京準(zhǔn)電鐘:基于GPS與北斗高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間同步方法
京準(zhǔn)電鐘:基于GPS與北斗高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間同步方法
使不同設(shè)備或系統(tǒng)的時(shí)問軸在同一時(shí)刻讀數(shù)相一致的過程,被稱為時(shí)間同步.時(shí)間同步廣泛應(yīng)用于航天測(cè)控、衛(wèi)星遙感、軍事靶場(chǎng)、視覺測(cè)量、電力運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域,具有重要意義 .
目前時(shí)間同步的主要方法有全球定位系統(tǒng)(GPS+BDS)授時(shí)技術(shù)、同步以太網(wǎng)技術(shù)、精密時(shí)間協(xié)議(precision time protocol,PrrP)等,能夠達(dá)到亞微秒級(jí)別的同步精度;一般高精度的時(shí)間同步方式都要求相應(yīng)的高成本硬件支持。
.計(jì)算機(jī)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間刷新率為64 Hz,因此其時(shí)間的分辨率僅有15.625 ms.任曉乾等提出了基于PCI總線的Windows校時(shí)、定時(shí)方法和方案設(shè)計(jì),利用時(shí)間源輸入模塊、CPLD功能模塊、PCI數(shù)據(jù)模塊的組合,能夠達(dá)到毫秒量級(jí)的精度.宋崇汶等利用GPS對(duì)計(jì)算機(jī)的授時(shí),直接通過串口使GPS和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、信號(hào)通信,授時(shí)精度優(yōu)于1 ms.本文提出一種設(shè)備簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)時(shí)間同步方法:
以GPS+BDS接收機(jī)的整秒脈沖信號(hào)和時(shí)間信息為高精度時(shí)間源,利用微控制器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間模塊保持高精度時(shí)間,計(jì)算機(jī)通過串口從時(shí)間模塊獲取高精度時(shí)間,并通過算法補(bǔ)償信號(hào)傳遞延時(shí),達(dá)到高精度的時(shí)間同步.
1 實(shí)現(xiàn)原理及方法
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPS+BDS工作的時(shí)間基準(zhǔn)是衛(wèi)星時(shí)間,衛(wèi)星時(shí)間的整秒時(shí)刻與世界時(shí)間基準(zhǔn)一世界協(xié)調(diào)時(shí)間(coordinateduniversal time,UTC)的差異僅為納秒級(jí)別 J.接收機(jī)在衛(wèi)星條件足夠的條件下,即能夠搜索到至少4顆衛(wèi)星時(shí),與時(shí)間同步精度為納秒級(jí)別 .鑒于接收機(jī)時(shí)間的高精度,本文以接收機(jī)時(shí)間為時(shí)間基準(zhǔn).本文時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real—time clock,RTC)和微控制器單元(micro controller unit,MCU)構(gòu)成的時(shí)間模塊,從接收機(jī)獲取秒脈沖(pulse per second,PPS)信號(hào),通過UART串口協(xié)議接收時(shí)間信息,完成與時(shí)間的同步.計(jì)算機(jī)通過RS232串口從時(shí)間模塊獲得時(shí)間并補(bǔ)償,完成計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步.秒脈沖信號(hào)是一個(gè)脈寬為1 ms的負(fù)脈沖,在脈沖的前沿時(shí)刻,即其時(shí)間的整秒時(shí)刻,接收機(jī)通過串口向外發(fā)送這一時(shí)刻的整秒信息.
1.2 時(shí)間模塊的構(gòu)成
時(shí)間模塊主要由高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘和高速M(fèi)CU構(gòu)成.實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用的DS3234是Maxim公司出品的超高精度溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,在0—40℃條件下,保持精度高達(dá)±2×10~,在1 h內(nèi)時(shí)間的漂移量為±7.2 ms;此外,實(shí)時(shí)時(shí)鐘的電池備份供電設(shè)計(jì),可以保證系統(tǒng)斷電情況下可以維持高精度的時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行;因此,實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有極高的守時(shí)精度 J.高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘的優(yōu)點(diǎn)在于,在惡劣的條件下(山區(qū)、城市高樓
之間等),衛(wèi)星接收機(jī)難以接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號(hào),此時(shí),時(shí)間模塊可以長(zhǎng)時(shí)間保持最后一次與時(shí)間同步的精度,完成對(duì)計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的授時(shí).RTC也能夠通過編程產(chǎn)生自身的整秒脈沖,并依據(jù)衛(wèi)星秒脈沖校準(zhǔn),作為計(jì)算機(jī)時(shí)間同步的時(shí)間源.RTC的秒脈沖前沿作為時(shí)間模塊時(shí)間的整秒時(shí)刻,對(duì)于兩個(gè)秒脈沖前沿之間的1整秒,采用MCU定時(shí)器精確延時(shí),進(jìn)行細(xì)分.細(xì)分的分辨率可以達(dá)到10 s.
MCU的作用還包括完成RTC與計(jì)算機(jī)之間的通信和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理.
1.3 串口通信延時(shí)的測(cè)量
MCU單元通過串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送時(shí)間信息,此過程會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲,這將嚴(yán)重影響時(shí)間同步的精度.本文提出一種模擬精密時(shí)間協(xié)議時(shí)間同步的方法來測(cè)量時(shí)間延遲,并補(bǔ)償.根據(jù)精密時(shí)間協(xié)議,要測(cè)量路徑中傳遞的時(shí)間延時(shí),必須滿足3個(gè)前提條件:時(shí)間差的恒定性、傳遞時(shí)間的對(duì)稱性以及時(shí)間戳的準(zhǔn)確性¨ “ .本文中,時(shí)間模塊和計(jì)算機(jī),在同步過程的毫秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間內(nèi),時(shí)間軸的差異變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 s,滿足時(shí)間差恒定的條件.串口通信,同步雙方發(fā)送和接收都使用相同的波特率,傳遞相同數(shù)據(jù)量的信息,所消耗的傳遞時(shí)間也是相等的,滿足傳遞時(shí)間的對(duì)稱性.在時(shí)間模塊端,時(shí)間戳由高速M(fèi)CU中斷和定時(shí)器實(shí)現(xiàn),準(zhǔn)確度小于10個(gè)時(shí)鐘周期,小于1 s;在計(jì)算機(jī)端,通過
性能計(jì)數(shù)器和頻率函數(shù)QueryPerformanceCounter()和QueryPerformanceFrequency(),可以標(biāo)記和設(shè)定精度優(yōu)于1 s的時(shí)間點(diǎn)和時(shí)間延時(shí)_l ;因此,時(shí)間基準(zhǔn)端和計(jì)算機(jī)端的時(shí)間戳精度都優(yōu)于1 Ixs,在誤差范圍內(nèi),滿足時(shí)間戳的準(zhǔn)確性.因此本文中模擬精密時(shí)間協(xié)議時(shí)間同步方法的過程,滿足上述3個(gè)前提條件,可以測(cè)量串口通信路徑中的時(shí)間延時(shí).
審核編輯 黃宇
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