同步和交换

同步和交换（精选五篇）

同步和交换 篇1

关键词：气象雷达,rsync,同步和交换

0绪论

气象雷达的产品一般都是通过天线扫描, 得到原始的回波信号后经过雷达机柜里的信号处理器预处理后通过网络传输到主工作站上, 再经过主工作站上雷达厂家的软件, 对原始数据进行二次加工, 生成符合预报员或者管制员要求的产品, 然后再通过ftp的方式将产品分发给后端的用户。但是ftp在分发资料的时效性和速度上已经远跟不上现在一些优秀的开源软件上, 比如说rsync。而且多个用户通过ftp以细粒度的时间粒度不断用循环任务来对主工作站进行资料请求也是加重了主工作站的IO压力。本文正是在资料分发的这个环节上采用了rsync部署了后端的同步和交换服务器, 提高了资料分发的速度和减轻的主工作站的负荷。

1 rsync简介

1.1什么是rsync

rsync即remote sync, 是一个Linux/unix系统下的文件同步和数据传输工具, 它采用“rsync算法”来使一个客户机和远程文件服务器之间进行数据的同步。通过rsync可以将同一个服务器的数据从一个分区备份到另外的一个分区, 也可以将本地数据通过网络传输方式备份到任何一个远程的主机上, rsync可以在中断之后恢复传输, 也可以只传输源文件和目标文件之间不一致的部分, 它还可以执行完整的备份或者增量备份, 而且可以通过ssh方式来传输文件, 这样其保密性也非常好。

1.2 rsync的功能特点

1.2.1可以镜像保存整个目录树和文件系统。

1.2.2可以很容易做到保持原来文件的权限、时间、软硬链接等等。1.2.3无须特殊权限即可安装。

1.2.4优化的流程, 文件传输效率高。

1.2.5可以使用scp、ssh等方式来传输文件, 当然也可以通过直接的socket连接。

1.2.6支持匿名传输

1.3与ftp比较有什么优点

1.3.1更快速:可以增量同步数据, 因而同步时间很短, 速度快。

1.3.2开销小:rsync在建立连接的过程只需要进行一次握手, 不需要像ftp一样进行多次握手。

1.3.3更高效:rsync在传输数据的过程中可以实行压缩及解压缩操作, 因此可以使用更少的带宽。

1.3.4更安全:可以使用scp、ssh等方式来传输文件

2构建基于rsync的同步和交换服务器

2.1下载与安装rsync软件

ryscnc的官方地址为:http://rsync.samba.org/, 本文下载的版本为rsync-3.1.0。在官网下载源码包后进行编译安装, 过程如下:

2.2 rsync配置实例

本次配置的2台服务器分别为:

A:气象雷达主工作站, IP:192.168.1.1

B:雷达产品同步&分发服务器, IP:192.168.1.2

配置前需按照上文的方法下载安装方法在A机和B机上安装rsync软件。

2.2.1在A机上配置rsync

rsync的配置文件为/etc/rsyncd.conf, 安装完rsync后默认是没有这个文件的, 需要自己手工建立一个文件。rsyncd.conf文件由一个或者多个模块结构组成, 包括全局参数和模块参数。每个模块从方括号的模块名开始到下一个模块名的方括号。具体的语法结构可以参考官网的手册。下面来配置A机的配置文件 (实际配置文件是每个参数单独一行)

其中server.pass中的内容如下:

上面选项的含义如下[1]:

uid, 指定了该模块传输文件时的守护进程的用户ID, 默认的情况下是“nobody”

gid, 指定了该模块传输文件时的守护进程的组ID, 默认的情况下是“nobody”

max connection, 此选项指定了模块的最大并发连接数, 以保护服务器。超过这个连接请求将被暂时限制, 默认值是0, 即没有限制。

pid file, 此选项用来指定rsync守护进程对应的PID文件路径

lock file, 此选项用来指定支持max connection的锁文件, 默认值是/var/run/rsyncd.lock。

log file, 此选项指定了rsync的日志输出文件路径。

[Radar Data], 模块名, 也表示一个模块的开始

path, 此选项用来指定需要备份的文件或者目录

read only, 设置为no表示客户端可以上传文件, 设置为yes表示只读。

write only, 设置为no表示客户端可以下载文件, 设置为yes表示不能下载

auth users, 此选项用来定义可以连接该模块的用户名。这里的用户可以是系统当前没有的用户, 任意定义。

secrets file, 此选项用于指定一个包含“用户名:密码”格式的文件, 用户名必须是auth users选项定义的用户名, 密码可以任意定义。比如本文用到的server.passs, 系统默认没有这个文件, 可以自己手动建立一个, 文件名和位置任意。

在A机上启动rsync守护进程

看到LISTEN就表示rsync已经正常启动并处于监听的状态下了。2.2.2在B机上配置rsync

在B机上不用做太多的设置, 只要正确的安装了rsync就好, 然后手工建立一个包含着A机密码文件里定义好的密码的文件就好, 这样就可以在同步的时候不需要每次都自己手动输入密码。

