胡曦明 馬 苗

(現(xiàn)代教學技術教育部重點實驗室 陜西 西安 710119) (陜西師范大學計算機科學學院 陜西 西安 710119)

0 引 言

作為支撐網(wǎng)絡化智能系統(tǒng)有序協(xié)同工作的關鍵技術，時鐘系統(tǒng)在電力電網(wǎng)[1-2]、化工生產(chǎn)[3]、城市軌道交通[4-5]、無線通信[6-7]等眾多行業(yè)的發(fā)展中得到了重點關注，而隨著智能系統(tǒng)的復雜度和精細化程度不斷提升，對高精度同步時鐘開展研究的深度和應用的廣度都取得了長足的進步。值得注意的是，當前得到快速發(fā)展的高精度時鐘系統(tǒng)的服務對象集中在面向“物”而不是面向“人”，即為裝置、設備和器件等提供時鐘同步服務。

隨著“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”上升成為國家戰(zhàn)略，以優(yōu)客工場、We+等為代表的諸多眾創(chuàng)空間[8]得到飛速發(fā)展，這些信息時代的聯(lián)合辦公空間區(qū)別于傳統(tǒng)工作場所的重要特征是能夠為租戶提供包括時間在內(nèi)的多種信息服務，這使得面向“人”的公共時鐘信息服務需求日益突顯。由于服務對象和應用場景的不同，這類以“人”為服務對象的公共時鐘系統(tǒng)其功能設計與常見的以“物”為服務對象的時鐘系統(tǒng)有著明顯的差異。

1 系統(tǒng)的功能設計

1.1 系統(tǒng)復雜度低

常見的針對裝置、設備等供時的時鐘系統(tǒng)，對較大地域范圍內(nèi)的高精度不間斷時間同步性能具有極高要求。例如，在城市地鐵中部署的時鐘系統(tǒng)要求在地鐵線路覆蓋的地域范圍內(nèi)，全網(wǎng)時鐘7×24小時不間斷同步精度達到毫秒級。由此導致這類為“物”供時的時鐘系統(tǒng)普遍采用多級母鐘、多重校準和同級冗余時鐘源等非常復雜的時控架構[9]，造成整個時鐘系統(tǒng)的部署工期長、建設難度大、投入成本高。

相比而言，在眾創(chuàng)空間、信息化教室等場所為人類工作、學習等日?；顒臃盏臅r鐘系統(tǒng)對時間同步精度在秒級以下并不敏感，系統(tǒng)部署的地域范圍要求不高(通常以樓宇為邊界)，但對時鐘系統(tǒng)的建設投入和運維成本非常關注，由此決定了這類在園區(qū)內(nèi)為人供時的公共時鐘系統(tǒng)即使在大規(guī)模部署的情況下，仍需維持較低復雜度。

1.2 系統(tǒng)可擴展性好

相對于在地鐵、無線通信等行業(yè)中應用的高精度時鐘系統(tǒng)，適用于聯(lián)合辦公、信息化教室等園區(qū)范圍內(nèi)的時鐘系統(tǒng)雖然對部署地域范圍的擴展性要求較為寬松，但在終端部署規(guī)模和密集程度上要求具有較高的可擴展性。因為不論是眾創(chuàng)空間這類組合型共享辦公場所還是教學樓宇，通常是由密集分布的多個空間隔斷構成，這樣可以通過容納更多的人員、單位同時占用來達到降低成本的目的。

對于時鐘系統(tǒng)的擴展，涉及到時控軟件、時控硬件以及電源等。良好的可擴展性要求在系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模擴容的過程中，時控軟件能夠保持穩(wěn)定，需增加的時控硬件在型號上向單一化發(fā)展，同時在數(shù)量上與擴容量呈小比例關系，而所需電源數(shù)量等供時基礎條件與擴容量趨向于不相關。

1.3 系統(tǒng)綠色環(huán)保易維護

一方面，為設備供時的高精度同步時鐘系統(tǒng)在運行中需要專業(yè)人員進行維護保養(yǎng)，例如在地鐵中設有基層班組承擔時鐘系統(tǒng)的保障維護，并且會組織各類時鐘系統(tǒng)技能比武[10]，由此可見其系統(tǒng)的維護操作有難度，運維成本高。

