航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘同步原理和實現(xiàn)

薛楠 李斌 杜建華 王曉華 胡靖宇

摘要：在航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計中，包含設備、網(wǎng)絡、通信、時鐘等等各個功能模塊，每個功能模塊的穩(wěn)定性都影響整個航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而大部分功能均是在驅(qū)動軟件層實現(xiàn)，且通過和底層硬件交互達到使用要求[1]。對于時鐘功能模塊，最重要的子功能就是時鐘同步功能，即航電網(wǎng)絡的時鐘管理終端能實時并且準確同步到時鐘服務器的相關時間信息，及時準確的做出反應[2]。該文引入了基于航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘同步功能原理和實現(xiàn)，能在很大程度上提高時鐘同步的精度和實時性，從而進一步提高航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

關鍵詞：航電網(wǎng)絡;時鐘同步;實時性

中圖分類號：TP309? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0264-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著科學研究和電子技術的日益進步，航空電子網(wǎng)絡的規(guī)模也不斷增大，同時航空電子應用的復雜性也在不斷提高[3]。一個航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)就是由一系列功能模塊進行綜合，主要功能模塊之間相互作用，進一步生成總的系統(tǒng)功能，并且一些主要的功能模塊本身也可以進一步分解為更多的次要的功能模塊或者其他設備，這些功能模塊或者其他設備之間相互作用和配合，支撐著總系統(tǒng)的運作[4]。在所有的這些功能模塊或者設備中，有些模塊或者設備是需要保證其穩(wěn)定性，當出現(xiàn)故障時要迅速恢復功能;而有些功能模塊或者設備是要優(yōu)先保證其實時性，即要在收到時間信息后迅速做出反應。

在所有的航空電子網(wǎng)絡功能模塊中，時鐘功能模塊是一個重要性較高的模塊，它保證和支持著整個航空電子系統(tǒng)的實時性。根據(jù)功能需要，當終端設備收到管理器設備的時間信息后，要在第一時間做出回應或者其他操作，這就必須要保證時間同步的準確性和實時性，從而進一步保證航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時性和安全性。因此，如何提高航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘功能的實時性和準確性已經(jīng)成為一個日益突出的問題[5]。

本文提出一種基于航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)的時鐘同步原理和實現(xiàn)，包括了日歷時間同步、實時時鐘同步和時鐘同步檢測機制，從原理設計到實現(xiàn)過程上很大程度上保證了時鐘同步的準確性和實時性，提高整個航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘同步功能分析和應用

2.1 時鐘同步原理

在一般航空電子網(wǎng)絡系統(tǒng)中，時鐘同步功能的實現(xiàn)需要一個時鐘服務設備和一個或者多個時鐘終端設備來完成，并且只能有一個時鐘服務設備作為源。在本地根據(jù)系統(tǒng)時間或系統(tǒng)需要設置當前或者系統(tǒng)需要的時鐘信息。

當時鐘服務設備設置日歷時鐘信息時，將外部傳入的日歷時間信息值以及此時的系統(tǒng)實時時鐘保存在本地硬件當中作為時鐘基準信息，然后將時鐘基準信息發(fā)送至其他時鐘終端網(wǎng)絡節(jié)點，終端設備收到時鐘服務設備的時鐘基準信息時，同時將時鐘信息保存在本地的硬件中，時鐘信息和時鐘服務器中的時鐘基準信息一致;當時鐘服務器節(jié)點設置系統(tǒng)實時時鐘時，將外部傳入的實時時鐘值保存本地硬件中，并且硬件中實時時鐘值隨著時間不斷增加，時鐘服務設備將硬件中實時時鐘值發(fā)送至其他時鐘終端。時鐘終端收到時鐘服務設備的實時時鐘值后，將系統(tǒng)實時時鐘值保存至本地節(jié)點的硬件中。其中，時鐘服務設備在設置日歷時間時，僅在設置的時候發(fā)送一次時鐘基準信息源語，而對于系統(tǒng)實時時鐘，不論設置與否時鐘服務設備均周期發(fā)送時鐘信息。

當時鐘終端節(jié)點根據(jù)需要同步日歷時鐘信息時，在本地節(jié)點先讀取本地硬件中的時鐘信息值，然后再讀取系統(tǒng)實時時鐘值。由于本地硬件中的時間值是時鐘服務設備設置日歷時間時的時鐘基準信息，故和系統(tǒng)管理設備設置的時鐘基準信息一致，而系統(tǒng)實時時鐘值是一直在增加。故取終端本地節(jié)點硬件中的實時時鐘值和此時讀取的系統(tǒng)實時時鐘值的差值，并和硬件中的日歷時間進行運算，得出當前的日歷時間信息;當時鐘終端節(jié)點讀取系統(tǒng)實時時鐘時間時，直接讀取本地硬件值便可得到準確的值。

