專利名稱：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工業(yè)無線通信技術領域，具體涉及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中時間同步技術。
背景技術：
近些年，無線通信技術取得了突飛猛進的發(fā)展，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術作為無線通信技術的一個分支更是在近幾年內(nèi)飛速前進。工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡技術是從無線傳感器網(wǎng)絡技術演化而來，是一種面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，其網(wǎng)絡具有低功耗、安裝維護成本低等特點，已成為工業(yè)自動化領域的又一發(fā)展趨勢，目前，工業(yè)無線標準的制定成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術競爭的焦點。在工業(yè)環(huán)境下建立高可靠性，高實時性的無線傳感網(wǎng)絡成為人們迫切的需求。工業(yè)無線ISA100. Ila標準是開放的工業(yè)無線國際標準，主要針對流程/過程自 動化領域，并為其提供報警類應用及非實時性監(jiān)控的解決方案和系統(tǒng)。ISA100不僅局限于此，還包括定位與追蹤、設備管理、工廠自動化、RFID和過程自動操作等應用。工業(yè)無線WIA-PA標準是中國無線工業(yè)聯(lián)盟推出的一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)技術規(guī)范。基于IEEE STD802. 15. 4-2006標準，用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡通信標準。ISA100. Ila網(wǎng)絡和WIA-PA網(wǎng)絡的時間同步技術是具有共性的關鍵技術之一，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的一項重要的支撐技術，傳感器的數(shù)據(jù)融合、能量管理、傳輸調(diào)度、節(jié)點定位、狀態(tài)切換等基礎性或復雜性的操作都需要網(wǎng)絡中的節(jié)點保持時間同步，時間同步為整個系統(tǒng)的不同模塊提供統(tǒng)一的基準時間，精確的時間同步對于保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)完成一系列基礎性操作至關重要，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信實時性與可靠性的前提與保證，正如《一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步方法》(王恒、王平、于萌萌、王顳、段未紅.一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步方法[P].中國專利201110048982. 8)文中所指出的。傳統(tǒng)的時間同步均由協(xié)議棧軟件算法實現(xiàn)，代碼移植性較差，盡管已近涌現(xiàn)出大量優(yōu)秀算法，但各種時間同步算法都有其局限性，并不能適應任何應用場景，其次不能嚴格的保證同步精度及可靠性，再次復雜的算法還會加大軟件的負擔，增加網(wǎng)絡開銷及后期維護成本。本發(fā)明針對以上缺點提出時間同步的芯片的硬件實現(xiàn)方法，目的在于提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時間同步的精確度及可靠性，保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實時性，同時減輕軟件負擔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題為，針對現(xiàn)有時間同步技術的上述缺陷，根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點，提出了一種滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的，能夠提高時間同步精度及可靠性同時減輕軟件負擔的時間同步芯片的硬件實現(xiàn)方法。根據(jù)工業(yè)無線ISA100. Ila和WIA-PA規(guī)范，發(fā)明了廣告幀/信標幀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步方法和確認幀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步方法。