接下来执行同步操作, 具体的指令如下:

具体每个参数的含义如下:

在“-vzrtopg”选项中, v是“--verbose”, 即详细模式输出。

z表示“--compress”, 即在传输时对备份的文件进行压缩处理。

r表示“--recursive”, 表示对子目录以递归模式处理。

t表示“--times”, 用来保留文件的时间属性信息。

o表示“--owner”用来保留文件属主信息。

p表示“--perms”用来保持文件权限。

g表示“--group”用来保持文件的属组信息。

“--delete”选项指定以rsync服务器端为基准进行数据镜像同步, 也就是说服务器端目录与客户端目录的完全一致。

“--progress”选项用于显示数据同步的过程

“backup@192.168.1.1::Radar Data”表示对A服务器192.168.1.1中的Radar Data模块进行同步, backup表示用“backup”这个用户对该模块进行同步。

“/home/rainbow/Radar Data”用于指定同步文件放在客户端上的位置。

“--password-file=/etc/server.pass”用于指定客户端上的密码文件的存放位置。

rsync作为客户端工具使用的时候还有很多有用的参数和使用的模式, 更多详细的信息都可以在本机上执行“man rsync”来查看。

3功能测试

实例1在B机上同步A机的雷达产品

从上面的结果可以看出, 在A服务器上更新产品后对A进行同步的时候, B并没有把A的整个目录列表抓取过来, 而是只是仅仅同步了更新的部分, 这在大量并发的环境下可以减少对主工作站的IO压力。

4总结

通过以上的理论和实际部署实践说明, 新的开源软件在实际应用中不仅高效免费, 而且也容易部署实施, 后期还有开源社区的技术支持, 这对于每个系统运维的人员来说都是非常值得高兴的事情。本文用rsync对雷达产品进行同步和交换分发, 只是运用到了rsync不到十分之一的功能, 在实际的生产环境中, 结合shell或者其他的开源软件, rsync在系统的运维监控上将可以发挥出意想不到的效果。

参考文献

同步和交换 篇2

教学目标：

1.经历加法交换律和乘法交换律的探索过程，会用字母表示加法交换律和乘法交换律，培养学生发现问题和提出问题的能力，积累数学活动经验。

2.通过列举生活实例解释加法交换律和乘法交换律的过程，认识运算律丰富的现实背景，了解加法交换律和乘法交换律的用途，发展应用意识。

3.感受数学探索的乐趣，培养学生观察、概括的能力，渗透归纳、猜想的数学思想方法。

教学重点：经历观察、归纳、猜想、验证的过程，理解加法交换律和乘法交换律，会用字母表示加法交换律和乘法交换律。

教学难点：列举生活实例解释加法交换律和乘法交换律，渗透归纳、猜想等数学思想和方法。

教学准备：多媒体教学课件。

教学过程：

一、激趣导入

师：请同学们观察黑板上的两个磁扣，你们能用一个词语描述一下这两个磁扣先后位置的变化吗？

生：交换。

师：描述得非常准确，这种现象就是交换位置。在生活中，我们经常会遇到交换位置的现象。那么，在数学中是否也存在这种现象呢？这节课我们就来研究这个问题。

二、合作探究

活动一：探索加法交换律

师：请同学们认真观察屏幕上的这组算式，想一想，你发现了什么？谁想说一说？

生：我发现两个算式的结果相同。

师：又有什么不同的地方呢？

生：我发现算式中的加数交换了位置。

师：你也很善于观察，发现了两个算式的不同之处，那么这两个算式有什么相同之处呢？

生：和相同。

师：老师这里就有了一个疑问，这里的两个加数交换位置后，和是相同的。那么，如果任意两个数交换位置相加，和还是相同的吗？

生1：相同。

生2：不相同。

师：口说无凭，这需要我们动笔写一写、算一算，来验证一下。请同学们拿出自主学习记录单，按照活动一的要求，自己独立仿写一个算式。然后将你发现的规律用一句简洁的语言描述出来，最后再与同桌交流一下。（学生练习。）

师：谁想把你仿写的算式与大家分享一下？其他同学要认真倾听，看看他仿写的算式是否正确。

生1：我仿写的算式是6+7=13、7+6=13，因为和相同，所以6+7=7+6。

生2：我仿写的算式……

师：同学们都很聪明，居然仿写出这么多的算式。像这样交换加数的位置，和不变的算式能不能写得完。

生1：不能。

生2：有很多，写不完。

师：那现在看看我们仿写的算式，你们发现了什么规律？能不能用一句话总结一下。

生1：交换加数的位置，和相同。

生2：交换加数的位置，和不变。

师：同学们真棒，发现了一个重要的数学规律，它就是加法交换律。（板书，出示意义，齐读。）

活动二：探索乘法交换律

师：通过探索我们已经知道了加法满足交换律，除了加法，我们还学习过乘法，那么，乘法也满足交换律吗？你认为乘法有交换律吗？

生1：我认为乘法有交换律。

生2：我认为乘法没有交换律。

师：乘法到底有没有交换律呢？我们还是用写算式的方法来验证一下吧！请同学们拿出合作学习记录单，小组合作探究。写清你们猜想、验证用的算式和你们的发现，然后与小组同学说清自己的想法。