本地實時時鐘可以用本設備開始運行之后計算，只要設備正常運行，本地實時時鐘值一直增加，增加幅度和系統(tǒng)實時時鐘信息一致。針對時鐘同步檢測，實現(xiàn)的方式可以用本地實時時鐘值和系統(tǒng)的實時時鐘值進行差值計算。具體實現(xiàn)可以使用連續(xù)兩個周期同步到的兩個系統(tǒng)實時時鐘信息和當時本地的實時時鐘做差值，將兩個差值再進行差值計算。最終差值如果超過給定的范圍，則底層硬件上報給上層軟件提示信息，終端設備便可知當前系統(tǒng)實時時鐘不穩(wěn)定。

2.2 時鐘同步過程拓撲

在設置時鐘信息時，需要注意時鐘數(shù)據(jù)參數(shù)的合法性，并且在設計時鐘讀取方案上，需要注意日歷時間達到邊界時的處理，才能保證時鐘信息的準確性。時鐘服務設備設置日歷時間和終端獲取日歷時間流程如圖1所示：

時鐘服務設備設置系統(tǒng)實時時鐘或時鐘終端讀設備取系統(tǒng)實時時鐘流程如圖2所示：

對于實時時鐘差值檢測，需要連續(xù)兩次讀取系統(tǒng)實時時鐘和本地實時時鐘進行差值計算，并根據(jù)兩次計算的差值再計算差值，最終的差值和預先設定的范圍值進行對比，具體例程如圖3所示：

2.3 時鐘同步應用分析

在航電網(wǎng)絡系統(tǒng)中，顯示控制設備節(jié)點的作用非常關鍵，其要在第一時間同步到系統(tǒng)管理設備的日歷時間或?qū)崟r時鐘時間，并同步顯示當前時間下的系統(tǒng)應用信息。若顯示控制設備節(jié)點同步到的系統(tǒng)管理端的日歷時間或?qū)崟r時鐘時間稍有延時，就不能保證第一時間處理關鍵信息，甚至導致某些重要信息丟失，從而分析人員不能準確的、實時的捕獲到系統(tǒng)信息，這種情況下會嚴重影響整個航電網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性和可靠性。使用上文提出的航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘同步原理和實現(xiàn)滿足高實時性時鐘同步的要求，通過系統(tǒng)實時時鐘周期同步機制以及日歷時間設置實時同步機制可以高精度、高效率完成系統(tǒng)管理端到時鐘終端的時鐘同步過程，并且實時時鐘差值檢測計算可以使終端實時感知到系統(tǒng)管理端系統(tǒng)實時時鐘時間信息的改變，提高了時鐘同步功能的穩(wěn)定性和安全性。因此，本文提出了時鐘同步原理可以提高航電網(wǎng)絡時鐘同步的準確性和實時性，進而提高整個系統(tǒng)安全性和可靠性。

3 結束語

在所有航電網(wǎng)絡系統(tǒng)中，時鐘同步模塊功能都是必不可少的一部分，而且隨著航電網(wǎng)絡系統(tǒng)復雜性的提高和應用性的廣泛，系統(tǒng)對實時性的要求更加嚴格。一個擁有穩(wěn)定性、實時性的系統(tǒng)，才能保證其在正常運作時的安全性[6]。本文重點指出了系統(tǒng)實時性的關鍵性，說明了時鐘同步功能模塊對于系統(tǒng)實時性的重要性影響，并且提出了一種基于航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘同步功能的原理和實現(xiàn)方式。因此，本文提出的時鐘同步原理可作為航電網(wǎng)絡系統(tǒng)時鐘管理設計模式，可以很大程度上提高航電網(wǎng)絡實時性和穩(wěn)定性，并且提高整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻：

[1] 李海全，李剛.系統(tǒng)可靠性分析與設計[M].北京：科學出版社，2003.

[2] 楊曉寧，曹原.嵌入式實時分區(qū)操作系統(tǒng)中健康監(jiān)控機制的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代導航， 2013，21（13）：101-103.

[3] ANSI.Fibre Channel Framing and Signaling-2 （FC-FS-2）， Rev0.01[M].US： ANSI， 2003.

[4] 徐亞軍，張曉林.FC網(wǎng)絡性能測試與研究[J].2007，43（15）：137-139.

[5] Alderman R.New standard formodule electronics[J].Avionics Magazine，2006（8）：66.

[6] 李建國，張奇.高可靠性雙機熱備份機制設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代導航，2011，27（4）：309-312.

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