(shí)標(biāo)功能測(cè)算RT端時(shí)間同步消息處理過程的時(shí)延.RT端1553B芯片具有對(duì)所有消息EOM時(shí)刻自動(dòng)鎖存的機(jī)制，將時(shí)標(biāo)寄存器實(shí)時(shí)值進(jìn)行鎖存并放入消息塊時(shí)標(biāo)字中.借助芯片的這一特性，RT端具備了對(duì)時(shí)間同步消息EOM時(shí)刻準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的功能，顯著提高傳統(tǒng)消息查詢方式的時(shí)間偏移測(cè)算精度，精度達(dá)到±40 μs，相比消息中斷方式也能取得更優(yōu)的性能.

在每個(gè)控制周期起始時(shí)刻記錄1553B時(shí)標(biāo)寄存器時(shí)標(biāo)值CntTagCtrl；進(jìn)行周期性堆棧查詢，若查詢到時(shí)間同步消息，讀取時(shí)間同步消息中同步時(shí)間為Tsync,并從消息塊描述符中讀取EOM時(shí)刻的時(shí)標(biāo)字，記為時(shí)標(biāo)值CntTagEOM,偏移補(bǔ)償后的同步時(shí)間計(jì)算同式(1)～(3)，將式(2)替換為：Tdrift=(CntTagCtrl-CntTagEOM)·TagLSB.其中，時(shí)標(biāo)偏移計(jì)算時(shí)需要考慮計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)，TagLSB為時(shí)標(biāo)分辨率，粒度大小選擇依據(jù)應(yīng)用需求而定.改進(jìn)的消息查詢方式，兼有兩種傳統(tǒng)時(shí)間偏移測(cè)算方式的優(yōu)點(diǎn)，有效提升時(shí)間同步粗補(bǔ)償方法的精度.

2.3 時(shí)間同步精補(bǔ)償方法

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

時(shí)間同步精補(bǔ)償方法如下：首先，將同一個(gè)消息在BC端的EOM時(shí)刻與在RT端的EOM時(shí)刻近似地認(rèn)為是物理同一時(shí)刻，BC端軟件與RT端軟件分別獲取到相應(yīng)EOM時(shí)刻的時(shí)標(biāo)值；其次，利用BC端與RT端獲取到的時(shí)標(biāo)值進(jìn)行時(shí)標(biāo)同步[11]；再次，由統(tǒng)一基準(zhǔn)后的時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)同步時(shí)間偏移的測(cè)算，將所測(cè)算偏移對(duì)同步時(shí)間做補(bǔ)償.

2.3.1 時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的同步

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

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

綜合分析，整個(gè)EOM時(shí)刻至PARITY BIT時(shí)刻的時(shí)間偏移約為5 μs，誤差可以忽略.

時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的同步時(shí)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(shí)刻的時(shí)標(biāo)值，分別為tagBc0、tagRt0;其次，BC端發(fā)送消息b，將BC端鎖存的時(shí)標(biāo)值tagBc0發(fā)送給RT端，RT端收到消息b，計(jì)算BC端與RT端對(duì)應(yīng)消息a的EOM時(shí)刻的時(shí)標(biāo)值之差Δtag=tagBc0-tagRt0;最終，將RT端時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的值tagRt同步至BC端時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器的值tagBc，則RT端同步后的時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器tagRt=tagBc=tagRt+Δtag.其中，BC端與RT端的時(shí)標(biāo)分辨率應(yīng)設(shè)置為一致.

圖1 BC端芯片消息EOM時(shí)序Fig.1 The time sequence of message’EOM at bus controller

圖2 RT端芯片消息EOM時(shí)序Fig.2 The time sequence of message’EOM at remote terminal

圖3 時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器同步時(shí)序圖Fig.3 The time sequence of time tagcounter’s synchronization

時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)同步之后，BC端任何事件的發(fā)生都可以標(biāo)記時(shí)標(biāo)戳，此時(shí)標(biāo)戳在RT端具有相同的時(shí)間表述含義，如此顯著提高了系統(tǒng)間的事務(wù)同步能力.