师：哪个小组愿意把你们的合作学习成果与大家分享。说一说你们组的猜想、验证用的算式、发现的规律及结论。

生：我们组的猜想是乘法有交换律，验证用的算式是5×6=6×5，发现的规律是交换乘数的位置，积不变。

师：一组算式的验证不具有说服力，咱们再来一组。（生举例回答。）

师：通过大家的猜想、验证，乘法是否满足交换律？

生：满足。

师：对了，乘法也满足交换律。

师：谁能仿照加法交换律，描述一下乘法交换律。（出示意义，齐读。）

活动三：列举实例解释加法交换律和乘法交换律

师：同学们已经知道了什么是加法交换律和乘法交换律，那么请大家看屏幕，想一想，下面这两个生活事例可以用哪个规律来解释呢？为什么？

生1：从电影院到学校的距离和从学校到电影院的距离是一样的，都是35+42或者42+35。

生2：不管是横着看还是竖着看，椅子的总数都是一样的，都是6×5=5×6。

师：其实很多生活中的事例、解决问题的算式中都存在这样的规律，你还能列举吗？其他同学认真倾听，判断是否正确。

生1：计算班级的总人数存在加法交换律，班级的总人数等于男生人数加上女生人数，也可以是女生人数加上男生人数。

生2：10张5元钱和5张10元钱的钱数一样，都是50元。

活动四：用自己喜欢的方式表示规律

师：刚才我们利用生活事例进一步解释了加法交换律和乘法交换律，现在请同学们拿出自主学习记录单，按照活动二的要求，先想一想我们可以用什么代表加法算式和乘法算式中的两个数字，然后写一写。

师：谁愿意将你的表示方法与大家分享？

生1：我用三角形和正方形表示加法和乘法算式中的数字，如：加法交换律□+△=△+□;乘法交换律□×△=△×□。

生2：我用a和b表示加法和乘法算式中的数字，如：加法交换律a+b=b+a ;乘法交换律a×b=b×a。

师：同学们很有想象力，想出这么多的方法表示加法交换律和乘法交换律。为了方便，我们一般用字母a和b表示这两个规律：加法交换律：a+b=b+a;乘法交换律：a×b=b×a。

师：仔细观察这两个运算律，a和b在加法交换律中分别表示什么？在乘法交换律中分别表示什么？

生1：a和b在加法交换律中表示的是加数。

生2：a和b在加法交换律中表示的是乘数。

师：这两个运算律有什么相同和不同之处？

生1：相同点是数字交换了位置。

生2：不同点是加法运算是和不变，乘法运算是积不变。

活动五：感受加法交换律和乘法交换律的用途

师：通过同学们的自主学习与合作探究，大家已经知道了加法交换律和乘法交换律的含义，还用不同的表达方式表示出了这两个运算律。下面，请同学们回忆一下，以前我们在哪里用到了加法交换律和乘法交换律。

生：验算。

师：对，在计算加法和乘法时，我们可以用交换加数或乘数的位置进行验算。

生：竖式计算。

师：有的时候为了方便我们还可以利用乘法交换律进行竖式计算。

三、巩固训练

师：为了使同学们进一步加深对加法交换律、乘法交换律的认识和理解，下面我们一起做几道练习题来巩固一下。首先看屏幕，结合下面的例子说一说等式为什么成立。（生回答出示的问题。）

师：请同学们将课本翻到第51页，运用加法交换律和乘法交换律填一填。谁想到前面试一试？（生做题。）

四、课堂总结

师：时间过得很快，又到总结收获的时间了。相信大家通过一节课的学习，在数学知识的理解和学习方法运用上都有了自己的收获，谁想站起来说一说？（生答。）

师：这节课我们通过猜想、验证，发现了加法和乘法都满足交换律，那么减法和除法也满足交换律吗？请同学们下课之后运用猜想、验证、发现的方法找到结论。

反思：

本节课的主要内容是引导学生经历探索加法交换律和乘法交换律的过程，理解并用字母表示加法交换律和乘法交换律，能运用加法交换律和乘法交换律进行简便运算。教学重点是经历探索加法交换律和乘法交换律的过程;难点是能运用加法交换律和乘法交换律进行简便运算。通过本节课的学习，基本达到教学目标，学生亲历了“做数学”的过程，整个课堂气氛比较好，师生交流和谐融洽。

课堂上，我首先引导学生用观察黑板上两个磁扣的前后位置变化，进而感受现实生活中有趣的交换位置的现象，让学生初步感知问题，然后鼓励学生根据自己的“数学现实”理解情境，构建“问题——探究——应用——新问题——再探究”的开放式学习过程，体现学生是学习的主人，教师是教学活动的组织者、引导者和参与者。整个教学过程学生从已有的知识经验实际出发，通过质疑、猜想、验证、观察、交流、归纳，亲历了探究加法交换律和乘法交换律这个数学问题的过程，从中体验到了成功解决数学问题的喜悦。