本發(fā)明解決上述問題的技術方案是，提出一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件實現(xiàn)時間同步方法，配置協(xié)議選取寄存器PROTOCOL，開啟廣告幀/信標幀時間同步功能；根據(jù)ISA100. I Ia和WIA-PA標準配置時間戳在廣告幀/信標幀中的偏移位置Tstamp_0ff set ;若是時間源設備，開啟本地時鐘時間Tf1Vtkxal κχ自動捕獲和時間戳自動裝載，同時初始化時間戳發(fā)送寄存器，將網(wǎng)絡的初始時間值裝入該時間戳發(fā)送寄存器，時間源設備發(fā)送廣告幀/信標幀時，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置Tstamp_0fTset在廣告幀/信標幀中插入時間戳；若是非時間源設備，開啟本地時鐘時間LcalViTf1 κχ自動捕獲和時間戳自動解析，同時初始化廣播/信標幀接收時間間隔，接收到廣告幀/信標幀時自動捕獲T^1 κχ時間，解析廣告幀/信標幀時間戳信息，完成時間差計算及本地時鐘校準。時鐘源及非時鐘源設備的硬件芯片實現(xiàn)廣告幀/信標幀時間同步功能流程如下。I.配置PR0T0CAL寄存器，開啟芯片的廣告幀/信標幀時間同步功能。即由芯片的硬件寄存器完成廣告幀/信標幀時間同步相關操作，寄存器捕獲開始發(fā)送或接收時產(chǎn)生幀首定界符SFD中斷時刻本地時鐘時間T^al τχ或T^1 κχ，插入及解析時間戳；2.配置偏移位置寄存器，配置時間戳在廣告幀/信標幀中的偏移位置Tstamp_
Offset0根據(jù)ISA100. IIa和WIA-PA標準配置時間戳在廣告幀/信標幀中的偏移位置Tstamp_Offset ；3.若是時間源設備，開啟本地時鐘時間TkxalV^trcal κχ自動捕獲和時間戳自動裝載，同時初始化時間戳發(fā)送寄存器(Tkal_TX)，將網(wǎng)絡的初始時間值裝入該時間戳發(fā)送寄存器；時間源設備周期性發(fā)送廣告幀/信標幀時，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置Tstamp_Offset，在廣告幀/信標幀中插入時間戳；4.若是非時間源設備，開啟Tf1VXeal κχ時間自動捕獲和時間戳自動解析，同時初始化廣播/信標幀接收時間間隔(TK_iTC_InterVal)，接收到廣告幀/信標幀時自動捕獲T^alj 時間，然后解析廣告幀/信標幀時間戳信息，完成時間差計算及本地時鐘校準。 確認幀芯片的硬件時間同步中，完全由芯片的硬件處理時鐘偏差計算并完成本地時鐘的校準。首先配置協(xié)議選取寄存器PR0T0CAL，開啟確認幀時間同步功能，然后時鐘源和非時鐘源在數(shù)據(jù)的收發(fā)過程中，自動捕獲發(fā)送幀時SFD中斷時刻及接收幀時SFD中斷時刻本地時鐘時間T^1 τχ及T^1 κχ，計算上述本地時鐘時間距離時隙起始邊界的時間偏移，最后計算時鐘偏差并完成校準，時鐘源及非時鐘源設備實現(xiàn)確認幀時間同步功能流程如下。廣告幀/信標幀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步方法和確認幀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步方法能夠顯著的削弱時間同步的實施難度，降低協(xié)議棧軟件復雜度，大幅簡化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件及硬件產(chǎn)品開發(fā)難度，同時用硬件芯片替代復雜的軟件算法，突破了軟件實現(xiàn)時間同步的局限性和缺陷，從根本上減小了偏差，保證了時間同步的通用性、可靠性及精確度。


圖I廣告幀/信標幀中時間戳偏移Tstamp_0ffset示意圖；圖2芯片的硬件時間同步使能及配置；圖3廣告幀/信標幀芯片的硬件時間同步示意圖；圖4廣告幀/信標幀芯片的硬件時間同步流程圖；圖5廣告幀/信標幀接收方芯片的硬件時鐘校準流程圖；圖6確認巾貞芯片的硬件時間同步不意圖7確認巾貞芯片的硬件時間同步流程圖；圖8確認幀接收方芯片的硬件時鐘校準流程圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明I.芯片的硬件時間同步使能及配置配置PR0T0CAL寄存器、開啟芯片的廣告幀/信標幀時間同步功能。