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(清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084)

0 引言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)通常采用“事件觸發(fā)”機(jī)制。在事件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可能在任意時(shí)刻發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大而發(fā)生沖突，會(huì)產(chǎn)生丟包等問題，效率低且可靠性差。另外，多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，通信延遲高，無法保證消息傳遞的確定性。

采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)通信是指在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通信任務(wù)調(diào)度表，按照時(shí)間先后次序進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。在時(shí)間觸發(fā)機(jī)制網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的利用率可以達(dá)到80%～90%，比事件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的利用率高，確定性好。網(wǎng)絡(luò)通信按照調(diào)度表進(jìn)行，收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間可以預(yù)估，而且建立全局系統(tǒng)狀態(tài)有利于系統(tǒng)的維護(hù)操作。時(shí)間觸發(fā)機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新形勢下，在航空航天等對于網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性有高要求的領(lǐng)域中將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用。

時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及全局的時(shí)間同步與調(diào)度表的設(shè)計(jì)，其中全局的時(shí)間同步尤為關(guān)鍵，不同的同步方法會(huì)有不同的耗時(shí)及通信開銷和同步精度，對時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的性能效果有很大的影響。目前存在多種時(shí)間同步方法，能否適用于時(shí)間觸發(fā)通信的實(shí)際系統(tǒng)尚待研究，在多種方法中選擇更為合適的方案是時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題。

1 相關(guān)工作

近年來， 時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)TTP[1]與TTE[2]憑借著良好的通信實(shí)時(shí)性與應(yīng)用廣泛的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]一同成為了通信領(lǐng)域的熱門方向。其中關(guān)鍵技術(shù)——時(shí)間同步也就成為了研究的熱點(diǎn)。時(shí)間同步方案分類有多種方式[4]，有內(nèi)部同步與外部同步，概率同步[5]與確定同步，立即修正同步與維護(hù)時(shí)間同步，而下文介紹的最常用的分類方法是主從同步與互同步，不同方法有不同的應(yīng)用背景。

在同步問題被提出時(shí)，時(shí)鐘模型一般被抽象為C(t)=ax+b(x為單位時(shí)間，a為時(shí)鐘漂移速率，b為時(shí)鐘偏置)，時(shí)間同步就是通過校正使多個(gè)不同的時(shí)鐘模型最終具有相同的時(shí)鐘速率和偏置，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。1985年NTP[6]被提出，是最早且當(dāng)時(shí)應(yīng)用較廣的時(shí)間同步方法之一。隨后，時(shí)間同步一方面延續(xù)NTP的同步思路發(fā)展：有NTP拓展的TPSN[7]算法，有現(xiàn)今應(yīng)用較為廣泛的IEEE1588協(xié)議，以及TPSN的優(yōu)化LTS低深度生成樹算法[8]。除了節(jié)點(diǎn)成對同步算法之外，也有單向通信的同步算法，相比于成對同步，它犧牲了一部分時(shí)間精度，但節(jié)約了能耗和開銷，同時(shí)也能避免通信交互帶來的不確定性，代表算法有 FTSP[8]與DMTS[9]，主要思想為發(fā)送方在消息發(fā)送時(shí)刻獲取本地時(shí)間打上時(shí)間戳，消息的接收方獲得時(shí)間戳，并記錄接收消息的本地時(shí)間，并以此為依據(jù)同步。主從同步是主節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有自身信息的分組，其他節(jié)點(diǎn)參照分組信息對自身時(shí)鐘進(jìn)行校正。因此，由于對主控節(jié)點(diǎn)的選取和維護(hù)方法不同，除了上述方法外，也有如全節(jié)點(diǎn)同步的新主從同步方法被提出。

