一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统及方法，多重冗余系统包含至少两个相互独立的时钟同步系统。时钟同步系统包括：处理器，时钟同步模块，时钟诊断模块和系统监测模块。处理器与所述时钟同步模块连接，时钟同步模块发送同步信号和时钟信号，并且接收来自其他时钟同步系统的同步信号。时钟诊断模块对本时钟同步系统和其他时钟同步系统的时钟信号进行诊断，然后发送相应的状态信号到时钟同步模块。系统监测模块与时钟同步模块和时钟诊断模块连接，并且对时钟同步模块和时钟诊断模块进行监测。时钟同步方法是时钟同步模块依据同步信号、状态信号和优先级信息完成逻辑判断，使所有时钟同步系统完成时钟同步。

【技术实现步骤摘要】
一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统及方法
本专利技术涉及一种时钟同步控制系统及方法，特别涉及一种用于多重冗余系统的时钟同步控制系统及方法。
技术介绍
由于工业现场环境的不确定因素较多，所以对工业控制系统的可靠性和安全性都有着非常高的要求。在提高系统可靠性和安全性方面，避错和容错是两种关键性技术。避错即避免出错，即采用正确的设计和质量控制方法尽量避免将错误引进系统，也即使用高可靠性器件等。但由于高可靠性器件的指标受工艺技术，成本等影响，且无论采用何种技术，如何控制制造工艺都不可能避免故障的发生，所以对系统可靠性提升潜力有限。容错技术即容忍故障，通过增加适当的设计余量和替换工作方式等消除产品故障的影响，使产品在其组成部分发生有限的故障时，仍然能够正常工作。而冗余是实现产品容错的一种重要手段。冗余技术主要是通过在产品中针对规定任务增加更多的功能通道，以保证在有限数量的通道失效的情况下，产品仍然能够完成规定任务。常用的是双重化冗余和三重化冗余。而在搭建多重化冗余平台时，最重要的是两个功能，一个是数据同步，一个是时钟同步。时钟同步理论中，一般将时钟同步分为两类：紧耦合时钟同步和松散耦合时钟同步。紧耦合时钟同步是指在同一个时钟控制下，所有的CPU的执行时钟完全同步，此种方法可以给各冗余模块提供理想的同步时钟，但极易产生共模故障；松散耦合时钟同步，是指各系统采用各自的时钟，通过系统间的互相反馈调节实现周期性的时钟同步，这种方法能有效抑制共模故障，但实现复杂。从实现手段上时钟同步也可分为两种：软件实现和硬件实现。软件实现比较灵活，适用性、兼容性较好，但是由于在各个系统间的通信上存在先天的、不可避免的较大延迟，同步效果不佳。硬件实现由于采用物理上的直接连接通信，通信上的误差可几乎忽略，同步速度快，同步效果好，抗干扰能力强。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统及方法，本专利技术糅合紧耦合时钟同步和松散耦合时钟同步的理论，以软硬件结合的方式实现了一种应用于多重冗余系统的时钟同步方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统，其特征在于：该系统包括控制器和与控制器的数目相同的时钟同步系统组成，所述的时钟同步系统均设置于各控制器内，各控制器通过同步信号线、时钟信号线相互通信连接；所述时钟同步系统包括：时钟同步模块、处理器、时钟诊断模块和系统监测模块，其中：所述的时钟同步模块输出信号包括同步信号、时钟信号，其输出信号端连接所述的同步信号线、时钟信号线，输入信号端连接时钟诊断模块，同时，与所述的处理器和系统检测模块通信连接；所述的时钟诊断模块输出信号为状态信号，其输出信号端连接所述时钟同步模块，输入信号端连接所述的时钟信号线，同时，与所述的系统检测模块通信连接。所述时钟同步模块包括：信号发生单元、信号捕捉单元、时钟检测单元和协处理器，其中：所述信号发生单元，输出本地控制器的同步信号和时钟信号，输出信号分别连接到所述的同步信号线、时间信号线；所述信号捕捉单元，其连接所述的同步信号线，捕捉包括本地控制器在内的各控制器同步信号，连接所述时钟诊断模块，获取该时钟诊断模块输出的包括本地控制器在内的各控制器状态信息；所述时钟检测单元连接所述的同步信号线，获取包括本地控制器在内的各控制器同步信号；所述协处理器与所述的信号发生单元、信号捕捉单元、时钟检测单元通信连接。