另一方面，傳統(tǒng)的在各個工作區(qū)間逐一配置獨立時鐘的供時方式，同樣需有專門人員負責對安裝在不同位置的多個時鐘逐個進行人工調(diào)時校準、更換電池等維護操作。這樣分散、孤立的時鐘配置方式不僅會使維護人力開銷隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長而線性增加，并且會產(chǎn)生長期的大量干電池消耗，而被更換下來的大批報廢干電池一旦處置不當又會造成環(huán)境污染，這些弊端在學校、寫字樓等園區(qū)供時過程中長期存在，并屬尚待解決的現(xiàn)實問題。

1.4 系統(tǒng)人性化和個性化

在系統(tǒng)功能設計中，考慮人性化和個性化的特殊計時需求既非常必要，又是本系統(tǒng)的特色和創(chuàng)新。由于本系統(tǒng)供時是面向“人”，而人類從事生產(chǎn)、學習等活動相對于機器設備機械式的運轉(zhuǎn)具有獨特的人性化與個性化，由此帶來供時的差異性和不確定性。

例如，東方航空公司從2012年起為內(nèi)部員工新設了“東航時間”，其比北京時間提前10分鐘，以此作為員工安排工作的時間基準[11]。這樣東航西北分公司等國內(nèi)各分公司辦公樓的供時要求是時鐘對時要在北京時間基礎上調(diào)快10分鐘，在未來“東航時間”這一相對時間會根據(jù)公司運營需求而不斷變化。另外一個例子，學校組織的各類考試有嚴格的時間限制，考場的供時需求是從考試開始之后能為考生提供考試剩余時間，以便于考生合理安排答卷進度。如果考場的計時器能夠以開考時間作為定時先正向走時，當定時超時之后再開始對考試時長進行倒計時，直至時間耗盡考試結束。如此設計，其計時效果將更加符合人類習慣、更加一目了然，而這樣的人性化與個性化是任何單純追求高精度同步的時鐘系統(tǒng)所不具備的。

總的來看，新形勢下聯(lián)合辦公等眾創(chuàng)空間致力于可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展；教育信息化強調(diào)以信息技術升級改造教學基礎環(huán)境；園區(qū)計時向人性化和個性化升級，這些社會、經(jīng)濟和教育等領域的革新對園區(qū)范圍內(nèi)大規(guī)模供時提出了新的需求，研究適用于共享空間、信息化教室等新興場景的時鐘系統(tǒng)具有顯著的應用價值和廣闊的應用前景。

2 系統(tǒng)總體設計

針對上述功能要求，系統(tǒng)總體設計如圖1所示，具體由RTC產(chǎn)生單元、授時服務器、控制維護界面、主控制器、擴展器、計時終端以及供電單元組成。

RTC時鐘源，主要負責向系統(tǒng)提供絕對時間基準，也就是部署地所屬時區(qū)的國際標準時間，其來源是具有自校時功能的獨立數(shù)字時鐘，通過采用普通晶振并引入GPS等外部時標進行定時校頻，其技術已非常成熟[12-13]。這樣不僅成本低、易實現(xiàn)，而且時間準確度可達10-8以上，完全可以作為時鐘源向系統(tǒng)授時。

圖1 系統(tǒng)的總體設計

2.1 授時服務器

主要負責根據(jù)控制維護界面的時控操作設置，選擇時鐘源并產(chǎn)生相應的時控信令下發(fā)主控制器；接收主控制器上報的系統(tǒng)狀態(tài)信息，處理后生成相應的狀態(tài)參量發(fā)送給控制維護界面，以響應控制維護界面的時控操作和更新系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。對于時鐘源的選擇，授時服務器既可以從RTC時鐘源接受絕對時間，也可以從控制維護界面接受人為指定的自定義時間，這樣不僅可以實現(xiàn)以國際標準時間為基準的正常計時功能，還可以滿足以園區(qū)相對時間為基準的特殊計時需求，實現(xiàn)系統(tǒng)供時的人性化和個性化。