另一方面，由于主從同步方法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)不佳，理論上更適用于大型網(wǎng)絡(luò)的互同步方法進(jìn)入了時(shí)間同步的研究范圍，RBS[10]是最早提出的應(yīng)用最廣的互同步方法之一，而后也衍生出PBS[11]等同步方案。此外，互同步方案不同于主從同步，它的核心思想是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都從多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)收集時(shí)鐘的參考值，考慮節(jié)點(diǎn)距離與校正次數(shù)等不同的影響因素，在一個(gè)時(shí)刻通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間值的不同加權(quán)方法得到一個(gè)估算值。在互同步中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)這種獲取估算值的操作，讓所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘值不斷收斂，最終趨向于統(tǒng)一化。此類收斂函數(shù)式。的互同步方案代表性的方法有2006年提出的同步擴(kuò)散[12]與非同步擴(kuò)散方案[14]，其中使用了節(jié)點(diǎn)交換信息的隨機(jī)矩陣，開拓了數(shù)學(xué)與時(shí)間同步的結(jié)合研究領(lǐng)域；也有平均時(shí)間同步ATS算法[15]和分布式時(shí)間同步DTS算法，其核心思想是把同步分為斜率同步和偏差同步兩個(gè)階段[14]，而2012年提出的CCS算法結(jié)合了兩個(gè)同步的階段，并在估計(jì)加權(quán)上提出了置信參數(shù)的方法，取得了比原有加權(quán)方法更好的效果。但以上收斂函數(shù)式互同步方案較為復(fù)雜，僅在數(shù)學(xué)理論與仿真中檢驗(yàn)了正確性，在實(shí)際系統(tǒng)中的效果有待于進(jìn)一步研究。

總體看來，隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)得到了更廣泛的應(yīng)用，作為時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵——時(shí)間同步技術(shù)產(chǎn)生了諸多方法上的創(chuàng)新，每種方法都有各自特點(diǎn)。隨著時(shí)間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)種類的多樣化，探究不同方案適合的網(wǎng)絡(luò)情況必將是值得關(guān)注的研究領(lǐng)域。

2 方案介紹

結(jié)合上述的介紹，主從同步方案中，IEEE1588協(xié)議優(yōu)化方法多，同步精度高，適用條件寬泛，實(shí)際應(yīng)用較多；環(huán)型主從同步(全節(jié)點(diǎn)同步)通信開銷較小，將一段通信時(shí)間平均到每個(gè)相似節(jié)點(diǎn)的算法思路具有啟發(fā)意義；而互同步中RBS同步方案較為成熟，具有代表性且在實(shí)際中檢驗(yàn)了可行性與正確性。因此，本文選擇了星型主從同步(基于IEEE1588協(xié)議)，環(huán)型主從同步與RBS同步作為主從同步與互同步的代表方案進(jìn)行理論分析并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行測試。

2.1 星型主從同步方案

2.1.1 同步原理

星型主從同步的主要結(jié)合了IEEE1588協(xié)議進(jìn)行工作。其同步原理為成對同步，對于一對節(jié)點(diǎn)，確定一個(gè)為主時(shí)鐘，另一個(gè)為從時(shí)鐘。兩個(gè)CPU通過兩次互相收發(fā)帶有時(shí)間戳的報(bào)文計(jì)算兩個(gè)CPU之間的通信延遲和時(shí)鐘偏差來完成時(shí)間同步，具體執(zhí)行過程如圖1所示。

圖1 IEEE1588協(xié)議流程

1)主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，同時(shí)記錄下發(fā)送報(bào)文的本地時(shí)間t1;

2)主時(shí)鐘再發(fā)送Follow_up報(bào)文，帶有時(shí)間戳t1;

3)從時(shí)鐘接收報(bào)文，收到Sync報(bào)文時(shí)記錄本地時(shí)間t2，從Follow_up報(bào)文中解析時(shí)間t1;

4)從時(shí)鐘發(fā)送Delay_request報(bào)文，同時(shí)記錄發(fā)送報(bào)文的本地時(shí)間t3;

5)主時(shí)鐘接收到Delay_request報(bào)文，記錄本地時(shí)間t4，發(fā)送帶有t4時(shí)間戳的Delay_response報(bào)文;

6)從時(shí)鐘解析t4后通過t1,t2,t3,t4四個(gè)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算與時(shí)鐘校正[17]，由圖1可知：

t2-t1=tdelay-toffse

t4-t3=toffset+tdelay

tmaster=tslave+toffset

由此，可以計(jì)算出時(shí)間偏置。

2.1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

星型主從同步系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 星型同步系統(tǒng)框架

本文的時(shí)間同步的通信中的每個(gè)報(bào)文長度都是16字節(jié)，具體劃分如圖3所示。

圖3 報(bào)文結(jié)構(gòu)