由硬件寄存 器捕獲發(fā)送幀時產(chǎn)生SFD中斷時刻本地時鐘時間T^1 τχ、接收幀時產(chǎn)生SFD中斷時刻本地時鐘時間I^eal κχ、插入及解析時間戳、自動時鐘校準；配置PR0T0CAL寄存器、使能芯片的硬件確認幀自動收發(fā)功能及時間同步功能，由芯片的硬件寄存器計算開始發(fā)送時刻及開始接收時刻距離該時隙起始邊界的時間偏移、自動裝載及解析時間偏移、計算時鐘偏差并完成校準；配置PR0TEC0L寄存器，使能由芯片的硬件寄存器計算從開始接收廣告幀/信標幀產(chǎn)生SFD中斷時刻至接收完成時刻的接收時間間隔TK_iTC_Interval ;配置時間戳偏移Tstamp_Offset寄存器，根據(jù)ISA100. I Ia及WIA-PA規(guī)范描述，配置時間戳在廣告幀/信標幀中的偏移位置 Tstamp_0ffset。廣告幀/信標幀中時間戳偏移位置Tstamp_0ffset示意圖如圖I所示；廣告幀/信標幀中，前導碼Preamble之后是幀首定界符SFD，由SFD初偏移Tstamp_0ffset個字節(jié)即為時間戳Timestamp起始位置。芯片時間同步使能及配置流程圖如圖2所示。首先配置PR0T0CAL寄存器，開啟廣告幀/信標幀時間同步功能，開啟確認幀時間同步功能，然后配置Tstamp_0ffset寄存器。如果是時間源設備則自動捕獲Tkxal τχ，使能時間戳自動裝載，最后初始化T^alJX ;如果是非時間源設備則自動捕獲Tf1 κχ，使能時間戳自動解析，最后初始化TK_iTC_Interval。初始化配置完成，系統(tǒng)開始工作。2.廣告幀/信標幀芯片的硬件時間同步實施廣告巾貞/信標巾貞芯片的硬件時間同步示意圖如圖3所示。Data transmittedOverRadio為廣告巾貞/信標巾貞發(fā)送方，即時鐘源設備，Data received OverRadio為廣告中貞/信標幀接收方，即非時鐘源設備，該廣告幀/信標幀由Preamble (前導碼)、SFD (幀首定界符)、Length (巾貞長度)、MAC Protocol (媒體介入控制層載荷)、Timestamp (時間戳)、DATA(數(shù)據(jù))六個子域構(gòu)成。時間源設備在產(chǎn)生SFD中斷之后自動捕獲此時本地時間Tkjeal τχ，記為Tl，同時插入偏移Tstamp_0ffSet后的時間戳位置處，將幀發(fā)出。非時間源設備在產(chǎn)生sro中斷之后自動捕獲本地時間T^al τχ，記為Τ2，并在接收完成后芯片的硬件寄存器解析出幀中時間戳信息Tl。由于接收幀也會損耗一定時間，非時間源設備芯片的硬件寄存器自動記錄Τ2至接收完成時刻的時間間隔TK_iTC_InterVal，用作時鐘校準補償。最后按照廣告幀/信標幀時間同步流程圖進行時間同步。廣告幀/信標幀芯片的硬件時間同步流程圖如圖4所示，其中時鐘源設備自動捕獲及裝載時間戳，實現(xiàn)芯片時間同步過程如下I.用戶配置ISA100. Ila或者WIA-PA協(xié)議芯片的硬件寄存器，開啟芯片的硬件廣告幀/信標幀時間同步功能，時間戳由芯片的硬件寄存器自動插入或解析，根據(jù)用戶需求設置廣告幀/信標幀中時間戳偏移；2.時鐘源設備判斷是否到達廣告幀/信標幀發(fā)送時隙邊界；3.如果到達，則開始發(fā)送廣播幀/信標巾貞，當產(chǎn)生SFD中斷時，芯片的硬件自動捕獲此時本地時間Tf1 τχ，記為Tl ；4.將Tl自動插入到預先配置的時間戳偏移位置并發(fā)送； 5.時鐘源設備廣告幀/信標幀芯片的硬件時間同步過程結(jié)束。廣告幀/信標幀芯片的硬件時間非時鐘源方，自動捕獲及解析時間戳，計算時鐘偏差，完成時鐘校準，其同步過程如下I.配置芯片的硬件寄存器，使能芯片的硬件廣告幀/信標幀時間同步；2.接收方收到廣告幀/信標幀；3.開始接收，當產(chǎn)生SFD中斷時，芯片的硬件寄存器自動捕獲此時本地時間T^1τχ，記為Τ2，并使能芯片的硬件自動計算從開始接收到接收完成的時間間隔記為Τ3，該時間間隔會對最后的時鐘校準結(jié)果進行補償，保證發(fā)送及接收方的時鐘是在SFD中斷發(fā)生時刻對準；4.接收完成，芯片的硬件寄存器解析出廣告幀/信標幀中的時間戳信息Tl ；5.接收方根據(jù)Tl、Τ2和Τ3由芯片的硬件寄存器計算出時鐘偏差(Ta(X;k_0ffSet)并完成本地時鐘校準；6.接收方廣告幀/信標幀芯片的硬件寄存器時間同步過程結(jié)束。芯片的硬件寄存器時鐘校準過程如圖5所示。非時鐘源設備芯片的硬件寄存器按照上述過程得到Tl、T2、T3，然后芯片的硬件寄存器根據(jù)Tl和T2計算Ta(K;k_0fTset，最后芯片的硬件寄存器根據(jù)以下算法自動校準本地時鐘。接收方時鐘偏差為TaOTk_0ffset，Tclock Offset= | T1-T2 | (I)校準后本地時鐘時間為T,Τ=Τ2 土 Tclock 0ffset+T3 (2)最終完成本地時鐘校準。3.確認幀的時間同步實施確認巾貞芯片的硬件時間同步過程示意圖如圖6所示。