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遠程時間同步在分布式測控與實時仿真係統應用
一、分布式測控係統和實時仿真係統簡介
fenbushicekongxitongtongchangyouduogezixitongzucheng，tamenzhijianxietiaogongzuo，gongtongwanchengcekongrenwu，fenbushicekongxitongkehuanjiedanjicekongxitongdefudan。suizhecekongjishuderiyifazhanhechengshu，xiandaigongchengshiyan，youqishidaxingjungongshiyanzhong，xuyaoceshi、控製的項目種類越來越多，對各種測控項目的實時性、同步性和測控精度等都提出了更高的要求。
分步式實時仿真係統采用一致的結構、標準和算法，通過網絡將分散在不同地理位置的不同類型的仿真應用和真實世界互聯，支持異地分布的真實的、虛(xu)擬(ni)的(de)和(he)異(yi)構(gou)的(de)平(ping)台(tai)級(ji)仿(fang)真(zhen)應(ying)用(yong)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)和(he)互(hu)操(cao)作(zuo)，建(jian)立(li)一(yi)種(zhong)人(ren)可(ke)以(yi)參(can)與(yu)交(jiao)互(hu)的(de)綜(zong)合(he)仿(fang)真(zhen)環(huan)境(jing)。由(you)於(yu)試(shi)驗(yan)場(chang)地(di)麵(mian)積(ji)有(you)限(xian)，各(ge)大(da)型(xing)仿(fang)真(zhen)非(fei)標(biao)設(she)備(bei)常(chang)分(fen)布(bu)於(yu)不(bu)同(tong)樓(lou)宇(yu)的(de)試(shi)驗(yan)室(shi)內(nei)，完(wan)成(cheng)仿(fang)真(zhen)試(shi)驗(yan)需(xu)要(yao)多(duo)樓(lou)宇(yu)、多duo試shi驗yan室shi跨kua域yu聯lian合he進jin行xing。這zhe對dui多duo試shi驗yan室shi遠yuan程cheng互hu連lian及ji並bing行xing試shi驗yan提ti出chu了le迫po切qie的de需xu求qiu，而er遠yuan程cheng協xie同tong仿fang真zhen技ji術shu中zhong的de數shu據ju實shi時shi交jiao互hu技ji術shu是shi解jie決jue上shang述shu問wen題ti的de關guan鍵jian。
二、分布式實時仿真係統對遠程時間同步的需求
分布式仿真技術結合了計算機網絡技術與虛擬現實技術，采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫，通過局域網/廣域網將各個仿真節點的軟件、硬ying件jian和he仿fang真zhen環huan境jing整zheng合he為wei一yi體ti，共gong同tong完wan成cheng仿fang真zhen任ren務wu。隨sui著zhe虛xu擬ni現xian實shi技ji術shu的de不bu斷duan發fa展zhan和he完wan善shan，分fen布bu式shi仿fang真zhen技ji術shu對dui連lian接jie各ge仿fang真zhen節jie點dian的de通tong信xin網wang絡luo在zai實shi時shi性xing、傳輸速率、傳輸數據多樣性等方麵提出了更高的要求。
1、係統時間同步
在分布式實時仿真係統中，係統的各部分之間的遠程時間同步非常重要。例如圖形工作站、驅動控製係統、仿真機、主控機、轉台控製計算機等設備之間的時間同步，以及如何確定仿真開始時間、如何確定圖形生成開始時間、如何確定數據傳輸時間、如何及時讀取數據等都是需要麵臨的問題。
2、仿真時間同步
統tong一yi的de時shi間jian周zhou期qi起qi始shi點dian是shi保bao證zheng仿fang真zhen正zheng常chang推tui進jin，數shu據ju真zhen實shi可ke靠kao的de基ji礎chu。仿fang真zhen同tong步bu性xing要yao求qiu仿fang真zhen各ge個ge節jie點dian在zai統tong一yi的de時shi間jian周zhou期qi起qi始shi點dian，並bing且qie按an照zhao規gui定ding的de仿fang真zhen步bu長chang向xiang前qian推tui進jin。統tong一yi的de時shi間jian周zhou期qi起qi始shi點dian是shi指zhi係xi統tong運yun行xing仿fang真zhen各ge個ge子zi節jie點dian需xu要yao采cai用yong統tong一yi的de時shi刻ke作zuo為wei仿fang真zhen起qi始shi時shi間jian戳chuo，之zhi後hou各ge節jie點dian的de仿fang真zhen步bu長chang均jun在zai這zhe個ge仿fang真zhen起qi始shi時shi間jian戳chuo的de基ji礎chu上shang累lei加jia。
三、分布式實時仿真係統的解決方案