2.1.3 時(shí)鐘漂移速率校正

星型系統(tǒng)中，在完成系統(tǒng)一個(gè)周期的整體同步之后，可以認(rèn)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都與主節(jié)點(diǎn)時(shí)間一致。而傳統(tǒng)的IEEE1588協(xié)議只能保證在同步的一個(gè)時(shí)刻，兩個(gè)時(shí)鐘的值相等，然而時(shí)鐘的漂移速率仍有差異，同步間隔中，時(shí)鐘之間的偏差會(huì)持續(xù)增大，無法達(dá)到時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的要求。在已有的研究中，有論文提出了寄存器存儲(chǔ)頻率比系數(shù)輔助速率校正[18]，然而經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，這種方法在STM32F407芯片上效果不佳，究其原因有二：首先，STM32F407芯片不支持double類型，頻率比系數(shù)必須要很高的精度才能取得校正小誤差的效果，因此從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)角度來看，無法使用高精度小數(shù)修正時(shí)鐘速率。其次，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用float類型進(jìn)行校正，然而float類型有效位數(shù)少，精度太低，每次浮點(diǎn)數(shù)向整數(shù)轉(zhuǎn)換也存在舍去的精度，修正可在一定程度上提高同步精度，但是最終效果無法令人滿意為了解決STM32F407中的時(shí)鐘漂移速率修正的問題，經(jīng)過思考與實(shí)踐，本文最終在系統(tǒng)中采用了一種人工計(jì)算和設(shè)置結(jié)合而不使用小數(shù)的修正從時(shí)鐘速率的方法如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘速率修正算法示意圖

1)確定一個(gè)時(shí)鐘周期，在每個(gè)周期同一位置做標(biāo)記；

2)相鄰兩個(gè)周期的時(shí)鐘counter作差，分別記錄不同CPU在同一時(shí)間段內(nèi)的計(jì)數(shù)；

3)計(jì)算主從時(shí)鐘計(jì)數(shù)的偏差值，用主時(shí)鐘計(jì)數(shù)值/偏差值作為變量a(偏差相對時(shí)鐘計(jì)數(shù)較小，則a會(huì)取成比較大的整數(shù))；

4)在時(shí)鐘中斷處再設(shè)立一個(gè)計(jì)數(shù)器change_counter，它在和counter執(zhí)行同樣操作基礎(chǔ)上，每當(dāng)change_counter計(jì)數(shù)達(dá)到a時(shí)，清零change_counter，如果從時(shí)鐘相對于主時(shí)鐘慢，給從時(shí)鐘counter加1；相對主時(shí)鐘快，則給從時(shí)鐘counter減1；

圖5為本文時(shí)鐘修正速率方法的示意圖，把偏差分散均勻校正。

圖5 時(shí)鐘速率修正效果圖

通過加入上述的時(shí)鐘漂移速率校正方法，星型主從同步可以取得更高的精度，實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果詳見后文。本文后續(xù)介紹的方案都需要通信節(jié)點(diǎn)參數(shù)相同，因而都需要使用上述的校正時(shí)鐘速率的方法。

2.2 環(huán)型主從同步方案

2.2.1 同步原理

環(huán)型主從同步也被稱為基于全節(jié)點(diǎn)的同步，需要同步的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成環(huán)型拓?fù)?，在一輪同步過程中，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文環(huán)繞節(jié)點(diǎn)一周，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)記錄接收報(bào)文的本地時(shí)間及在環(huán)型中的順序，同時(shí)記錄主節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文的起始和結(jié)束時(shí)間，隨后將這一時(shí)間段平均到每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)上。在環(huán)型當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的能力與速度基本相同，且每一條通信線路上報(bào)文傳播時(shí)間基本相同的情況下，可以通過從節(jié)點(diǎn)先前的本地時(shí)間和在環(huán)型中的位置估算主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的偏差，從而進(jìn)行校正。

2.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

環(huán)型主從同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是建立在一個(gè)將所有節(jié)點(diǎn)排成環(huán)型的拓?fù)渖?保證數(shù)據(jù)包至少經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)一次)，選定一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，按照如圖6所示的算法進(jìn)行：

圖6 環(huán)型主從同步算法示意圖

1)通過本文上述的同步時(shí)鐘速率方案統(tǒng)一所有通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘速率；

2)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)報(bào)文，同時(shí)記錄發(fā)送報(bào)文時(shí)刻的本地時(shí)間tstart，報(bào)文當(dāng)中包含報(bào)文在接收之前經(jīng)過了多少個(gè)節(jié)點(diǎn)(假設(shè)環(huán)型上共有n個(gè)節(jié)點(diǎn))；

3)每個(gè)從節(jié)點(diǎn)在接收到報(bào)文時(shí)，記錄自己在環(huán)型當(dāng)中的相對順序k，以及接收報(bào)文時(shí)刻的本地時(shí)間tk，對報(bào)文進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)發(fā)；