2.3.2 時(shí)間偏移的測(cè)算及補(bǔ)償

Tdrift=(CntTagCtrl-CntTagSync)·TagLSB

(4)

(5)

式(4)中，時(shí)標(biāo)偏移計(jì)算時(shí)需要考慮計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)，TagLSB為時(shí)標(biāo)分辨率，粒度大小選擇依據(jù)應(yīng)用需求而定.時(shí)間同步精補(bǔ)償相較時(shí)間同步粗補(bǔ)償，由于同步方與被同步方共同參與同步時(shí)間偏移的測(cè)算，減少或消除了不可觀測(cè)因素，同步精度真正達(dá)到±20 μs.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)同步方法的有效性，利用兩臺(tái)配備1553B通信芯片的嵌入式系統(tǒng)A、B以及通用測(cè)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(duì)本文上述三種時(shí)間同步方式的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)刻固定)，系統(tǒng)B每200 ms進(jìn)行一次堆棧查詢操作，二者進(jìn)行200次同步操作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如下.

3.1 消息查詢方式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)B不對(duì)時(shí)間同步消息處理過程的時(shí)間偏移進(jìn)行測(cè)算及補(bǔ)償.系統(tǒng)B的同步時(shí)間與真實(shí)時(shí)間偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 消息查詢方式的同步時(shí)間偏移實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The experimental result of synchronous time migration by message polling method

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)的消息查詢方式同步時(shí)間偏移幅度很大，精度在100 ms量級(jí).

3.2 改進(jìn)消息查詢方式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)B采用1553B時(shí)標(biāo)功能對(duì)時(shí)間同步消息處理過程的時(shí)間偏移進(jìn)行測(cè)算及補(bǔ)償，系統(tǒng)B時(shí)標(biāo)分辨率設(shè)置為8 μs.系統(tǒng)B的同步時(shí)間與真實(shí)時(shí)間偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 改進(jìn)消息查詢方式的同步時(shí)間偏移實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The experimental result of synchronous time migration by modified message polling method

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的消息查詢方式，由于采用1553B時(shí)標(biāo)功能進(jìn)行時(shí)間偏移的測(cè)算補(bǔ)償，使得時(shí)間同步精度相較傳統(tǒng)消息查詢方式提升3個(gè)量級(jí)，精度達(dá)到10 μs量級(jí).

3.3 時(shí)間同步精補(bǔ)償方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)A與系統(tǒng)B采用1553B時(shí)標(biāo)功能對(duì)時(shí)間偏移進(jìn)行協(xié)同測(cè)算及補(bǔ)償，二者時(shí)標(biāo)分辨率都設(shè)置為8 μs，系統(tǒng)A、B兩方共同補(bǔ)償后的同步時(shí)間與真實(shí)時(shí)間偏差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 時(shí)間同步精補(bǔ)償方法的同步時(shí)間偏移實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The experimental result of synchronous time migration by time synchronization’s refined compensation method

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用1553B時(shí)標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步精補(bǔ)償方法，測(cè)算的時(shí)間偏移消除了不可觀測(cè)因素，使得系統(tǒng)時(shí)間同步精度真正達(dá)到10 μs量級(jí).

4 結(jié) 論

本文介紹了基于1553B總線的航天器系統(tǒng)傳統(tǒng)時(shí)間同步機(jī)制，提出一種低系統(tǒng)開銷、高精度的時(shí)間同步設(shè)計(jì)方法，該方法采用1553B總線時(shí)標(biāo)功能來提高同步時(shí)間偏移測(cè)算及補(bǔ)償精度.其中，BC端與RT端協(xié)同實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步精補(bǔ)償方法，相較傳統(tǒng)時(shí)間同步方法，同步精度真正達(dá)到了10 μs量級(jí).本設(shè)計(jì)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(yīng)用需求.