[发明专利]具有亚微秒级时钟的交换机及其交换处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业控制技术领域的交换装置及其方法，具体是一种具有 亚微秒级时钟的交换机及其交换处理方法。

背景技术

IEC61850标准是数字化变电站自动化系统的国际标准，为数字化变电站的 信息交互、传输提出了详细的技术要求。数字化变电站自动化系统是依托以太 网实现智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)的信息传输，目 前基于网络通信方式的变电站自动化系统所采用的交换机主要实现数据交换功 能，不能实现所接入的IED设备的信息汇聚、时钟同步。能够实现IEC61850-9-2 标准的数据交换同时又具备时钟同步和数据汇聚输出的交换机尚未见商业化产 品和实际应用。然而现有技术中，变电站IED设备的时钟同步均是采用外同步 方式，由外接时钟服务器通过NTP协议或IRIG-B实现网络时钟同步，这种同步 模式的工程实施困难且不能达到数字化变电站所要求的时钟同步精度要求。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利申请号200710106948.5，公开 号CN101114896A的发明专利申请，记载了一种“精密同步时钟的实现方法”， 该方法采用硬件并联在以太网物理层，用FPGA检测精密同步时钟协议报文、维 护时钟，采用软件(CPU)计算、校正的方法来实现。内部设计了五个模块：时 钟管理模块，smii接口模块，报文解析模块，spi接口模块，系统状态指示模 块。来保证时间戳的正确获取、维护系统时钟；软件部分设计了七个模块： 数据报文收发模块、定时器模块、Sync处理模块、Follow-Up处理模块、Delay -Req处理模块、Delay-Resp处理模块、管理模块，来保证精密同步时钟协议 报文的发送、接收；系统时钟校正等。该技术虽然在点对点的连接时，时钟的 同步精度可以达到亚微秒级，但是由于不具备数据交换功能，在实际应用中， 需要接入交换机或HUB，根据IEEE1588的实现原理，要求传输介质对称，对称 性越好，时钟的精度越高，显然，在通过交换机和HUB后，传输的对称性下降， 会直接影响时钟精度。

另外一种现有工业控制交换机技术仅支持端口数据的镜像，该技术通过各 个交换端口可以镜像到一个端口输出，镜像端口输出的是某一个端口的数据， 不能将所有端口的数据汇聚到一个端口输出。在某些高可靠性要求的应用场合， 需要对网络中的所有数据作备份记录和综合分析。现在常用的方法是采用网络 探针，即：在每个交换机端口上通过TAP三通接口连接到探针设备，由探针设 备实现收敛和汇聚。这种方法的缺点是增加了网络的复杂性和工程实施的难度， 同时也增加了系统成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有亚微秒级时钟的交换 机及其交换处理方法，在实现以太网二层交换机的功能，即包括支持802.1Q、 802.1P标准的数据交换的同时，在每个交换机端口上实现符合IEEE1588国际标 准的亚微秒级时钟同步，并且能够作为系统主时钟向网络中所有支持PTP精确 时间协议的网元授时，将交换机所有端口上的数据汇聚到1个或2个千兆以太 网口输出。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及具有亚微秒级时钟的交换机，具体包括：物理层接口模块、数 据链路层处理模块、交换控制层处理模块、GPS卫星接收模块和时钟调整保持模 块，其中：数据链路层处理模块分别连接物理层接口模块和交换控制层处理模 块，GPS卫星接收模块、数据链路层处理模块和时钟调整保持模块依次相互连接。

GPS卫星接收模块作为本交换机的源参考时钟接收1PPS秒脉冲信号和国际 标准时(UTC)，并将该时间信息输出至数据链路层处理模块和时钟调整保持模 块。

时钟调整保持模块内部设有恒温高稳晶体振荡器，该时钟调整保持模块接 受GPS卫星接收模块发出的1PPS秒脉冲信号和UTC信号，通过恒温高稳晶体振 荡器进行时钟频率的保持并输出时间标签信息。

数据链路层处理模块接收来自接物理层接口模块的数据报文并根据类型分 别将普通数据包进行数据帧交换和汇聚，将PTP时间协议报文发送到交换控制 层处理模块。

所述的时间标签信息具体包括：1PPS秒脉冲信号、国际标准时(UTC)和与 1PPS秒脉冲信号同相的100MHz时钟。

物理层接口模块与其他智能电子设备(IED)连接，进行数据报文的交换传 输。