在教学过程中，我觉得还存在很多的不足。例如，在教学过程中，给学生时间还是偏少，总怕他们说不出来，或者说得不够好，给学生的自主权利太少。长此以往，他们主动学习的意愿就会降低。因此在课堂上应该把时间还给学生，让学生更主动地学，这是我今后在课堂教学中应努力的方向。

同步和交换 篇3

20世纪八九十年代,集成电路产业成为了一个发展飞快的产业。该产业的发展使得包括全球通讯科技、网络互联技术、计算机等电子设备研发制造等产业得到了很大的推动,已经成为各个国家非常重要的战略产业甚至主导产业之一,它还渗透到了其他各种各样的领域,大到火车、卫星、航天飞机,小至日常生活使用的手机、电脑等电器,以至于我们时刻都在和集成电路亲密接触[1]。光刻机在制造半导体芯片的过程中起到了很关键的角色,因此各国在研发和制造光刻机上投入了很大的精力,而作为产品,产率是光刻机发展的主要追求目标之一,双工件台交换以达到一个工件台在预处理,而另一个工件台在进行曝光工作,这样可以极大的提高工作效率。本文设计的双工件台回转交换的同步控制系统利用旋转变压器和圆光栅分别对公转和自转电机位置进行采集,通过标准串行通信交由运动控制卡,经由FPGA进行信号处理、DSP进行算法处理,再经由串行通信将控制指令发送给电机驱动完成运动控制,整个构成一个闭环控制系统,以保证双工件台交换过程中可以按照预定的换台姿态运动。

2 控制系统总体方案

如图1所示,整个系统由执行机构、传感器模块、信号处理模块、运动控制模块组成。

执行机构:如图2所示,整个执行机构包括三个电机,他们同为三相异步电机,其中位于中间的公转电机的定子固定在工件台基座上,不能做平移和旋转,转子绕定子做旋转;在两边通过抓卡机构与公转电机相连接的两个电机我们习惯称之为自转电机,自转电机的转子可以绕定子做旋转,并且负责与公转电机轴接,自转电机的定子在没有通气浮的时候无法在工件台基座上运动,当给控制指令时,自转电机的转子绕着定子进行旋转(如图3所示),然而当给自转电机通气悬浮时,自转电机定子可以在基座上进行阻力很小的平面自由运动,这也就保证了当公转和自转电机轴接之后,公转可以带着两个自转电机绕公转做旋转运动,同时,由于自转电机转子与公转电机轴接固定,转换为“定子”,无法随着控制指令发生旋转,而是自转电机定子相对于转子发生反方向的旋转,从而使得自转电机定子的姿态得到调整。

传感器模块:对于公转电机和自转电机我们分别采用的是旋转变压器和圆光栅作为测量元件,都是用来测量电机旋转的绝对角度。其中公转电机采用的是FB924V系列双速旋转变压器及其角位变送器,而自转电机采用的是RESA30USA350B绝对式圆光栅。采到的数据通过串口URAT传输,通过FPGA实现通信协议。

运动控制模块:采用DSP6414作为主控芯片;通过DSP内置的SCI中断模块不断实时更新采集的三个传感器采集到的数据,进行一定的滤波处理之后得到三个电机的实时旋转角度,从而可以计算电机运动的速度等信息;通过双环PID实现预定的换台控制算法,使得双工件台按照预定的换台轨迹进行运动。

3 传感器模块

公转电机采用的角度传感器是FB924V系列双速旋转变压器及其角位变送器,旋转变压器是一种用来测量角度位置的传感器,其输出是随转子转角作某种函数变化的电气信号,通常是正弦、余弦、线性等,我们这里用到的旋变的输出为正余弦信号。目前用到的旋变有环形、磁阻式以及多极式,我们用到的是多极式旋变。然而仅仅有旋变是不足以完成角度的测量的,还需要配备相应的RDC(Resolver Digital converter—旋转变压器数字变换器),将旋变输出的正余弦信号转换为数字电路能够使用的数字信号[2]。如图4所示:

我们所采用的角位变送器是指既可以输出角度,也可以输出位移的数字变换器。FB920C高精度角位变送器采用多级双通道旋转变压器或自整角机作检测元件,将旋转物体转过的角度经微处理器进行处理后换算成角位移或直线位移,然后以模拟量(电流或电压)通过串行口RS232C或RS485输出。该变送器同传感器组合组成高精度角位移测量系统,单圈分辨率从15~22位可设定,精度可达几角秒。

自转电机所采用的角度传感器是一种基于Bi SS协议的圆光栅。光栅从外观上看就是一块长条形的光学玻璃,只不过上面有密集平行等距分布的刻线。光栅测量系统分为两部分,分别为标尺光栅和指示光栅,通常指示光栅安装在被测的移动物体上,标尺光栅则固定在物体行程范围,物体运动时,标尺光栅相对于指示光栅移动,会形成明暗相间的叠栅条纹,明暗程度大致呈正弦变化并且会以两部分光栅的相对速度移动,这些条纹照射到光电元件上将得到一串电脉冲,通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出,从而得到被测的位移量。光栅式传感器的精度高,在大量程测量长度或直线位移方面仅低于激光干涉传感器[3]。而在圆分度和角位移连续测量方面,光栅式传感器属于精度最高的。在换台的过程中对于自转的控制精度要求高,因此这里选择圆光栅最为合适。