2.2 主控制器和擴展器

主要負責接收上位授時服務器下發(fā)的時控信令，再根據(jù)時控信令指示將信令由主控制器或擴展器分發(fā)給本級的各個業(yè)務端口，由這些業(yè)務端口轉(zhuǎn)發(fā)給下位級聯(lián)的擴展器或者在本級對信令進行處置以實現(xiàn)對業(yè)務端口所連計時終端的時控操作。

2.3 計時終端

具有自計時功能，同時接收上位所連的主控制器或擴展器下發(fā)的時控命令，在本級完成授時、校時和調(diào)時等時控操作的執(zhí)行，并將計時狀態(tài)主動上報或響應查詢。

2.4 系統(tǒng)供電

RTC時鐘源、授時服務器、主控制器和擴展器需要配置電源單獨供電，但系統(tǒng)中數(shù)量最多的計時終端不需要獨立電源。計時終端通常放置在各工作區(qū)空間內(nèi)(如辦公室、教室等)作為供時顯示接口，其供電通過上位的主控制器或擴展器所連接的業(yè)務端口將電源與時控信號在一條電纜中同時傳輸而來，其工作規(guī)程兼容以太網(wǎng)供電技術(PoE)協(xié)議IEEE802.3af[14]，這樣實現(xiàn)了對傳統(tǒng)時鐘采用干電池供電或數(shù)字萬年歷需要獨立電源供電的升級換代[15]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)的硬件架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件架構

授時服務器接受絕對時間或自定義時間，通過PCI接口的RS485串口卡向下位的主控制器發(fā)送時控信令。主控制器可以采用總線型方式橫向擴展，系統(tǒng)橫向最多支持254個主控制器。主控制器需配置獨立電源，并通過業(yè)務口向下位的計時終端傳輸信號和供電，單個主控制器最多支持下連254個計時終端。

相對于橫向擴展的方式，系統(tǒng)可以向下進行縱向擴展，這是通過主控制器的擴展口向下級聯(lián)擴展器來實現(xiàn)的。下位擴展器通過上行口與上位主控制器形成RS485總線型拓撲，每個主控制器最多支持向下級聯(lián)254個擴展器。

整個系統(tǒng)采用集中式串口通信時控的方式工作，為保證系統(tǒng)的時間精確度，縱向最多擴展一級擴展器。系統(tǒng)通過橫向和縱向擴展，理論上滿負荷可實現(xiàn)集中控制的計時終端數(shù)大于1 600萬個，具有良好的可擴展性。

系統(tǒng)的集中時控方式包括點對多點式(廣播或組播)和點對點式，其中廣播式用于實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有計時終端統(tǒng)一的時控操作，組播式用于實現(xiàn)某一個主控制器或擴展器下所連接的全部計時終端的控制操作，點對點式用于精確的控制系統(tǒng)中的某一個計時終端。

綜合運用上述時控方式，不僅可以實現(xiàn)集中控制各個獨立的計時終端時鐘走時準確、一致，還可以支持不同的計時終端根據(jù)應用需求采用各自不同的時間基準以不同的計時方式工作，相互不干擾。這樣既大大降低了原來采用人工調(diào)時的方式逐個調(diào)校放置在不同地點的時鐘所產(chǎn)生的人力成本，還可以支持自定義時間、定時倒計時等人性化和個性化的供時需求。

3.2 ATP時控協(xié)議

可以看到，在時控架構上，采用主控制器和擴展器分別在橫向和縱向上進行擴展可以形成層次清晰、靈活多樣的供時網(wǎng)絡拓撲；在時控方式上，系統(tǒng)支持廣播、組播和點對點式等多種控制方式；在計時功能上，除正常計時之外還能夠滿足定時、倒計時等人性化和個性化的特殊計時需求。系統(tǒng)要想實現(xiàn)這樣的性能，一方面需要硬件架構作支撐，另一方面需要相適應的時控協(xié)議作保障，而這是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)[16]或局域網(wǎng)時鐘同步協(xié)議[17]無法支持的。