Clock recipient為非時鐘源設備，即數(shù)據(jù)發(fā)送方、確認幀接收方，Clock source為時鐘源設備，即數(shù)據(jù)接收方、確認幀發(fā)送方。圖示為一個時隙的完整的時隙模板，Start of timeslot為時隙起始邊界,End oftimeslot為時隙終止邊界，該時隙主要由TX DPDU (數(shù)據(jù)發(fā)送時間)或RX DPDU (數(shù)據(jù)接收時間)和RX ACK (ACK接收時間)或TX ACK (確認幀發(fā)送時間)組成。非時鐘源設備在開始發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生SFD中斷時刻，芯片的硬件寄存器會自動捕獲此SFD中斷時刻時間Tf1 τχ，記為Τ4，同時由芯片的硬件寄存器計算得Τ4距離該時隙起始邊界的時間偏移0ffset_X。時鐘源設備在開始接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生SFD中斷時刻，芯片的硬件寄存器會自動捕獲此SFD中斷時刻時間T^1 κχ，記為時間Τ5，同時芯片的硬件寄存器計算得Τ5距離該時隙起始邊界的時間偏移0ffset_Y。最后按照確認幀時間同步流程進行時間同步。
確認幀芯片的硬件時間同步過程如圖7所示，其中，時鐘源設備計算接收時刻時間偏移，并自動裝載返回確認幀，其時間同步過程如下I.開始接收數(shù)據(jù)幀，產(chǎn)生SFD中斷，同時芯片的硬件寄存器自動捕獲此SFD中斷時刻時間T^al κχ，記為Τ5，并計算出Τ5與該時隙起始邊界的時間偏移0ffset_Y，如圖8所示；2.將0ffset_Y裝入確認幀中，芯片的硬件寄存器判斷數(shù)據(jù)發(fā)送方是否需要EUI-64 (64位長地址)，如果需要，將EUI-64及網(wǎng)絡標識(PANID)裝入確認幀中，立即返回給數(shù)據(jù)發(fā)送方；3.時鐘源確認幀芯片的硬件時間同步過程結(jié)束。非時間源設備計算發(fā)送時刻的時間偏移、解析確認幀中的時間偏移，按照下文中設計的算法校準時鐘，其時間同步過程如下
I.數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送時隙邊界到達；
2.開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當產(chǎn)生SFD中斷時，芯片的硬件寄存器記錄此SFD中斷時刻時間Tf1 τχ，記為Τ4，計算Τ4與該時隙起始邊界的時間偏移0ffset_X ；3.判斷是否接收到確認幀；4.如果接收到，芯片的硬件寄存器解析出確認幀中的0ffset_Y，并計算出時鐘偏差(Ta<x;k_0ffset)完成本地時鐘校準；5.數(shù)據(jù)發(fā)送方確認幀芯片的硬件時間同步過程結(jié)束。非時鐘源設備芯片的硬件時鐘校準過程如圖8所示。芯片的硬件寄存器將自動獲得0ffset_X和0ffset_Y，判斷兩者是否相等，若不等則說明收發(fā)方時鐘有偏差，根據(jù)計算的Ta(K;k_0fTSet校準本地時鐘。收發(fā)方時鐘偏差為Tcl(K;k_0fTset，Tclock Offset= | Offset_X~0ffset_Y (3)校準后本地時鐘時間為T，Τ=Τ4 土 Tclock Offset (4)完成本地時鐘校準。以上所述的具體實施過程，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明全芯片的硬件寄存器實現(xiàn)廣告幀/信標幀時間同步，芯片的硬件寄存器實現(xiàn)確認幀時間同步過程，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明的保護范圍基于本領域技術人員的理解結(jié)合權(quán)利要求進行限定。
權(quán)利要求
1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件實現(xiàn)時間同步方法，其特征在于，配置協(xié)議選取寄存器PROTOCOL，開啟廣告幀/信標幀時間同步功能，開啟確認幀時間同步功能；根據(jù)ISA100. Ila和WIA-PA標準配置時間戳在廣告幀/信標幀中的偏移位置Tstamp_0ffset ;若是時間源設備，開啟發(fā)送或接收幀時產(chǎn)生幀首定界符SFD中斷時刻本地時鐘時間T^1ViTkxal κχ的自動捕獲和時間戳自動裝載功能，同時初始化時間戳發(fā)送寄存器，將網(wǎng)絡的初始時間值裝入該時間戳發(fā)送寄存器，時間源設備發(fā)送廣告幀/信標幀時，按照偏移位置寄存器配置的偏移位置Tstamp_0ffset在廣告幀/信標幀中插入時間戳；若是非時間源設備，開啟本地時鐘時間自動捕獲和時間戳自動解析功能，同時初始化廣播/信標幀接收時間間隔，接收到廣告幀/信標幀時自動捕獲T^al κχ時間，解析廣告幀/信標幀時間戳信息,完成時間差計算及本地時鐘校準。