Bi SS(Bidirectional Synchronous Serial)协议作为一种双向同步串行传感器接口协议,最高传输速度可以达到10Mbit/s,并且可以实现单主机多从机的结构,最多可以带8个从机,这使得它在全闭环、多轴伺服系统中应用广泛[4]。

我们所使用到的仅为单从机的BISS协议,其协议时序图如图5所示。这里CLK为同步时钟,错误和警告分别为1bit标志位,均为低电平有效,当错误位为0时,表示读到信息不可信;警告位为0时,表示光栅需要进行清洁。

4 信号处理模块

旋变-角位变送器和圆光栅测量得到的数据通过标准DB9串口协议传输到运动控制板卡上,经过SP3490芯片及其外围电路进行串口电平转换,并且将数据传入FPGA中,FPGA是一种现场可编程逻辑门阵列,即可以通过Verilog/HDL语言编程,以软件编程的方法得到逻辑电路的实现,这里我们在FPGA中实现了串口收发电路、双口RAM、多路选择器及EMIF接口电路来完成从串口采集到数据到传入主控芯片DSP之前的信号处理工作。串口收发电路主要实现从接口读到串口数据,然后按照数据传输协议以及波特率将数据以字节为单位读到寄存器中;双口RAM主要实现数据的存储与读取,本系统中主要实现与串口收发电路以及EMIF接口电路的RAM读写;多路选择器用于从多个输入里选择一个传输过去,起到一个开关的作用;EMIF电路则是为了实现FPGA与DSP的数据传输。另外,部分FPGA引脚还需要通过CPLD芯片进行电平转换,之后再与外部接口或者DSP引脚进行连接传输,这是因为DSP内核所需电压为3.3V,而使用到的VME接口以及光纤传输芯片用到的电源都是5V,需要进行相应的电平转换,由于FPGA和VME总线引脚较多,使用电平转换芯片会极大的占用电路板的面积,相比较而言,CPLD芯片兼容多电平包括5V和3.3V,包含引脚多且同时可以起到电平转换的作用。

当经过信号处理之后,得到的数据将传送到DSP的EMIF接口,DSP的各个模块的地址都是经过提前规划的,我们可以通过对相对应的地址进行读写操作来实现读取数据或者发送指令和数据。这里取到的数据是从传感器传回来的所有信号序列,包括报文头,有效信息数据(即公自转的位置)以及校验位,这里我们采用的是较为可靠的CRC校验,因此需要进行进一步的校验之后做一些移位等操作才能得到我们需要的位置信息。

5 运动控制模块

运动控制算法主要是在DSP中实现的,DSP具有较好的运算和数字信号处理能力,这使得其运算速度较快,这对于实现实时控制算法的实现有着很大的帮助,会比用其他嵌入式芯片有着更好的控制效果。

在双工件台交换的过程中,两个工件台(也就是前面提到的自转电机定子)可以进行绕自身的旋转运动,而两个工件台成180度连接在一个称为公转电机的电机装置上。如图6所示,当需要进行工件台交换的时候,公转电机则进行180度旋转,由于自转电机转子与公转电机轴接,所以两个工件台被带动着围绕公转电机进行旋转,与此同时我们需要保证两个工件台相对于基座不发生旋转,那么我们就需要实时将公转电机的运动传给自转电机,并驱动自转电机做相应的自旋,来达到同步静止的控制指标,这也是我们设计该控制系统的最终目标,这也正是我们的控制策略[5]。

控制算法采用工程上最为实用高效的PID算法。PID算法结构简单、参数易于整定,P、I、D控制规律各自成独立环节,可根据工业过程进行组合;在实施过程中无需建立数学模型,再加上人们在长期使用中积累了丰富经验,PID控制算法在工业控制中得到广泛应用[6]。实际换台时需要公转电机进行0-180度的正向和负向旋转,理想的输入控制信号当然是给速度一个阶跃控制信号,让电机以一个固定的速度匀速旋转,但是阶跃信号作为实际的速度控制指令会给电机带来冲击作用,会使得实际的控制效果不够稳定。因此选择S型曲线作为控制输入指令,如图7所示,这样会使得速度从0开始有个缓慢上升的过渡过程,使得电机出力更加平滑。