在現代測試係統中，怎樣保證各個模塊之間的同步以及測量的實時性是一個非常重要的課題，光纖反射內存網絡（RMN，Reflective Memory Network）因為內在的延遲確定、延遲時間短、支持跨平台等特點在實時係統中得到了廣泛的應用。可采用光纖集線器（光纖HUB）進行實時光纖反射內存網絡硬件平台搭建，實現多試驗室協同試驗仿真。
光guang纖xian反fan射she內nei存cun網wang是shi一yi種zhong共gong享xiang存cun儲chu器qi數shu據ju的de高gao速su實shi時shi計ji算suan機ji網wang絡luo。光guang纖xian反fan射she內nei存cun網wang實shi際ji上shang是shi在zai每mei台tai被bei連lian接jie的de計ji算suan機ji裏li都dou安an裝zhuang一yi塊kuai反fan射she內nei存cun卡ka，各ge反fan射she內nei存cun卡ka通tong過guo光guang纖xian進jin行xing連lian接jie。
jiyuguangxianfansheneicunwangjinxingyuanchengyidixietongfangzhen，henhaojiejueleshiyanshishebeihulianjigaosushishishujugongxiangdewenti，dadaditigaolebanshiwufangzhenshiyanshiguangxianzuwangjibuxiandelinghuoxing，keyishixian20km級ji的de跨kua區qu域yu的de低di延yan遲chi實shi時shi數shu據ju共gong享xiang，使shi試shi驗yan室shi具ju備bei了le多duo試shi驗yan室shi遠yuan程cheng協xie同tong並bing行xing開kai展zhan多duo項xiang試shi驗yan的de能neng力li，同tong時shi具ju備bei單dan一yi試shi驗yan室shi同tong時shi服fu務wu於yu多duo個ge試shi驗yan的de能neng力li。
1、光纖反射內存網的工作原理
基(ji)於(yu)內(nei)存(cun)共(gong)享(xiang)技(ji)術(shu)的(de)光(guang)纖(xian)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)是(shi)由(you)計(ji)算(suan)機(ji)節(jie)點(dian)互(hu)聯(lian)構(gou)成(cheng)的(de)實(shi)時(shi)網(wang)絡(luo)。組(zu)成(cheng)光(guang)纖(xian)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)，需(xu)要(yao)在(zai)每(mei)台(tai)計(ji)算(suan)機(ji)中(zhong)插(cha)入(ru)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)卡(ka)，這(zhe)樣(yang)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)卡(ka)就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)光(guang)纖(xian)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)的(de)各(ge)個(ge)節(jie)點(dian)。各(ge)個(ge)節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)通(tong)過(guo)光(guang)纖(xian)等(deng)傳(chuan)輸(shu)介(jie)質(zhi)連(lian)接(jie)而(er)成(cheng)。為(wei)了(le)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)，距(ju)離(li)較(jiao)近(jin)的(de)(300m以內)設備采用多模光纖連接到本地光纖HUB，相距較遠的(300m～20Km)設備采用單模光纖連接。
每mei個ge節jie點dian的de反fan射she內nei存cun卡ka的de存cun儲chu器qi中zhong都dou有you其qi他ta節jie點dian的de反fan射she內nei存cun卡ka的de共gong享xiang數shu據ju的de拷kao貝bei。每mei個ge節jie點dian包bao括kuo一yi個ge反fan射she內nei存cun板ban，每mei個ge反fan射she內nei存cun板ban配pei備bei一yi個ge大da容rong量liang的de雙shuang口kou存cun儲chu器qi。雙shuang口kou存cun儲chu器qi的de一yi端duan連lian接jie到dao計ji算suan機ji的de本ben地di總zong線xian，另ling一yi端duan經jing過guoFIFO、編碼/解碼、並/chuanbianhuandengchulihou，lianjiedaoguangxian。