专利名称：确定时钟信号质量的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定辅助装置内时钟信号的质量的方法和装置。
背景技术：
时钟同步为流程自动化和控制系统正确操作的基础。通常，自动化系统的组成部分(也称为辅助装置)具有内部时钟(由石英驱动)，该时钟必须与(优先选择的)主装置的时钟同步。基于工业以太网的系统使用指定的协议(此外，基于IEEE 1588-2008标准)进行同步。在这种情况下，通过在链状结构内连续地将所谓的SYNC消息从一个组成部分发送给下一个组成部分，进行这种同步。在本地辅助装置处，控制算法用于生成称为“受控时间”的主时间估计的平稳版本(smooth version),并且为本地辅助装置的输出。然后，其他的应用可将受控时间用作精确的同步时间，用于进行控制和/或通信。然而，现有解决方法不能确定受控时间的值的质量，也不能检测用于同步硬件的突然的外部扰动，比如振动或冲击。因此，该目的在于克服上述缺点，尤其在于提供一种解决方法，该解决方法根据比如机械冲撞，允许辅助装置确定受控时间信号的质量和/或检测突然的扰动(disturbances)。根据独立的权利要求书的特征，解决了该问题。其他的实施例源自所附权利要求书。
发明内容
为了克服该问题，提供了确定辅助装置内时钟信号的质量的方法，其中，确定循迹误差(tracking error)的统计测量，
其中，根据通过统计测量的循迹误差的偏差，确定时钟信号的质量。因此，通过检测循迹误差非典型的变化，尤其是具有大于预定阈值的偏差的循迹误差，从而可检测比如对辅助装置的至少一次短机械冲撞。通过统计测量的偏差可确定这种非典型的变化。这种解决方法可用于确定辅助装置处产生的短扰动和/或时钟信号的质量是好还是坏(比如，如果偏差在预定值以下则被认为是坏)。同样，根据时钟信号的质量等级，可开始采取对应措施。要注意的是，可存在两个以上的质量等级(好、坏)，造成采取不同的行动(或者根本没有采取行动)。同样可选地，辅助装置表示时钟信号的质量，比如提高报警信号旗。在本地辅助装置(比如，朝着在辅助装置上运行的应用程序)处可给出这种表示，和/或使用同步的时间信号，可将消息发送给通信网络的至少一个组成部分比如，主装置和/或任何其他的辅助装置和/或客户应用程序。在一个实施例中，统计测量包括方差和/或标准差。
在另一个实施例中，根据滤波函数确定方差和/或标准差。可使用各种滤波器，比如低通滤波器。在又一个实施例中，滤波函数对应于z(k) = (I - α) · z(k -1) + i ■ e^-(k)VAR (eT) =z (k)a(eT) = sjzik)其中 eT为循迹误差，σ (eT)为循迹误差的标准差，VAR (eT)为循迹误差的方差，k为步骤，a为滤波参数。在下一个实施例中，根据时钟信号的质量，确定时钟信号的扰动。也具有以下实施例，时钟信号的质量低于指定阈值时，辅助装置(slave device)使用主时间估计信号，以及时钟信号的质量至少达到指定的阈值时，辅助装置使用受控时间信号。因此，有利地，通过低质量的信号检测扰动时，使用主时间估计信号，该信号不受到辅助装置的控制并且不包含施加给辅助装置的本地扰动。已经检测出扰动之后，可进行若干个周期。然后，可再次使用辅助装置的受控时间信号。根据另一个实施例，受控时间信号基于循迹误差并且循迹误差基于主时间估计信号和受控时间之间的差异。要注意的是，受控时间基于辅助装置的时钟，尤其基于为辅助装置提供时钟信号的石英。还要注意的是，辅助装置包括PI控制器，该控制器处理循迹误差并且将受控信号传送给时钟；将时钟的输出回馈给PI控制器的入口，从主时间估计中减去该输出，产生随后的循迹误差。根据辅助装置时钟的周期，尤其根据到达辅助装置(比如沿着包括先前的辅助装置和主装置的链条)的同步消息，以离散时间步骤可进行调整。根据下一个实施，根据时钟信号的质量调整用于进行通信的间隔。因此，质量等级可用于调整客户应用程序所需要的通信间隔，将同步流程(Process)的输出用作时间基础。良好的共同的时基允许塞满更密集地共用一个网络的不同客户的通信时隙，而不造成相互干扰(interference)。因此，良好的同步可造成用于进行通信的时隙更短，这就增大了可用带宽以及该系统的整体性能。根据一个实施例，确定循迹误差的标准差，通过确定本地扰动可造成的最大循迹误差，确定是否在标准差方面(withrespect to)不可能(unlikely)具有循迹误差，根据比较最大的循迹误差和循迹误差所估计的方差的函数，确定扰动。根据一个实施例，通过