当公转电机按照要求的S型曲线运动的同时,我们可以测量得到公转电机实际的位置,因为公转和自转电机的传感器得到的都是绝对位置,因此可以将公转电机相对于初始位置的旋转角度作为自转电机相对于初始位置的目标角度,由于传感器返回的位置数据是转子相对于定子的位移,从图6中可以看到,在双工件台交换的过程中,为保证工件台(自转电机定子)相对于基座不发生旋转,公转电机和自转电机的转子相对于各自定子的旋转方向是一致的,又因为三个电机的控制和测量正方向一致,所以期望的公转电机和自转电机的位移曲线是完全相同的。实验中我们以图6左侧电机所处的位置(三个电机处于基座中轴线上)为绝对零位,即在此位置得到的三个电机的位置信息为零,实验时,我们期望公转电机旋转180度,与此同时,工件台相对于基座不发生旋转,最终完成两个工件台互换位置的控制效果,如图8所示。

将旋转过程中测得的数据的偏置去掉使得在绝对零位处的读数都为零,得到公转电机和两个自转电机的角度位移曲线分别如图9,图10,图11所示:

将公转电机的位置数据分别与两个自转电机的位置数据相减即可得到两个工件台相对于初始时刻的角度变化,也就是相对于基座不发生旋转的误差曲线,如图12,图13所示:

从以上的实验曲线可以看出自转电机的位移曲线与公转电机的位移曲线基本是完全相同的,而从误差曲线上可以看到两个工件台相对于基座不发生旋转的误差在0.5度以内,达到了我们预期的控制效果。

6 结束语

本文针对双工件台回转交换的同步控制问题,采用DSP作为主控芯片,FPGA作为主要的信号处理单元,设计了信号采集装置,以三相异步电机作为执行机构,完成了基于PID的控制系统和算法的规划,实现双工件台回转交换时公自转电机的同步控制。最后通过实际控制曲线及误差验证了本系统的可靠性,达到了预定的控制效果。

参考文献

[1]汪劲松,朱煜.我国“十五”期间IC制造装备的发展战略研究[J].机器人技术与应用,2002,17(2):5-6.

[2]姜燕平.旋转变压器原理及其应用[J].电气时代,2005,(10):98-99.

[3]安勇龙,叶敦范.光纤光栅传感器的工作原理和应用实例[J].仪器仪表与分析监测,2005,(1):5-7.

[4]丁云飞,商怀昊,冯兆冰.Bi SS串行通信协议编码器在高精度伺服电动机上的应用[J].金属加工:冷加工,2013,(11):53-55.

[5]谭久彬,杨远源,王雷.一种基于自主同步调向的双工件台回转交换方法与装置[P].中国专利:CN102495531A,2012.06.13.

同步和交换 篇4

1 基于软交换技术的移动通信同步系统设计方法

1.1 同步系统设计要求

数字蜂窝移动通信网采用主从同步方式,其数字同步基准应利用公用数字同步网的基准,根据移动交换局在移动通信网中所处的等级,按照移动网络单元种类和设备类型接受相应等级的“电信楼综合定时供给系统(BITS)”的同步,且楼内综合定时供给设备的时钟等级应同于或高于STP的时钟等级。对于BSS的同步要求,可以从MSC/VLR带业务的2048Kbit/s数字信号中提取定时。我国数字蜂窝移动通信网的交换等级分为:一级移动汇接中心(TMSC1)、二级移动汇接中心(T M S C 2)和移动端局(MSC/VLR)三级交换中心。根据《900MHz数字公用陆地蜂窝移动通信网技术体制》有关同步要求,规定TMSC1和TMSC2的时钟等级为二级A类,M S C/V L R、H L R/A U C以及关口局GW的时钟等级为二级B类,基站子系统BSS的始终等级为三级时钟(BSS则包括BSC和BTS)。

1.2 同步时钟接引原则

根据上述要求,结合我省的实际情况,确定以下的接入原则:(1)一级移动业务汇接中心(TMSC1)、二级移动业务汇接中心(TMSC2)以及各GW接受二级A类时钟等级的同步。(2)MSC/VLR和HLR/AUC接受二级B类时钟的同步。(3)凡是GSM网元所在楼内已配置综合定时供给设备的,其网元应直接从综合定时供给设备取得,即采用外定时方式(BSS除外)。(4)BSS从MSC/VLR带业务的2048Kbit/s信号中提取定时取得同步。(5)对于GSM网元所在楼内未配置定时供给设备的,原则上采用线路定时方式,即从上级或同级数字程控交换机或GSM交换机的数字信号中取得定时(维持现状不变)。

1.3 计费、网管、CDS系统IP承载网连接方案

S E R V E R和M G W之间的信令、M G W和CDS之间的控制流、网元的计费采集链路和网元的管理流及traffica流都通过划分不同的MPLS-VPN(Virtual Private Network,虚拟专网),承载在IP专网上,其中网管与traffica流封装于同一VPN中。(如图1所示)。

2 结语

基于电信网络“全程全网”的特点,软交换网络的引入,除电路和信令外同样必须考虑同步时钟、计费、网管和C D S等与MSS和MGW的连接。由于技术的进步,与相关设备的连接方式也发生了变化,如与CDS的连接,用户平面仍然采用TDM方式,但控制流则由IP专网的承载,也实现了控制与承载的分离。从而说明了软技术不仅是核心网本身的进步,也推动了与其相关设备及接口的同步发展。本文提出的设计方法,能够实现软交换设备与现网同步系统和计费、网管、CDS等系统的融合,已经部署在实际的网络环境中。

参考文献

[1]张磊,等.基于软交换的下一代网络组网技术[M].人民邮电出版社,2005,5.

