航电网络系统时钟同步原理和实现

薛楠 李斌 杜建华 王晓华 胡靖宇

摘要：在航电网络系统的设计中，包含设备、网络、通信、时钟等等各个功能模块，每个功能模块的稳定性都影响整个航电网络系统的稳定性，而大部分功能均是在驱动软件层实现，且通过和底层硬件交互达到使用要求[1]。对于时钟功能模块，最重要的子功能就是时钟同步功能，即航电网络的时钟管理终端能实时并且准确同步到时钟服务器的相关时间信息，及时准确的做出反应[2]。该文引入了基于航电网络系统时钟同步功能原理和实现，能在很大程度上提高時钟同步的精度和实时性，从而进一步提高航电网络系统的稳定性、可靠性和安全性。

关键词：航电网络;时钟同步;实时性

中图分类号：TP309        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）21-0264-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

随着科学研究和电子技术的日益进步，航空电子网络的规模也不断增大，同时航空电子应用的复杂性也在不断提高[3]。一个航空电子网络系统就是由一系列功能模块进行综合，主要功能模块之间相互作用，进一步生成总的系统功能，并且一些主要的功能模块本身也可以进一步分解为更多的次要的功能模块或者其他设备，这些功能模块或者其他设备之间相互作用和配合，支撑着总系统的运作[4]。在所有的这些功能模块或者设备中，有些模块或者设备是需要保证其稳定性，当出现故障时要迅速恢复功能;而有些功能模块或者设备是要优先保证其实时性，即要在收到时间信息后迅速做出反应。

在所有的航空电子网络功能模块中，时钟功能模块是一个重要性较高的模块，它保证和支持着整个航空电子系统的实时性。根据功能需要，当终端设备收到管理器设备的时间信息后，要在第一时间做出回应或者其他操作，这就必须要保证时间同步的准确性和实时性，从而进一步保证航空电子网络系统的实时性和安全性。因此，如何提高航空电子网络系统时钟功能的实时性和准确性已经成为一个日益突出的问题[5]。

本文提出一种基于航空电子网络系统的时钟同步原理和实现，包括了日历时间同步、实时时钟同步和时钟同步检测机制，从原理设计到实现过程上很大程度上保证了时钟同步的准确性和实时性，提高整个航空电子网络系统的安全性和可靠性。

2 航电网络系统时钟同步功能分析和应用

2.1 时钟同步原理

在一般航空电子网络系统中，时钟同步功能的实现需要一个时钟服务设备和一个或者多个时钟终端设备来完成，并且只能有一个时钟服务设备作为源。在本地根据系统时间或系统需要设置当前或者系统需要的时钟信息。

当时钟服务设备设置日历时钟信息时，将外部传入的日历时间信息值以及此时的系统实时时钟保存在本地硬件当中作为时钟基准信息，然后将时钟基准信息发送至其他时钟终端网络节点，终端设备收到时钟服务设备的时钟基准信息时，同时将时钟信息保存在本地的硬件中，时钟信息和时钟服务器中的时钟基准信息一致;当时钟服务器节点设置系统实时时钟时，将外部传入的实时时钟值保存本地硬件中，并且硬件中实时时钟值随着时间不断增加，时钟服务设备将硬件中实时时钟值发送至其他时钟终端。时钟终端收到时钟服务设备的实时时钟值后，将系统实时时钟值保存至本地节点的硬件中。其中，时钟服务设备在设置日历时间时，仅在设置的时候发送一次时钟基准信息源语，而对于系统实时时钟，不论设置与否时钟服务设备均周期发送时钟信息。

当时钟终端节点根据需要同步日历时钟信息时，在本地节点先读取本地硬件中的时钟信息值，然后再读取系统实时时钟值。由于本地硬件中的时间值是时钟服务设备设置日历时间时的时钟基准信息，故和系统管理设备设置的时钟基准信息一致，而系统实时时钟值是一直在增加。故取终端本地节点硬件中的实时时钟值和此时读取的系统实时时钟值的差值，并和硬件中的日历时间进行运算，得出当前的日历时间信息;当时钟终端节点读取系统实时时钟时间时，直接读取本地硬件值便可得到准确的值。

本地实时时钟可以用本设备开始运行之后计算，只要设备正常运行，本地实时时钟值一直增加，增加幅度和系统实时时钟信息一致。针对时钟同步检测，实现的方式可以用本地实时时钟值和系统的实时时钟值进行差值计算。具体实现可以使用连续两个周期同步到的两个系统实时时钟信息和当时本地的实时时钟做差值，将两个差值再进行差值计算。最终差值如果超过给定的范围，则底层硬件上报给上层软件提示信息，终端设备便可知当前系统实时时钟不稳定。

2.2 时钟同步过程拓扑

在设置时钟信息时，需要注意时钟数据参数的合法性，并且在设计时钟读取方案上，需要注意日历时间达到边界时的处理，才能保证时钟信息的准确性。时钟服务设备设置日历时间和终端获取日历时间流程如图1所示：

时钟服务设备设置系统实时时钟或时钟终端读设备取系统实时时钟流程如图2所示：

对于实时时钟差值检测，需要连续两次读取系统实时时钟和本地实时时钟进行差值计算，并根据两次计算的差值再计算差值，最终的差值和预先设定的范围值进行对比，具体例程如图3所示：

2.3 时钟同步应用分析

在航电网络系统中，显示控制设备节点的作用非常关键，其要在第一时间同步到系统管理设备的日历时间或实时时钟时间，并同步显示当前时间下的系统应用信息。若显示控制设备节点同步到的系统管理端的日历时间或实时时钟时间稍有延时，就不能保证第一时间处理关键信息，甚至导致某些重要信息丢失，从而分析人员不能准确的、实时的捕获到系统信息，这种情况下会严重影响整个航电网络系统的安全性和可靠性。使用上文提出的航电网络系统时钟同步原理和实现满足高实时性时钟同步的要求，通过系统实时时钟周期同步机制以及日历时间设置实时同步机制可以高精度、高效率完成系统管理端到时钟终端的时钟同步过程，并且实时时钟差值检测计算可以使终端实时感知到系统管理端系统实时时钟时间信息的改变，提高了时钟同步功能的稳定性和安全性。因此，本文提出了时钟同步原理可以提高航电网络时钟同步的准确性和实时性，进而提高整个系统安全性和可靠性。

3 结束语

在所有航电网络系统中，时钟同步模块功能都是必不可少的一部分，而且随着航电网络系统复杂性的提高和应用性的广泛，系统对实时性的要求更加严格。一个拥有稳定性、实时性的系统，才能保证其在正常运作时的安全性[6]。本文重点指出了系统实时性的关键性，说明了时钟同步功能模块对于系统实时性的重要性影响，并且提出了一种基于航电网络系统时钟同步功能的原理和实现方式。因此，本文提出的时钟同步原理可作为航电网络系统时钟管理设计模式，可以很大程度上提高航电网络实时性和稳定性，并且提高整个系统的安全性和可靠性。

参考文献：

[1] 李海全，李刚.系统可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003.

[2] 杨晓宁，曹原.嵌入式实时分区操作系统中健康监控机制的设计与实现[J].现代导航， 2013，21（13）：101-103.

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

[4] 徐亚军，张晓林.FC网络性能测试与研究[J].2007，43（15）：137-139.

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

[6] 李建国，张奇.高可靠性双机热备份机制设计与实现[J].现代导航，2011，27（4）：309-312.

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