emt (k) =max (| eT (k) |，| eT (k) +eT (k_l) |)确定本地扰动可造成的最大循迹误差。在另一个实施例中，循迹误差所估计的方差的函数对应于F = ^+O1-VAR(eT),其中，参数aQ和a:构成假阳性检测(false positive detections)和假阴性检测(false negative detections)之间的权衡(trade-off)。根据下一个实施例，本地扰动包括机械冲撞或振动。因此，可检测施加给时钟的任何机械冲撞，尤其与常规噪声等级相比，足够强烈以及对于预定数量的时钟周期，足够短的情况下。 以上问题也由确定时钟信号质量的装置解决，该装置包括处理单元，设置成确定循迹误差的统计测量，根据通过统计测量的循迹误差的偏差，确定时钟信号的质量。要注意的是，在该处理单元上也可执行此处所述的方法步骤。进一步要注意的是，所述处理单元可包括至少一个，尤其是若干个装置，这些装置设置成执行此处所述的方法步骤。该装置可逻辑上或物理上分开；尤其地，若干个逻辑上分开的装置可组合成至少一个物理单元。所述处理单元可包括以下中的至少一个处理器、微型控制器、硬接线电路、ASIC、FPGA、逻辑装置。根据一个实施例，该装置为一连串若干个辅助装置中的一个辅助装置，所述辅助装置由主装置提供主时钟信号。根据又一个实施例，该装置包括PI控制器，该控制器处理循迹误差并且将受控信号传送给时钟，将时钟输出回馈给PI控制器的入口，从主时间估计中减去该输出，产生随后的循
迹误差。此处所提供的解决方法进一步包括计算机程序产品，直接可下载到数字计算机的存储器内，包括软件代码部分，用于执行此处所述的方法步骤。此外，计算机可读介质解决了上述问题，比如，各种储存，具有计算机可执行指令，适合于促使计算机系统执行此处所述的方法。而且，包括此处所述的至少一个装置的系统解决了上述问题。
结合下面的实例以及图中讨论的考虑因素，进一步阐述本发明的上述特性、特征和优点及其实现方式。图I显示了可在辅助装置内执行的时钟同步控制环路的结构；图2显示了机械冲击造成的标准频率偏移(f-fj/f0。
具体实施例方式图I显示了可在辅助装置内执行的时钟同步控制环路的结构。辅助装置的时钟不(明显地)受到外部扰动(比如冲击或振动)的扰动时，时钟同步流程(process)唯一相关的扰动是信号n,通过该信号,所估计的主时间w (master time)与真实的主时间I不同。要注意的是，扰动n包括主装置和这个实际的辅助装置之间所有的噪声和扰动(累积的噪声)。误差eT表示输入到PI控制器101 (比如包括成比例的(P)和整体的(I)部分)的循迹误差。PI控制器101的输出称为信号U，将该信号馈入辅助装置的受控时钟102中。受控时钟102的输出由受控时间表示，从估计的主时间w中减去该受控时间。受控时钟102可受到扰动d (比如，冲击或振动)，该扰动造成(比如，暂时地)时钟
信号退化。图I中将真实的误差eM表示为真实的主时间y和受控时间jKcontrolled time)之间的差值，该差值对应于循迹误差eT和扰动n之间的差值。误差ew表示估计的主时间w和真实的主时间y之间的差值。真实的主时间y可由精确时间协议(比如，根据IEEE 1588)估算为噪声估计W。这个噪声估计w为用于PI控制器101以及用于生成受控时间f的受控时钟102的参考信号。循迹误差可限定为主时间估计w和受控时间夕之间的差值，即eT =W-J由于估计流程内产生的噪声以及外部扰动，循迹误差eT为随机变量。然而，其方差VAR(eT)不会随着时间波动太多，并且使用低通滤波器可在本地非常精确地进行估计。因此，方差VAR (eT)可用于测量循迹误差eT的波动性。本地(外部)扰动d对受控时钟具有直接的冲击，并且因此也直接影响循迹误差eT。因此，通过监测现有的循迹误差eT，可检测突然的外部扰动，如果该扰动大于预定阈值(可用于循迹误差，比如，基于先前的同步间隔和/或循迹误差先前已知的方差)。 示范性方案由于导线延迟和网桥延迟造成估计误差，主时间w的估计与真实的主时间的不同之处在于扰动n。这种扰动n的平均值(偏置bias)在辅助装置之间任意地变化,而扰动n的方差随着设置在链式拓扑内的辅助装置而增大。提供给PI控制器101的主时间估计w以及循迹误差eT为随机变量。步骤k+1处的受控时间夕可表示为yik + l) = y(k) +AS -u(k) + d(k)-u(k)SP，在先前的(时间)步骤k中根据受控时间j>。A S=S (k+1)-S (k)表示步骤k和随后的步骤k+1之间的子时钟的滴答声(ticks)次数。d(k)表示扰动(比如，施加给扰动子时钟的辅助装置的物理冲击)。u(k)为步骤k处PI控制器101的输出，并且对应于主时钟和子时钟之间的频率比率。比如，可假设AS恒定。从受控时间+ 的动态中可看出，作用在辅助装置的时钟上的扰动d(k)直接影响受控时间f。由于循迹误差eT以及真实的误差eM直接取决于受控时间f，所以这两个误差都以同样的方式受到本地扰动。因此，本地扰动造成的部分循迹误差eT也包含有关真实的误差eM的信息。下面描述检测短而明显的本地扰动。为了检测短而明显的本地扰动，比如，施加给辅助装置的冲击，检验循迹误差eT。没有这种扰动时，循迹误差eT主要由扰动n激励，可假设该扰动为常规扰动。因此，具有已知概率的循迹误差eT依然在间隔内(比如，eT停留在间隔[-3o，3o ]内的概率为0，9973)。一旦辅助装置的时钟受到明显的本地事件的扰动，循迹误差eT的幅度可达到假设的常规扰动不太可能具有的值，这又反过来允许检测这种本地扰动d(k)。因此，短而明显的本地扰动的检测可包括以下步骤(a)确定循迹误差eT的标准差o (eT);以及(b)决定是否在标准差。(eT)方面不可能具有循迹误差eT。评估循迹误差的标准差使用以下滤波器z (k)可确定标准差0 (eT)和/或方差VAR (eT)