所述时钟诊断模块包括：时钟诊断单元和状态信号发生单元，其中：所述时钟诊断单元，其输入信号端连接所述的时钟信号线获取包括本地控制器在内的各控制器时钟信号，输出端与状态信号发生单元连接；所述状态信号发生单元，输出包括本地控制器在内的各控制器状态信号，其输出信号端连接所述的时钟同步模块的信号捕捉单元，所述的状态信号标记各控制器时钟为“正常”或“异常”。所述系统监测模块包括：输出回检单元和功能检测单元，其中：所述输出回检单元，其输入信号端连接所述的时钟诊断模块和所述的时钟同步模块，获取时钟诊断模块发出的状态信号和时钟同步模块接收的状态信号，输出端连接所述时钟同步模块，输出回检结果为“一致”或“不一致”；所述功能检测单元，是针对所述时钟诊断模块的自动检测单元，其控制连接所述的时钟诊断模块，控制信号为时钟诊断模块运行“正常”或“异常”。多重冗余控制器的时钟同步控制系统的时钟同步控制方法的步骤如下：1）多重冗余控制系统启动后，处理器对协处理器按照本系统各控制器优先逻辑顺序写入本地控制器的优先级等级；2）时钟同步模块输出同步信号给包括本地控制器在内的各控制器的时钟同步系统中的时钟同步模块；输出时钟信号给包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统中的时钟诊断模块；3）时钟诊断模块对接收到的来自包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统的时钟信号进行诊断，诊断输出各控制器时钟同步系统的状态信号，并将状态信号输出给本时钟同步系统的时钟同步模块，所述的状态信息标记各控制器时钟为“正常”或“异常”；4）系统监测模块在时钟诊断模块工作时，对时钟诊断模块运行进行监测，如果时钟诊断模块功能异常，系统监测模块强制时钟诊断模块输出所有的状态信号置为异常，并进入下步骤；如果时钟诊断模块功能正常，系统自动将步骤3诊断的状态信息带入下一步骤；5）系统检测模块对诊断模块发出的状态信号和时钟同步模块接收的状态信号的一致性进行比较，如果不一致，系统监测模块强制时钟同步模块将其接收到出错的状态信号置为异常，进入下一步骤；如果一致，系统自动将时钟同步模块接收的状态信号带入下一步骤；6）时钟同步模块所包括的信号捕捉单元捕捉来自包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统的同步信号和来自时钟诊断模块的状态信号，传输给时钟同步模块的协处理器；协处理器根据同步信号触发中断信号，使处理器执行周期任务；7）时钟同步模块所包括的时钟检测单元捕捉来自包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统的同步信号的周期，传输给时钟同步模块的协处理器；8）协处理器分析接收到同步信号的周期，当诊断某个时钟同步系统周期为异常，而收到其状态信号是正常，协处理器强制将该时钟同步系统的状态信号置为异常；9）协处理器根据经步骤8处理后的各时钟同步系统的状态信息进行基准源选择，基准源选择方式依照各控制器优先逻辑顺序选择最高优先级时钟同步系统的同步信号为基准信号，并将各时钟同步系统的状态信息上传处理器；10）协处理器对比本地的同步信号和基准源的同步信号的周期，如果周期误差大于最大可允许误差，调整本地信号发生单元参数，使本地同步信号的周期与基准源同步信号的周期一致，返回步骤2；如周期误差小于最大可允许误差，系统进行下一步骤；11）协处理器比较本地的同步信号和基准源的同步信号的相位是否一致，如果本地同步信号和基准同步信号的相位误差大于最大可允许误差，系统调整本地信号发生单元参数进行相位调整，使本地同步信号的与基准源同步信号的相位一致，系统返回步骤2；如果相位一致，系统直接返回步骤2。所述本系统各控制器优先逻辑顺序是指本系统对各控制器分配统一顺序编码，各控制器在选择基准源参照时，自动优先选择排列在前且其时钟同步系统的状态信号为正常的控制器。