4)當(dāng)報(bào)文傳輸過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少一次之后，記錄報(bào)文返回到主節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間tend；

5)主節(jié)點(diǎn)再次發(fā)送報(bào)文，報(bào)文當(dāng)中包含tstart與tend的時(shí)間戳信息，其中時(shí)間戳要打在數(shù)據(jù)幀的相同位置，保證各節(jié)點(diǎn)的通信延遲基本相等；

6)對于每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)k，從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文當(dāng)中提取起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的信息，計(jì)算(tend-tstart)*(k-1)/n，取與其數(shù)值上更為接近的整數(shù)，設(shè)為x；

7)對于從節(jié)點(diǎn)k，當(dāng)前其本地時(shí)間為t，則將其時(shí)鐘調(diào)整為(t-tk+tstart+x)。

上述的式子可以拆開分析，在報(bào)文到達(dá)k節(jié)點(diǎn)時(shí)，k節(jié)點(diǎn)時(shí)間為tk，而(tstart+x)可以認(rèn)為是起始時(shí)間加報(bào)文到k節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間，即主節(jié)點(diǎn)此時(shí)的對應(yīng)時(shí)間，相減得到從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差，最后通過偏差值對從時(shí)鐘進(jìn)行校正。

2.3 RBS同步方案

RBS同步是一種常見的互同步方案，其同步原理是通過參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播報(bào)文實(shí)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)之間的同步如圖7[19]。

發(fā)送的報(bào)文本身不需要帶有時(shí)間戳，具體發(fā)送時(shí)間沒有硬性要求，只需要保證連接正常，信道暢通即可。RBS同步通過一次報(bào)文的廣播使得多個(gè)接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，在足夠多次的廣播與同步后，節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘達(dá)到一致。

基于STM32F407芯片實(shí)現(xiàn)的RBS方案具體實(shí)施如下：

1)同步所有通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘速率;

2)選定發(fā)送節(jié)點(diǎn)，同時(shí)向a，b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(也可多個(gè))廣播不帶有時(shí)間戳的報(bào)文;

3)兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)記錄接收報(bào)文時(shí)刻本地時(shí)間，通過報(bào)文返回發(fā)送節(jié)點(diǎn)(a，b之間有通信連接也可以直接通信完成校正);

4)發(fā)送節(jié)點(diǎn)處理a，b節(jié)點(diǎn)反饋的報(bào)文，計(jì)算時(shí)鐘偏差值;

5)接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)鐘偏差信息完成校正。

3 理論分析

以下本文會(huì)結(jié)合上述的原理介紹對3種方法進(jìn)行理論分析，主要對比3個(gè)方案優(yōu)勢，缺陷以及其適用場景。

3.1 優(yōu)勢與缺陷

星型主從同步方案和環(huán)型主從同步方案過程簡單，從節(jié)點(diǎn)校正目標(biāo)明確，同步效果可控，收斂速度快，由于算法是確定性的，在編寫難度上較小。其中星型主從同步方案基于IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛，適用于分布式系統(tǒng)，同步精度高[17]。而環(huán)型主從同步，在每輪同步過程當(dāng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅需要收發(fā)報(bào)文兩次，相比于其他算法，通信開銷低，節(jié)約能耗。

兩種方案有主從同步固有的優(yōu)勢，也有主從同步無法回避的缺陷：兩個(gè)方案都極度依賴于主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化或離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，時(shí)間同步會(huì)受到很大的影響。此外，兩個(gè)方案在大型網(wǎng)絡(luò)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較大的網(wǎng)絡(luò)上不適用，星型主從同步的主節(jié)點(diǎn)本身通信負(fù)擔(dān)較重，容易產(chǎn)生擁塞，一旦節(jié)點(diǎn)過多則會(huì)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響；而環(huán)型主從同步對連接的形式要求較高，在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)較難實(shí)現(xiàn)環(huán)型的通信傳輸，同步周期較長，此外，一旦拓?fù)渖系囊粋€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，可能會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

圖7 RBS同步原理

除了機(jī)制上的缺陷，星型主從同步基于IEEE1588協(xié)議，要求節(jié)點(diǎn)成對通信時(shí)往返傳輸延遲是相同的錯(cuò)誤！未找到引用源。，然而實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)未必能完全滿足這個(gè)假設(shè)前提，往往會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，對同步的效果造成影響。同理，環(huán)型主從同步建立在“節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)能力相同，所有線路傳輸延遲相同”的假設(shè)條件下，這個(gè)假設(shè)條件在實(shí)際系統(tǒng)中很難成立，因此實(shí)際精度受到影響。