权利要求
1.一种确定辅助装置内时钟信号的质量的方法， 其中，确定循迹误差的统计测量， 其中，根据通过统计测量的循迹误差的偏差，确定时钟信号的质量。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述统计测量包括方差和/或标准差。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据滤波函数确定方差和/或标准差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述滤波函数对应于
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据时钟信号的质量确定时钟信号的扰动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中， 所述时钟信号的质量低于指定阈值时，所述辅助装置使用主时间估计信号，以及 所述时钟信号的质量至少达到指定的阈值时，所述辅助装置使用受控时间信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述受控时间信号基于所述循迹误差并且所述循迹误差基于所述主时间估计信号和所述受控时间之间的差值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据时钟信号的质量调整用于进行通信的间隔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中， 确定循迹误差的标准差， 通过确定本地扰动可造成的最大循迹误差，确定是否在标准差方面不可能具有循迹误差， 根据比较所述最大的循迹误差和循迹误差的所估计的方差的函数，确定扰动。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过 emt (k) =max (| eT (k) , | eT (k)+eT (k_l))确定本地扰动可造成的最大循迹误差。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述循迹误差所估计的方差的函数对应于
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述本地扰动包括机械冲撞或振动。
13.一种确定时钟信号质量的装置，包括处理单元，所述处理单元设置成确定循迹误差的统计测量， 根据通过统计测量的循迹误差的偏差，确定时钟信号的质量。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，该装置为一连串若干个辅助装置中的一个辅助装置，所述辅助装置由主装置提供主时钟信号。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其中 该装置包括PI控制器，该控制器处理循迹误差并且将受控信号传送给时钟， 将时钟的输出回馈给PI控制器的入口，从主时间估计中减去该输出，产生随后的循迹误差。
16.—种系统，包括根据权利要求13到15中任一项所述的至少一个装置。
全文摘要
本发明提出了检测某种扰动，比如，通过检测循迹误差非典型的变化，尤其是具有超过预定阈值的偏差的循迹误差，从而检测对辅助装置时钟造成的至少一次短机械冲撞(冲击或振动)。通过统计测量的偏差可确定这种非典型的变化，比如方差或标准差。有利地，所提出的解决方法允许确定时钟信号的质量并且提供适当的对应措施。本发明可应用于各种技术系统，包括具有时钟的辅助装置，比如工业和自动化系统内的装置。该解决方法可应用于通信系统内，该通信系统使用协议，使其装置的时钟同步，比如，工业以太网。
文档编号H04J3/06GK102970092SQ20121031709
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者迈克尔·伯恩哈德·布赫尔, 德拉甘·奥布拉多维奇, 京特·施泰因德尔, 菲利普·沃尔夫鲁姆 申请人:西门子公司