3.2.1 ATP協(xié)議

本系統(tǒng)設計了一種新型園區(qū)時間協(xié)議ATP，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)中的時控設備尋址、時控操作命令、計時差錯報告等多種計時控制和系統(tǒng)管理功能。ATP協(xié)議報文格式如圖3所示，包括12字節(jié)固定首部和變長數(shù)據(jù)字段，不同的類型和代碼有不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖3 ATP報文格式

ATP報文以標志字符0xAB開始和結束，當該字符出現(xiàn)在ATP報文中時，ATP進行標志字符的轉(zhuǎn)義，以實現(xiàn)報文的透明傳輸。

3.2.2 ATP固定首部字段

版本號用來區(qū)分不同的ATP版本，便于協(xié)議升級。時控域用來標識區(qū)域中不同的時鐘系統(tǒng)。通過時控域可以允許管理者在一個園區(qū)中同時部署多個時鐘系統(tǒng)，每個時鐘系統(tǒng)在一個時控域內(nèi)運行，這樣就可以用一臺時控服務器實現(xiàn)對多個時控域內(nèi)的時鐘系統(tǒng)進行集中管理。

類型和代碼合在一起組成操作命令。類型字段描述特定類型的計時控制或系統(tǒng)管理命令，某一類型后的代碼值用來進一步細化該類型命令的不同條件和具體操作，這里節(jié)選部分授時、調(diào)時、倒計時和報文差錯報告的類型和代碼，具體如表1所示。

表1 ATP報文類型舉例

總長度字段以字節(jié)為單位，用于指示固定首部加上數(shù)據(jù)字段的總長度。

時控設備地址采用三段式編址，如圖4所示。每段1個字節(jié)，從低位到高位分別代表主控制器地址、該主控制器下級聯(lián)的擴展器地址以及該級聯(lián)的擴展器下連接的計時終端地址。某字段全為0代表其上位機地址，全為1代表本段的廣播地址。

圖4 ATP時控設備地址

舉幾個例子，三段式時控設備地址采用點分十進制表示：

(1) 1.1.1，是一個計時終端地址，指1號主控制器向下級聯(lián)的1號擴展器所連接的1號計時終端；

(2) 1.0.0，是一個主控制器地址，通過這個地址可對1號主控制器進行軟件加載等設備管理操作；

(3) 1.1.255，是一個組播地址，即1號主控制器下級聯(lián)的1號擴展器所連接的所有計時終端所構成的組；

(4) 255.255.255，是一個廣播地址，指整個系統(tǒng)的所有主控制器、擴展器和計時終端。

序列號字段由發(fā)送端任意選擇設定，這些值在目的端的應答中將被返回。通過比對序列號，發(fā)送端可以將下發(fā)的操作命令與目的端應答進行匹配。

檢驗和采用二進制反碼和進行計算，實現(xiàn)對ATP的首部字段和數(shù)據(jù)字段的差錯檢測。

3.2.3 ATP變長數(shù)據(jù)字段

首部中的類型和代碼，決定了數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容。這樣設計既可以實現(xiàn)人性化和個性化的多種時控操作，也使ATP協(xié)議可以根據(jù)應用需求的發(fā)展而不斷更新，從而具有良好的適應性。

以倒計時啟動為例，其ATP協(xié)議格式如圖5所示。當用戶要求以指定時間啟動倒計時，此時授時服務器發(fā)出ATP報文類型為0xC0，代碼為0x01，報文總長度為60字節(jié)，其中數(shù)據(jù)字段長48字節(jié)，共填充三個時間戳，分別代表當前時間、指定時間和倒計時時長。這三個時間戳的報文格式一樣，如圖5所示，可以支持對全球24個不同時區(qū)的時間賦值。

圖5 ATP倒計時啟動報文

目的計時終端收到倒計時報文后，首先通過類型和代碼判斷是啟動倒計時命令，然后用數(shù)據(jù)字段中的當前時間戳進行校時，用指定時間戳作為定時時刻，當定時超時再按數(shù)據(jù)字段中的倒計時時長進行倒計時。以當前時間啟動倒計時(代碼為0x00)的報文，其指定時間戳的值等于當前時間戳值。