[2]赵学军.软交换技术问答[M].人民邮电出版社,2005,11.

同步和交换 篇5

关键词：电力监测网络,网络时间同步,同步精度,精确时间同步,IEEE1588,监测,同步

0 引言

基于网络的时间同步技术是电力监测网的支撑技术之一,广泛应用于同步测量、同步保护、同步控制、合并单元等场合[1,2,3,4],IEC61850标准也将该技术作为变电站监测网中传统同步手段的换代技术[5,6]。

网络时间同步主要通过NTP(Network Time Protocol)和PTP(Precision Time Protocol,即IEEE1588标准)2种技术途径实现[7]。目前,电力监测网一般使用交换式以太网消除碰撞,提高实时性。NTP技术的优点是不需要交换机中有特殊硬件支持,成本低;但NTP受交换机网络延迟不对称性的影响,同步精度一般只能保证ms级[8,9]。PTP则通过在全网所有交换机中植入高精度自守时时钟,以及在网卡物理(PHY)层植入支持PTP的专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA),使同步精度能够达到1μs以内[10],适用于相量测量等高精度同步场合。但PTP也存在以下缺点:PTP建立在对以太网ASIC硬件改造的基础上,因此成本长期居高不下,限制了其广泛应用;必须全网交换机都支持PTP才能保证同步精度,因此可靠性不及NTP,且时钟温度条件苛刻;由于全网交换机必须都支持PTP,因此在高精度测量需求不多的场合,其成本优势不及传统的串口通信校时、脉冲中断校时和综合校时等点对点同步方式[7]。

本文提出了一种可将NTP同步精度提高到17倍的改进协议SN-NTP(Switch Networks-NTP),使得同步精度根据网络拓扑的不同可达10~100μs量级。该协议不需要增加硬件,只利用大部分工业网络交换机都已支持的IEEE802.1p优先级排队功能,因此,与IEEE1588相比具有很大成本优势,在电力监测网中可以部分替代IEEE1588。未来随着1 Gbit/s以及更高速以太网技术在电力监测领域的应用,SN-NTP同步精度将进一步提高到μs级,完全满足IEC61850所规定的5种级别[7,11]的电气信号同步需求,具有在电力监测领域替代IEEE1588的技术潜力。

1 NTP时间同步协议原理

NTP一般采用“客户端-服务器”方式。如图1所示,先由客户端向服务器发送时间同步请求包,包内包含发送时的本地时间T1;请求包经各级交换机传输,到达服务器后,服务器立即记录到达时的本地时间T2;接着服务器再向客户端发送回复包,包内包含T2以及发送回复包时的本地时间T3;回复包到达客户端后,客户端记录到达时的本地时间T4,至此完成一次网络同步通信。

设请求包的网络传输延迟为treq,d,回复包的网络传输延迟为tcnf,d,客户端与服务器的时钟偏差为toffset,则客户端计算自身的时间偏差并以此调整自身时钟。

显然,式(1)成立的前提是传输延迟的对称性,即treq,d与tcnf,d相等,但交换式以太网无法保证这一点,因此式(1)会引入同步误差terror:

即实际的时间同步关系为:

在交换式以太网中,的上确界通常为ms以上量级,这也是NTP同步精度较差的根源,本文提出的SN-NTP改进协议通过减小的上界值来提高同步精度。

2 SN-NTP协议

2.1 NTP同步精度及其改善方法

2.1.1 NTP同步误差的成因分析

NTP数据包在交换机中转发时,必须等到发送队列中正在发送的数据帧完全传输完才能发出,该等待时间的不确定性造成了同步误差。具体如图2所示,当某时刻NTP数据包进入发送队列时,尽管NTP数据包使用了优先级机制(IEEE802.1p),但必须等待优先级较低的帧“Frame 0”发送完。

2.1.2 NTP同步精度计算

NTP同步精度可以表示为式(4)。

其中,n为转发路径上所经过的交换机个数。

因以太网最长数据包可达1 538 Byte(含帧间间隔12 Byte),故max{twait}等于发送1 538 Byte的时间(百兆以太网可达123μs,千兆以太网可达12.3μs),显然必须减小max{twait}才能改善同步精度。

2.1.3 同步精度改善方法

本文通过先发送转发端口抢占包,再发送NTP数据包的方式来减小max{twait},从而提高同步精度。具体分以下2步。

a.在NTP数据包发送之前,先连续发送18n个长度为88 Byte的转发端口抢占包。所谓转发端口抢占包是优先级低于NTP数据包但高于其他数据包的以太网最短包,共88 Byte(包含帧间间隔12 Byte和优先级标记4 Byte)。显然,转发端口抢占包在交换机中会阻塞除NTP数据包之外的其他数据包在交换机中的转发,从而使得NTP数据包即将通过的转发路径完全被转发端口抢占包所占据。