所述相位调整是指：在本地时钟同步系统在进入相位调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统，其特征在于：该系统包括控制器和与控制器的数目相同的时钟同步系统组成，所述的时钟同步系统均设置于各控制器内，各控制器通过同步信号线、时钟信号线相互通信连接；所述时钟同步系统包括：时钟同步模块、处理器、时钟诊断模块和系统监测模块，其中：所述的时钟同步模块输出信号包括同步信号、时钟信号，其输出信号端连接同步信号线、时钟信号线，输入信号端连接时钟诊断模块，同时，与所述的处理器和系统检测模块通信连接；所述的时钟诊断模块输出信号为状态信号，其输出信号端连接时钟同步模块，输入信号端连接时钟信号线，同时，与所述的系统检测模块通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种多重冗余控制器的时钟同步控制系统，其特征在于：该系统包括控制器和与控制器的数目相同的时钟同步系统，所述的时钟同步系统均设置于各控制器内，各控制器通过同步信号线、时钟信号线相互通信连接；所述时钟同步系统包括：时钟同步模块、处理器、时钟诊断模块和系统监测模块，其中：所述的时钟同步模块输出信号包括同步信号、时钟信号，其输出信号端连接同步信号线、时钟信号线，输入信号端连接时钟诊断模块，同时，与所述的处理器和系统检测模块通信连接；所述的时钟诊断模块输出信号为状态信号，其输出信号端连接时钟同步模块，输入信号端连接时钟信号线，同时，与所述的系统检测模块通信连接。2.根据权利要求1所述的多重冗余控制器的时钟同步控制系统，其特征在于：所述时钟同步模块包括：信号发生单元、信号捕捉单元、时钟检测单元和协处理器，其中：所述信号发生单元，输出本地控制器的同步信号和时钟信号，输出信号分别连接到所述的同步信号线、时间信号线；所述信号捕捉单元，其连接所述的同步信号线，捕捉包括本地控制器在内的各控制器同步信号，连接所述时钟诊断模块，获取该时钟诊断模块输出的包括本地控制器在内的各控制器状态信息；所述时钟检测单元连接所述的同步信号线，获取包括本地控制器在内的各控制器同步信号；所述协处理器与所述的信号发生单元、信号捕捉单元、时钟检测单元通信连接；所述时钟诊断模块包括：时钟诊断单元和状态信号发生单元，其中：所述时钟诊断单元，其输入信号端连接所述的时钟信号线获取包括本地控制器在内的各控制器时钟信号，输出端与状态信号发生单元连接；所述状态信号发生单元，输出包括本地控制器在内的各控制器状态信号，其输出信号端连接所述的时钟同步模块的信号捕捉单元，所述的状态信号标记各控制器时钟为“正常”或“异常”；所述系统监测模块包括：输出回检单元和功能检测单元，其中：所述输出回检单元，其输入信号端连接所述的时钟诊断模块和所述的时钟同步模块，获取时钟诊断模块发出的状态信号和时钟同步模块接收的状态信号，输出端连接所述时钟同步模块，输出回检结果为“一致”或“不一致”；所述功能检测单元，是针对所述时钟诊断模块的自动检测单元，其控制连接所述的时钟诊断模块，控制信号为时钟诊断模块运行“正常”或“异常”。3.一种如权利要求1所述的多重冗余控制器的时钟同步控制系统的时钟同步控制方法，其特征在于：该时钟同步控制方法的步骤如下：1）多重冗余控制系统启动后，处理器对协处理器按照各控制器优先逻辑顺序写入本地控制器的优先级等级；2）时钟同步模块输出同步信号给包括本地控制器在内的各控制器的时钟同步系统中的时钟同步模块；输出时钟信号给包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统中的时钟诊断模块；3）时钟诊断模块对接收到的来自包括本地控制器在内的各控制器中的时钟同步系统的时钟信号进行诊断，诊断输出各控制器时钟同步系统的状态信号，并将状态信号输出给...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡歙眉，杭哲，任秉乾，查汀，赵剑锋，施海庆，
申请(专利权)人：南京科远自动化集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32