网络中的主设备与从设备之间的时间同步的制作方法

本发明描述了一种用于网络中的至少一个主设备和至少一个从设备之间的时间同步的方法，其中该至少一个主设备预定义主时间并且经由该网络向至少一个从设备发送具有该主时间的至少一个同步消息。从时间在其上运行的至少一个从设备使用同步消息以使用同步将从时间调整到主时间，其中该至少一个从设备是网络的具有中断能力的网络组件，并且使用定时器，该定时器访问从时间以在与从时间同步的相应的触发时间点生成至少一个中断，该至少一个中断以预定义的规则循环历时重现。

背景技术：

1、原则上，完全不同的硬件组件(诸如中央处理单元、总线模块、驱动模块、总线耦合器、具有集成网络连接的io模块、相机、hmi设备、网络集成传感器和致动器、网络基础设施(开关、桥等)等可以被提供来作为网络的网络组件。网络中的每个网络组件具有至少一个时钟，该时钟被用于控制网络组件本身中的工作进程。例如，该时钟可以预定义每个计算机进程的可使用的cpu处理时间。还使用时钟来调整网络中的网络组件之间的工作流。这使得能够控制在网络中涉及不同网络组件的各种工作流。

2、原则上，在基于硬件的时钟和逻辑时钟之间进行区分。基于硬件的时钟是例如具有计数寄存器的石英振荡器，该石英振荡器指定随后由该计数寄存器记录的规则振荡。这种基于硬件的时钟取决于物理变量，诸如温度、气压、环境湿度等。因此，网络组件件的位置可以影响石英振荡器，并且这些变化可能导致基于硬件的时钟的不同时钟或频率速率。虽然这通常对隔离的网络组件没有影响，但是在具有不同网络组件的网络中，以不同频率运行的不同网络组件的时钟之间的时间同步可能变得必要。

3、在逻辑时钟的情况下，时钟信号经由中断请求来自硬件，诸如基于硬件的时钟。因此，逻辑时钟必须在开启网络组件之后首先被设置。逻辑时钟是可被用于给事件(诸如网络中的工作流)赋予唯一性时间戳的计算机系统的组件。

4、时间戳被用于将唯一性的时间点分配给事件。该时间戳的准确度决定性地取决于逻辑时钟的准确度。事件是例如生产工厂中的各种物理工作流，但是它们也可以是数字性质的，诸如不同网络组件之间的通信。机器部件或货物的移动(例如在机器上)或处理机器上的处理步骤可以作为物理工作流发生。物理工作流可以由被设计为致动器的网络组件发起或执行，并且由被设计为传感器的网络组件记录。例如，在生产故障的情况下，有可能准确地基于时间戳来告知哪个机器的组件对故障负责以及在什么时间点。这显著地简化了高度复杂的生产系统中的故障排除。

5、网络组件的时钟可配置成基于硬件的时钟和逻辑时钟或其组合。例如，两个逻辑时钟可使用同一个基于硬件的时钟。通常在网络组件中安装至少一个基于硬件的时钟，该时钟在每种情况下至少指示网络组件中的时间。通常，这样的时间继续从第一初始化开始连续地计数，例如以一秒的预定义片段。在这样的时钟中，石英振荡器充当时钟发生器。为了确保当设备关闭时此时钟不停止，可从电源(即，电池组或可再充电电池)持续向时钟供能。在失去电力的情况下，例如如果母板上的纽扣电池耗尽，则当使用新的电源时，该时钟将再次开始计数。

6、例如，逻辑时钟现在使用上述基于硬件的时钟来控制工作流并向事件赋予时间戳。

7、在网络中可能出现不可避免的不准确性，例如因为内置石英振荡器由于制造不准确性而没有以完全相同的频率振荡。此外，网络组件的不同位置可导致石英振荡器中的频率差由于外部影响而出现或增加。网络组件可以一起位于机器大厅中，或者它们还可以在空间上彼此分离。例如，由不同外部温度、空调和cpu发热引起的温差可能对石英振荡器产生影响。

8、为了能够借助于各种网络组件进行时控通信或能够执行其他时间协调的活动，有必要将具有彼此不同时间的不同网络组件、不同网络域或不同网络中的时钟同步。在最简单的情况下，网络中的一个网络组件被指定为主设备而其他网络组件被指定为从设备。作为主设备的网络组件可以是特别强大且故障安全的网络组件。然后主设备为网络中的从设备预定义时间，并使用它来调节时间同步。通常网络中有多个主设备。主设备角色还可能在网络组件之间周期性地改变，例如在充当主设备的网络组件故障的情况下，或在网络的不同部分之间的连接故障的情况下。