当转发端口抢占包的发送数量为18n(其中,18=[1 538/88],n为转发路径上的交换机数量)时,可以在最坏的情况下(即转发端口抢占包在每台交换机中总是需要等待1 538 Byte传输完),确保NTP请求包在传输过程中前方总有转发端口抢占包正在阻塞其他数据的传输。

b.以最高优先级发送NTP数据包,并使其接在所有转发端口抢占包之后。

由于其他长数据包都已被之前发出的转发端口抢占包所阻塞,因此NTP数据包只需等待正在占据端口的转发端口抢占包(最长88 Byte)被发送完即可获得端口,如图3所示。此时,max{twait}仅为发送88 Byte数据包的时间(百兆以太网仅需7.04μs,千兆以太网仅需0.704μs),由式(4)可知,同步精度约提高到原来的17倍(1538/88≈17)。

2.2 SN-NTP协议机制

根据2.1节原理设计SN-NTP协议。SN-NTP协议的时序如图4所示,其中,为确保服务器每次只为一个客户端授时,采用了“SN-NTP请求”、“SN-NTP允许”和“SN-NTP完成”的握手机制,以避免多个客户端的并发。

SN-NTP客户端和SN-NTP服务器的流程图分别如图5、6所示。

2.3 SN-NTP同步精度的计算

根据网络拓扑和转发路径的不同,不同客户端与服务器之间的同步精度不尽相同,可由式(5)计算:

其中,n1为转发路径上100 Mbit/s交换机的个数,n2为1 Gbit/s交换机的个数。

2.4 SN-NTP对网络实时性的影响

转发端口抢占包会对所占端口的其他数据包产生阻塞,最大阻塞时间可由式(6)计算:

IEC61850标准根据采集、控制、保护等应用场合的不同要求,定义了2~100 ms的网络延迟要求[7],这些延迟要求对电力监测网具有参考意义,必须根据实际情况部署SN-NTP,以防止影响电力监测网的实时性。

3 SN-NTP同步性能试验

3.1 试验环境

试验平台为某船舶电站交流侧综合监测系统测试床,其网络拓扑结构如图7所示。

交流侧A、B、C三相的监测设备分别接入对应的3台交换机,网络速率为100 Mbit/s,均支持IEEE802.1p协议;3台交换机之间以弹性分组环网模式连接,网络速率为1 Gbit/s,B相交换机与C相交换机之间为环网的冗备链路。

SN-NTP客户端和SN-NTP服务器分别运行于工控机A和工控机B上,2台工控机分别连接到B相交换机和C相交换机的百兆端口上。由于冗备链路的存在,NTP请求包的转发路径为“工控机AB相交换机A相交换机C相交换机工控机B”,NTP回复包则反之。

为测量SN-NTP协议的同步误差,本文使用独立的串口时钟源通过RS-232串口分别为2台工控机提供标准时间信号。由于客户端和服务器的本地时间都已与标准时间同步,故此时两本地时钟偏差为0,即toffset为0,根据式(2)和式(3)得到同步误差计算公式:

3.2 软硬件配置

运行SN-NTP客户端和SN-NTP服务器的工控机均采用x86架构,Intel Pentium M 1.6 GHz处理器;网卡芯片为支持IEEE802.1p优先级功能的Intel82575网络控制器,在试验中工作于100 Mbit/s全双工模式;采用Intel 82C54计时器作为同步性能试验用的本地时钟。

采用Vx Works 6.6操作系统(评估版)作为客户端和服务器的软件平台;TCP/IP协议栈采用Vx Works自带的WRNS(Wind River Network Stack)。使用WRNS socket中的setsockopt()函数设置数据包的IEEE802.1p优先级标签,其中,转发端口抢占包设定优先级“6”,NTP数据包设定优先级“7”,其他数据包均不含优先级标签(即最低优先级)。

3.3 试验步骤、数据处理与结果分析

NTP与SN-NTP采用相同的试验步骤和数据处理方法:

a.由客户端发起一次网络同步,并根据式(7)计算同步误差,同时记录本地端口负荷;

b.重复测试10 000次,频率为1 Hz;

c.将端口负荷率分为0~0.1%、0.1%~0.5%、0.5%~1.0%、1.0%~5.0%、5.0%~10.0%共5个区间,分别以0、1、2、3、4表示,把10 000组同步误差数据按照此区间分为5组,并分别找出各组中同步误差的最大值作为该组的同步精度。

NTP协议的同步精度如图8所示,SN-NTP协议的同步精度如图9所示。

分析如下:

a.由图8可见,NTP同步精度随网络繁忙程度的增大而呈现恶化趋势,但其精度仍在200μs以内,主要原因是由于使用了IEEE802.1p机制;

b.由图9可见,SN-NTP同步精度为8μs左右,随网络繁忙程度变化仅在5%以内浮动,离散性较好;

c.SN-NTP协议同步精度约为NTP协议的15~24倍,与理论值(17倍)基本吻合,实测值与理论值的差异主要来自测量误差、测试时间的充分性、测试代码执行开销以及模型误差等因素。

4 结语