wangluoshangmeigefansheneicunbandouzhanyouyiduanneicundizhi，renheshikewangshangrenhejisuanjixiangbendifansheneicunbanxieshujushi，gaishujuhexiangyingdeneicundizhijiangzaijiduanshijianneibeiguangbodaowangshangqitasuoyoufansheneicunbanbingcunchuzaixiangtongdeweizhi。bingqie，suoyoujiediandegengxinshijianyuwangluoshangshijilianjiedejiedianshuliangwuguan。meigejiediandeguangxianjiekoubandebanzaicunchuqidoukeyouqitajiediangongxiang，yincizailuojishangquanwangdesuoyoujiediangongxiangtongyikuaicunchuqi。shujuyidianxieru，duodiantongshigengxin，tongguozhezhongguangboshifangshishixianleshujudegaosuchuanshuyugongxiang。fansheneicunwangjuyouquedingdefeichangxiaodeshujuyanchi。lianggejiedianzhijiandeshujuchuanshuyanchizhiyou400ns。因此，在一個節點數目固定的環形網絡上，任意兩個節點之間的數據傳輸延遲都是確定的，並且是可以計算的。
光纖反射內存網的核心器件是光纖反射內存網絡接口板，可采用VME、PCI、CPCI、PMC等deng總zong線xian構gou架jia，負fu責ze連lian接jie計ji算suan機ji與yu光guang纖xian網wang絡luo。整zheng個ge光guang纖xian網wang絡luo通tong過guo光guang纖xian和he光guang纖xian反fan射she內nei存cun網wang絡luo接jie口kou板ban連lian接jie在zai一yi起qi。計ji算suan機ji通tong過guo對dui接jie口kou板ban的de操cao作zuo來lai完wan成cheng對dui共gong享xiang存cun儲chu器qi的de寫xie入ru和he讀du取qu。以yiGE公司PCI5565型接口板為例，最大可支持共享內存256MB，網絡可容納256個節點，理論最大傳輸速率可達到170MB／s，實際的點對點測試結果高達80MB／s。
在光纖反射內存網絡中,反射內存在物理上分布於各個計算機中(反射內存卡中)，luojishanggongxiangtongyiduanneicundizhi。renheyitaijisuanjidoukeyixiangfangwenputongneicunyiyangfangbiandifangwengongxiangdefansheneicun。youyufansheneicunwangluocaiyonglejianhuadewangluoxieyi，suoyijuyoufeichanggaodechuanshusudu，wanquanmanzuruhongwaituxiangshishishengchengxitongdengduishishixingyaoqiuhengaodefangzhenxitongdeyaoqiu。
2、光纖反射內存網的拓撲結構
光纖反射內存網的物理拓撲結構主要有兩種：一種為環形拓撲；lingyizhongweixingxingtuopu。ruguoxuanyonghuanxingtuopulianjie，wangshangsuoyoudefansheneicunbanjiangtongguoguangxianchuanlianqilai。ruguocaiyongxingxingtuopulianjie，wangshangsuoyoudefansheneicunbanjianglianjiedaoguangxianHUB上的自動光纖旁路板。這種星型連接隻是物理上的星型連接，從邏輯上看還是環形連接。
圖1 環型光纖反射網示意圖
圖2 星型光纖反射網示意圖
環(huan)型(xing)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)絡(luo)的(de)優(you)點(dian)是(shi)整(zheng)個(ge)網(wang)絡(luo)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)集(ji)線(xian)器(qi)資(zi)源(yuan)，並(bing)且(qie)光(guang)纖(xian)使(shi)用(yong)數(shu)量(liang)比(bi)星(xing)型(xing)少(shao)一(yi)半(ban)左(zuo)右(you)，成(cheng)本(ben)很(hen)低(di)。其(qi)缺(que)點(dian)是(shi)當(dang)環(huan)型(xing)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)，則(ze)整(zheng)個(ge)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)絡(luo)都(dou)會(hui)癱(tan)瘓(huan)。