9、还可能的是，不同的网络在时间方面彼此同步。然后，在每个网络中存在用于时间同步的主设备。第二网络的主设备在网络之间的时间同步期间充当第一网络的主设备的从设备。然后，充当从设备的第二网络的主设备与第一网络的主设备同步。第二网络的主设备随后可以同步第二网络的所有从设备。为此目的，还可以建立网络层级，根据该网络层级建立各个网络彼此同步的次序。由此，第二网络的主设备可以预定义第二网络中的专用时间，该专用时间例如通过时间同步被调整到第一网络的主时间。例如，网络组件可以充当网络中的主设备，只要该网络组件没有接收到在层级上位于上级的网络的主设备的时间同步。例如，可以设想，机器中的可以单独运行并且本身包含网络组件(即，至少一个主设备和一个从设备)的网络首先在内部执行时间同步。当这个机器被整合到生产中时，于是可能有必要使该机器的网络与层级上更高的网络(例如该生产系统的网络)同步。还可以设想网络的不同域要由主设备同步。

10、然而，在网络中，时钟通常不仅有一个主设备，而是多个主设备，称为“备用主设备”。只要原始主设备相对于时钟执行时间同步，备用主设备就表现得像从设备。如果第一主设备发生故障，则备用主设备中的一个可以接管并执行时间同步。

11、而且，对于其他任务，时间同步的主设备只能是简单的从设备。在本发明中，术语“主设备”和“从设备”排他地涉及网络中的时间同步并且不涉及其他功能，诸如在生产过程中。然而，主设备和从设备都是网络中的网络组件。

12、通常，通过同步调整网络中的时钟。在主设备和从设备之间执行时间的完整适配。从设备调整频率和时间差这两者。时间差应被理解为表示主设备的时钟和从设备的时钟之间的具体差值。例如，主设备具有1:02pm的时间并且从设备具有1:05pm的时间。现在，将从设备的时间成1：05p.m.设置至1：02p.m.，并且基于对主设备中的时间的知悉，例如基于从主设备到从设备的同步消息，从设备调整频率，使得时钟以相同的速度运行。频率的精确调整仅在一定数量的同步消息之后才是可能的。

13、为了避免时间跳跃，只要可能，从设备的频率可以加速或减速，使得主设备和从设备中的时钟同步。然而，如果在主设备和从设备之间存在大的偏差并且该过程可能导致持久误差(尤其是在频率上)，则这个过程可能花费很长时间。

14、频率的单纯调整可以通过谐振法(syntonization)方法进行。如在同步的情况中所使用的，谐振法应被理解为意味着在不进行时间差的任何调整的情况下在网络中的主设备和从设备之间的频率的适配。如在上面的示例中，时间将不会使用跳跃被校正到主设备的时间，而是时间将继续以相同的差异运行。这至少防止了当两个时钟具有相同的频率时差异变大。另外，例如，以此方式阻止了时钟中的跳跃。此外，网络组件中的时间也将以相同的速度流逝，其结果是局部测量的时间段变得相当。

15、用于时间同步的当前现有技术是ieee的精确时间协议(ptp)标准(ieee1588)。该标准规定网络组件中的每个时钟经由网络与主设备分开地同步。例如，时钟可基于该标准与网络中的其他时钟同步。

16、被同步的应用(诸如高精度工作或生产过程)经由网络组件中的至少一个定时器来控制。定时器通过以规则的间隔(循环历时)发出中断请求来控制系统中的循环过程。利用每个中断，执行循环重复过程(本质上是在网络组件中运行的一段程序代码)。例如，这对于当前和未来事件(诸如生产过程中的步骤)可能是重要的，该事件在定时器的预定义中断时触发。定时器可以例如每100微秒(μs)触发中断，或者还可以以更长或更短的时间间隔触发中断。定时器通常被配置成触发期望或需要的中断。定时器还可以被设计为在不同的预定义时间点触发中断。

17、当开始生产过程时，通常可允许经过预定义时间，直到所有网络组件的时钟被同步并且所有中断的循环历时也已经被调整，因为在启动期间，由于振荡晶体的不准确性，例如网络组件中的各个中断的循环历时可能具有不同的频率。网络组件也可能输出若干不同的中断。例如，如果若干进程访问网络组件，或者网络组件必须控制若干进程，则这是可能的。然后，中断还可以具有不同的循环历时，例如200μs和1000μs。

18、然而，在正在进行的过程期间失去连接可能导致时间同步的问题。失去连接可能例如经由连接性的丢失(例如，电缆的断开，或开关、调制解调器或路由器的故障，或者当进入隧道时车辆的gps连接的丢失)而无意地发生。然后，网络组件或整个在层级上的下级网络可以继续系统内部地操作，但是也可以切换到关闭或待机模式、关断，或者如果不存在断路开关，也可能崩溃。当网络组件被重启时或者当连接被重新建立时，时间同步可能失去，直到随后的同步消息。中断然后不再正确地运行也是可能的，并且也最可能。

19、然而，在连接中也可能存在期望的中断，例如在自主驾驶车辆的情况下，其在特定时间段内从其基站断开连接。

20、然后，可能发生的是，不同网络组件之间的中断的循环历时发散。在现有技术中，通过使用单个同步步骤再次适配从设备和主设备之间的时间。其结果是，在同步消息时中断的实际循环历时可以具体地被缩短或也可被延长。结果，这可导致高精度工作流的时间序列和稳定性中的问题，其中可涉及若干网络组件。

