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