RBS同步通過廣播消除了發(fā)送方延遲對同步精度的影響，算法的運(yùn)行不依賴于某一個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足連接要求的節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。其同步算法可以分別在某一個(gè)局部運(yùn)行，通信開銷較為均勻，不易產(chǎn)生因?yàn)橥酵ㄐ艑?dǎo)致的擁塞問題，因此，RBS同步可用于大型網(wǎng)絡(luò)以及動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

缺陷方面，RBS同步相比于上述的方案編寫算法更加復(fù)雜，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)間同步需要一定的收斂時(shí)間，無法像主從同步一樣讓通信的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)立刻同步。在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的情況下，同步精度與收斂速度會(huì)比適用的主從同步方案差。

3.2 適用場景

結(jié)合上述的優(yōu)勢與缺陷的分析，可以總結(jié)各方案特點(diǎn)，確定方案的適用場景如表1所示。

表1 同步方案特點(diǎn)總結(jié)

4 時(shí)間同步測試

在進(jìn)行了上述的理論分析后，使用3個(gè)STM32F407芯片搭建CPU，使用不同的拓?fù)湫问?，?shí)現(xiàn)上述的3種時(shí)間同步方式的性能測試與對比。

4.1 時(shí)間同步測試方案

每一個(gè)方案的測試過程首先是分別給CPU進(jìn)行上電，可以保證每個(gè)CPU在初始運(yùn)行時(shí)刻時(shí)鐘各不相同。在CPU通信時(shí)，保證通信方式與參數(shù)均相同。

檢驗(yàn)時(shí)間同步的效果主要使用示波器進(jìn)行正確性檢測在時(shí)鐘中斷處根據(jù)時(shí)鐘值觸發(fā)GPIO引腳輸出方波，使用示波器的多個(gè)通道對比方波的跳變邊沿，差值在微秒級。

4.2 測試結(jié)果與分析

使用相同的STM32F407芯片，分別運(yùn)行不同的時(shí)間同步方法，時(shí)鐘穩(wěn)定運(yùn)行后，每次同步間隔5 s，記錄100次以上的同步結(jié)果，求取平均值作為衡量同步方案的指標(biāo)，時(shí)鐘速率校正方法測試結(jié)果如表2所示。

表2 速率校正測試結(jié)果

3種使用本文提出的校正時(shí)鐘速率方法后的方案測試結(jié)果如表3所示。

表3 多方案同步測試結(jié)果

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中可以看出，3種時(shí)間同步方案的精度都可以達(dá)到微秒級，可以滿足一般的時(shí)間觸發(fā)總線的通信要求。比較分析，在需要參與時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，基于IEEE1588協(xié)議的星型主從同步方法，通信負(fù)擔(dān)較重，但在同步精度上明顯好于其他兩種方法。環(huán)型主從同步與RBS同步在同步精度和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)上較為相近，在節(jié)點(diǎn)較少的情況下不適用，環(huán)型主從同步更適用于網(wǎng)絡(luò)情況節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，連接方式能形成環(huán)型，各節(jié)點(diǎn)與線路在處理數(shù)據(jù)和通信傳輸能力相似，在系統(tǒng)采用的節(jié)點(diǎn)和線路有所差別時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。而RBS同步更適合動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對于網(wǎng)絡(luò)連接方式要求不高，但在所有節(jié)點(diǎn)的同步速度會(huì)較慢，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，精度會(huì)比適用的主從同步差。測試結(jié)果檢驗(yàn)了上文理論分析的正確性。

5 結(jié)語

本文首先對時(shí)間同步的相關(guān)工作進(jìn)行了介紹，從中選取了3種典型的方案——星型主從同步，環(huán)型主從同步與RBS同步進(jìn)行了算法介紹和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。隨后，本文從3個(gè)方案的特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，明確了3種方案的優(yōu)勢，缺陷以及適用的場景。最后，本文結(jié)合基于STM32F407芯片搭建的時(shí)間同步系統(tǒng)，通過示波器檢驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性；試驗(yàn)結(jié)果表明，3種同步方案精度可以達(dá)到微秒級別；比較了在需要同步節(jié)點(diǎn)較少情況下，3種方案取得同步效果的優(yōu)劣，進(jìn)一步驗(yàn)證了之前所做分析——“星型主從同步更適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目少的時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)”。

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