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的時間同步方法，其特征在于，開啟確認幀時間同步功能，具體為由寄存器完成確認幀時間同步，寄存器捕獲開始發(fā)送或接收時產(chǎn)生幀首定界符SFD中斷時刻本地時鐘時間T^al-τχ或T^1-κχ，計算T^alVtkaljix距離時隙起始邊界的時間偏移，確認中貞時間偏移 目息自動裝載及解析，計算時鐘偏差并校準，完成確認巾貞的時間同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的時間同步方法，其特征在于，如果是時鐘源設備，時鐘源設備判斷是否到達廣告幀/信標幀發(fā)送時隙邊界；當產(chǎn)生SFD中斷時，自動捕獲此時本地時間T^al—τχ，記為Tl ;將11自動插入到預先配置的時間戳偏移位置并發(fā)送。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的時間同步方法，其特征在于，非時鐘源方計算時鐘偏差，完成時鐘校準，具體包括如下步驟接收方收到廣告幀/信標幀，當產(chǎn)生SFD中斷時，寄存器自動捕獲此時本地時間T^al κχ，記為Τ2，計算從開始接收廣告幀/信標幀到接收完成的時間間隔記為Τ3，接收完成，寄存器解析出廣告幀/信標幀中的時間戳信息Tl，寄存器調(diào)用公式Tcl(X;k 0ffset=|Tl-T2| 計算接收方時鐘偏差為 Tcl()vk_0ffset，根據(jù)公式 T=T2±Tcltjck0ffset+T3計算校準后本地時鐘時間為T，完成本地時鐘校準。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的時間同步方法，其特征在于，時鐘源設備確認幀時間同步具體包括開始接收數(shù)據(jù)幀，產(chǎn)生SFD中斷，同時寄存器自動捕獲接收幀時SFD中斷時刻本地時鐘時間IYtjeal κχ，記為Τ5，計算Τ5與時隙起始邊界的時間偏移Offset_Y ;將Offset_Y裝入確認幀中，寄存器判斷數(shù)據(jù)發(fā)送方是否需要64位長地址ΕΠ-64，如果需要，將EUI-64及網(wǎng)絡標識PANID裝入確認幀中，返回給數(shù)據(jù)發(fā)送方。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的時間同步方法，其特征在于，非時間源設備確認幀的時間同步具體包括開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當產(chǎn)生SFD中斷時，寄存器記錄發(fā)送幀時SFD中斷時刻本地時鐘時間IYtjeal τχ，記為Τ4，計算Τ4與時隙起始邊界的時間偏移Offset_X ;判斷是否接收到確認巾貞；如果接收到，寄存器解析出確認巾貞中的Offset_Y,如果Offset_X與Offset_Y不相等則收發(fā)方時鐘有偏差，根據(jù)公式Τα。。, 0fTset=|0fTset_X-0fTfset_Y|，根據(jù)公式T=T4±Ta。。, Offset，計算本地時鐘時間為T。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時間同步方法，其特征在于，非時間源設備寄存器記錄從開始接收廣告幀/信標幀產(chǎn)生SFD中斷時刻，到接收完成時刻的時間間隔TAI_ReCeive，用于最終時鐘的校準補償，保證收發(fā)方時鐘在SFD中斷時刻對齊。
全文摘要
本發(fā)明請求保護工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)芯片的硬件時間同步實現(xiàn)方法，屬于工業(yè)無線通信技術領域；本發(fā)明是基于工業(yè)無線ISA100.11a網(wǎng)絡與WIA-PA網(wǎng)絡的時間同步，將時間同步分為廣告幀/信標幀的時間同步和確認幀的時間同步。根據(jù)用戶配置的廣告幀/信標幀中時間戳的偏移，硬件芯片完成開始發(fā)送或開始接收時刻本地時鐘時間的捕獲，時間戳的插入或解析，時鐘偏差的計算及本地時鐘校準。確認幀時間同步中，由硬件芯片自動完成確認幀時間差，自動校準本地時鐘。該實現(xiàn)方法提高了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時間同步的精確度和可靠性，同時減輕芯片負擔。
文檔編號H04W56/00GK102869087SQ20121036379
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者王平, 王恒, 代慶超, 楊麗華 申請人:重慶郵電大學