21、因此，本发明的目的是提供防止工作流中断的时间同步。

技术实现思路

1、根据本发明，该目的的实现在于，当同步消息到达时，在从设备中或在充当从设备的具有中断能力的网络组件中确定主时间和从时间之间的时间偏移。然后从时间偏移确定时间片段，该时间片段对应于至少一个中断的预定义循环历时的整数倍，然后从时间片段和时间偏移导出中断偏移，例如作为差。为了校正主时间和从时间之间的所确定的时间偏移，在从设备中或在充当从设备的具有中断能力的网络组件中执行至少一个时间跳跃。然后，以如下方式设置至少一个中断在该至少一个时间跳跃之后的第一触发时间点：使得触发时间点相对于该至少一个时间跳跃之前的最后触发时间点偏移预定义循环历时。此外，至少一个中断的在至少一个时间跳跃之后的数个触发时间点在时间上偏移了适配历时，其中用于数个触发时间点在至少一个时间跳跃之后的每一个触发时间点的适配历时以如下方式从时间范围中选择：该适配历时最多对应于中断偏移并且最多对应于预定义时间偏差，从而将预定义容差值纳入考虑(例如，加/减所述预定义容差值)。

2、本发明的主要方面是，首先，在第一同步步骤中，通过至少一个时间跳跃来校正时间偏移，并且因此校正网络中主设备和从设备之间的非常大的时间差，而不干扰生产或正在进行的工作过程(并且特别是具有实时能力的应用)在其流程中的操作，因为中断通常具有比接收同步消息更高的频率。在该方法的进一步过程中，然后适配至少一个重复中断的触发时间点直到校正了中断偏移，该中断偏移在至少一个时间跳跃之后相比于其他具有中断能力的网络组件而产生。适配历时被选择成不超过中断偏移，并且使得至少一个中断的预定义循环历时不会过多地增加或缩短。这确保在至少一个时间跳跃之后或在适配到其他网络组件期间，与预定义循环历时相比，至少一个中断的实际循环历时仅不显著地缩短或延长。特别是网络中的高精度工作流和/或实时能力的应用(诸如工厂、机器等)因此不受到危害，因为例如程序代码被完全执行或例如控制参数没有被不正确地计算。

3、如果具有中断能力的网络组件被配置成具有另外主设备的另外网络则是有利的。网络的至少一个主设备向另外网络的另外主设备预定义主时间。以此方式，有可能在两个或更多个网络中以非常简单且高效的方式执行时间同步。例如，每个网络可以自主地执行时间同步，并且然后，例如，另外网络可以非常容易地与该网络同步。结果，例如，可以启动具有多个连接的网络的工厂，或者例如，另外网络可以被添加到现有网络并且与该网络同步。

4、该目的还通过一种由多个网络组件组成的网络来实现，其中关于时间同步，至少一个网络组件是主设备，并且至少一个另外网络组件是从设备。主设备或充当主设备的网络组件具有主时间并且被设计成将至少一个同步消息发送给至少一个从设备或充当从设备的至少一个另外网络组件(其具有从时间)。至少一个从设备还被设计成使用时间同步将从时间与主时间同步。此外，至少一个网络组件，尤其是充当从设备的网络组件，被设计成具有中断能力的网络组件并且具有定时器，该定时器访问从时间以生成至少一个中断，该中断在与所述从时间同步的相应触发时间点处以预定义循环历时重现。此外，具有中断能力的网络组件具有同步单元，该同步单元被设计成执行以下步骤：

5、当同步消息到达时，确定主时间与从时间之间的时间偏移；

6、确定时间偏移的时间片段，其中该时间片段对应于至少一个中断的预定义循环历时的整数倍；

7、从该时间片段和时间偏移确定中断偏移；

8、执行至少一个时间跳跃以校正主时间与从时间之间的时间偏移；

9、设置至少一个中断在至少一个时间跳跃之后的第一触发时间点，使得所述至少一个时间跳跃之后的所述第一触发时间点相对于至少一个时间跳跃之前的最后一个触发时间点偏移预定义循环历时；以及将至少一个中断的在至少一个时间跳跃之后的数个触发时间点在时间上移位适配历时，其中以如下方式从时间范围中选择在所述一个时间跳跃之后的数个触发时间点中的每个触发时间点的适配历时：使得适配历时最多对应于中断偏移并且最多对应于预定义时间偏差，以及至少一个时间跳跃之后的数个触发时间点的所有适配历时的总和对应于该中断偏移，从而将预定义容差值纳入考虑。

10、理想地，具有中断能力的网络组件被配置成具有另外主设备的另外网络。网络的至少一个主设备能向另外网络的另外主设备预定义主时间。以此方式，两个或更多个网络可以例如在工厂中或在添加网络之后被同步。理想地，建立用于时间同步的网络层级，该网络层级预定义了哪个网络或哪个主设备承担上级角色以及哪个网络或哪个主设备承担下级角色。