星(xing)型(xing)連(lian)接(jie)則(ze)采(cai)用(yong)光(guang)纖(xian)集(ji)線(xian)器(qi)（也稱為光纖交換機）zuoweishujuzhongjizhuanfashebei，wangluozhongmeigejiedianxianjiangshujuchuanshudaojixianqi，jixianqijiangshujujinxingxiangyingchulihou，zaitongshizhuanfageiqitajiedian。guangxianjixianqideshiyong，keyiduishujuliujinxingshishijianshi，panglucuowujiedian，bingqieshujugengxinshijiandadasuoduan。zongtilaijiang，huanxingtuopubixingxingtuopugengshihefansheneicunwang。
四、遠程時間同步解決方案
為了解決分布式測控係統和實時仿真係統遠程時間同步的問題，公司提出在基於光纖反射內存網絡的基礎上，采用TFT係列高精度光纖時間頻率傳遞設備和時統信號接收子板（PCI或PCIe）的方式，實現分布式測控係統和實時仿真係統的時間同步。
整個時統設備由主站時鍾、從站時鍾、光纖集線器、時統信號接收子板（PCI或PCIe）和配套連接光纜構成，如圖3所示。
時(shi)統(tong)設(she)備(bei)通(tong)過(guo)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)原(yuan)子(zi)鍾(zhong)和(he)光(guang)纖(xian)交(jiao)換(huan)傳(chuan)遞(di)，給(gei)出(chu)精(jing)確(que)的(de)時(shi)間(jian)或(huo)確(que)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)基(ji)準(zhun)，滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)各(ge)用(yong)戶(hu)之(zhi)間(jian)的(de)高(gao)精(jing)度(du)時(shi)間(jian)同(tong)步(bu)要(yao)求(qiu)，另(ling)外(wai)通(tong)過(guo)北(bei)鬥(dou)/GPS衛星授時手段實現可實現與係統其它部門、單元之間的遠距離時間同步和協同。
主站時鍾輸出高精度時頻信號的參考源，經過光纖傳輸給從站時鍾，再經光纖傳送到時統信號接收板卡。時統信號接收子板獲取、解(jie)析(xi)主(zhu)站(zhan)時(shi)鍾(zhong)下(xia)發(fa)的(de)時(shi)頻(pin)信(xin)息(xi)，通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)處(chu)理(li)，為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)標(biao)準(zhun)的(de)時(shi)間(jian)信(xin)息(xi)和(he)用(yong)戶(hu)設(she)定(ding)的(de)時(shi)鍾(zhong)同(tong)步(bu)中(zhong)斷(duan)信(xin)號(hao)，供(gong)用(yong)戶(hu)實(shi)時(shi)仿(fang)真(zhen)係(xi)統(tong)數(shu)據(ju)同(tong)步(bu)使(shi)用(yong)。光(guang)纖(xian)集(ji)線(xian)器(qi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)實(shi)時(shi)仿(fang)真(zhen)係(xi)統(tong)中(zhong)多(duo)塊(kuai)光(guang)纖(xian)反(fan)射(she)內(nei)存(cun)網(wang)絡(luo)接(jie)口(kou)板(ban)進(jin)行(xing)組(zu)網(wang)。此(ci)外(wai)，公(gong)司(si)還(hai)提(ti)供(gong)專(zhuan)用(yong)的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)檢(jian)測(ce)調(tiao)試(shi)設(she)備(bei)，用(yong)於(yu)複(fu)現(xian)主(zhu)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)，供(gong)給(gei)平(ping)時(shi)檢(jian)測(ce)、調試使用。
圖3 時統設備組網示意圖
采用安徽京準電子科技公司的遠程時間信號同步解決方案，實現的測控係統和仿真係統在時統性能方麵可以達到以下技術指標：
- 時鍾同步精度優於±10ns；
- 幀時鍾（0.2ms）傳輸延遲小於10μs；
- 授時設備主站時鍾源穩定性優於1×10-11/日（衛星信號鎖定）；
- 時標同步網絡上，各個時統信號接收板卡生成的本地同步中斷或同步脈衝之間的誤差不超過40ns；
- 同步時鍾信號最小輸出間隔周期不大於10μs；
- 時統信號接收板卡支持的實時光纖網絡通訊速率不小於2.125Gbps；
- 時鍾信號最大傳輸距離不小於5km（不考慮時鍾信號傳輸延時）。
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