綜上所述，ATP不以校時精度為目標，而是強調(diào)支持系統(tǒng)的大規(guī)模擴展和人性化、個性化的時控操作。這是ATP相對于現(xiàn)有網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP最大的不同，也是ATP的創(chuàng)新之處。

3.3 系統(tǒng)測試與結果分析

3.3.1 系統(tǒng)的測試

在系統(tǒng)硬件架構和軟件功能設計之后，對本系統(tǒng)測試基于ATP時控協(xié)議的同步誤差，測試方案如圖6所示。

圖6 測試方案

實驗系統(tǒng)覆蓋范圍模擬一棟5層教學樓的應用場景：授時服務器與各主控制器之間以及主控制器與各下位擴展器之間均采用RS485總線型拓撲連接；授時服務器與主控制器之間的傳輸距離設置為50 m，模擬授時服務器放置在教學樓1層監(jiān)控室與頂樓5層主控制器的傳輸距離；主控制器與下位所連擴展器之間的距離設置為100 m，模擬各個樓層放置的主控制器與本樓層最遠端放置的擴展器之間的傳輸距離。

3.3.2 實驗結果與分析

實驗采用泰克MDO3054型4通道示波器，將示波器的三個通道分別接在授時服務器RS485串口輸出引腳、主控制器擴展口和擴展器擴展口，測試誤差在100 ns以內(nèi)。設置授時服務器每2 s為一周期發(fā)送類型為0x80、代碼為0的ATP授時報文，多周期的測試結果如表2所示。

表2 實驗結果

通過對表2所示實驗結果分析，可得如下結論。

(1) 系統(tǒng)在時鐘同步精度上，完全可以滿足園區(qū)內(nèi)為人供時的要求，因為人們在教學樓、眾創(chuàng)空間等園區(qū)的地域范圍之內(nèi)開展聽課、考試、上下班考勤等生產(chǎn)活動所需的供時同步精度通常要求到秒級。

(2) 按上述的系統(tǒng)測試方案，造成同步誤差的主要因素在于主控制器和擴展器的處理時延和傳輸時延，由于系統(tǒng)低負荷和傳輸距離有限使得兩級的排隊時延和傳播時延可以近似省略不計。

(3) 對系統(tǒng)可靠性做進一步優(yōu)化設計。根據(jù)實驗結果，測試系統(tǒng)最遠端的擴展器與授時服務器之間同步時延為20 ms左右，考慮到在報文傳輸鏈路中斷、報文丟失、報文差錯等故障情況下，授時服務器需采用“等待-超時-重傳”的可靠性機制，而多次重傳有可能造成系統(tǒng)計時終端的計時指令亂序。另外，多終端之間重傳時延的迭加效應也可能給系統(tǒng)計時精度帶來嚴重影響。

綜上所述，通過測試驗證了本系統(tǒng)在供時精度和計時同步控制功能上可以滿足園區(qū)公共時鐘系統(tǒng)的設計性能要求，具有可擴展性好、易實現(xiàn)、易維護等優(yōu)點，其可靠性設計是系統(tǒng)進一步優(yōu)化的研究方向。

4 結 語

時鐘是保障系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)一致的重要參量，在地鐵、化工和通信等行業(yè)中時鐘系統(tǒng)針對裝置、設備等“物”供時，在性能上強調(diào)高精度同步。隨著新形勢下社會、經(jīng)濟和教育等領域的革新，眾創(chuàng)空間、信息化教室等場所為“人”供時的需求突顯，計時功能向人性化和個性化升級。

對此，本研究對園區(qū)供時需求進行了深入分析，得出了復雜度低、可擴展性好、綠色環(huán)保易維護和具有人性化和個性化的時鐘系統(tǒng)功能設計。并以此為出發(fā)點給出了系統(tǒng)的總體設計和系統(tǒng)實現(xiàn)方案，所提出的園區(qū)時間協(xié)議ATP是一種不同于現(xiàn)有NTP的新型協(xié)議，其功能完善，可實現(xiàn)計時人性化和個性化，能夠為時鐘系統(tǒng)發(fā)展提供新的途徑。