高精度時間對準系統研究

張 坡，張 方

（中國電子科技集團公司27所，鄭州 450047）

0 引 言

在很多復雜系統中，為了保證各分系統（設備）信息的實時性和準確性，需要有一個時間對準系統來實現系統的時間同步。不論是采用原子鐘還是基于全球定位系統（GPS）同步設備，批量裝備代價較高，并且不易維護。

為降低設備成本，簡化設備的操作和維護，同時又能滿足系統的時間同步要求，本文提出了一種基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）時間同步技術，并通過使用高精度、高穩定度的恒溫晶振來實現系統內的時間同步。

1 目前存在的時間對準系統

目前存在多種時間對準系統，每種又具備不同的特點，而不同的時間對準系統的時間同步精度有較大差異。

1.1 互聯網時間對準系統［1］

現在解決分系統（設備）間的時間同步問題最直接、最簡單的方法就是通過互聯網進行時間比對，它僅僅需要為分系統（設備）提供標準的授時軟件，并且提供與時間服務器的接口，分系統（設備）就能通過授時軟件訪問時間服務器，從而保證時間同步，精度通常可以達到ms級?；ヂ摼W時間對準系統采用NTP協議，使得分系統（設備）在任何地點既能連接上Internet與世界標準時間服務器進行時間同步校準，也可以連接到局域網上的時間服務器進行時間同步校準。它不需要分系統（設備）針對時間同步問題專門配備時間接收、測試模塊，減少軟硬件成本。

互聯網時間對準系統不受地域限制，非常容易實現，但由于網絡數據傳輸的不確定性及不穩定性，其同步精度不高，限制了其在時間同步精度要求較高場合的應用。

1.2 無線電波授時系統

無線電波授時系統采用無線電波傳遞時間信息和時間標準，然后由無線電波接收器對接收到的時間信息同本地時鐘進行比較，同時自動扣除在傳播路徑上的延時以及其他各種因素造成的誤差，從而實現不同分系統（設備）間時間的同步。無線電波授時同步技術的授時精度較高（長波為ms級，短波為μs級，超短波可達10 ns級），它需要分系統（設備）具有無線電波接收模塊。

無線電波授時同步技術至今已經有至少80年的歷史，其應用范圍廣，相對來說無論發送還是接收設備實現簡單、價格低廉。此技術最大的優點是可以實時地校準本地時鐘，但其應用受到了發射臺的地域限制。

1.3 GPS授時系統［2］

GPS是美國海軍天文臺建立的一套高精度導航衛星全球定位系統，它由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星（總共24顆衛星）組成。它們按一定的規則分布地球的軌道上，人們在任何地點、任何時刻都能看到4顆以上的衛星，從而滿足了隨時隨地進行定位、測量的需求。

GPS是一種單程系統，它只向用戶發送信息而不接收，因此用戶非常隱蔽并且其數量不受限制，授時精度可達300 ns。但GPS授時系統有一個嚴重的缺陷，其現在受美國軍方控制，無法保障用戶應用數據的穩定和安全。

1.4 IRIG－B碼［3］

IRIG－B碼（以下簡稱B碼）是美國靶場測量組推薦的格式時間碼之一，該碼在世界各國靶場應用廣泛。B碼又分直流碼IRIG－B（DC）（以下簡稱DC碼）和交流碼IRIG－B（AC）（以下簡稱AC碼）。DC碼傳輸距離短，但授時同步誤差??；AC碼傳輸遠，但授時同步誤差相對較大，其同步精度目前能夠達到μs級。

2 高精度時間對準系統的實現

CPLD是一種較可編程邏輯器件（PLD）更為復雜的邏輯元件，是當今應用非常廣泛的可編程專用集成電路（ASIC）。CPLD具有靜態可重復編程和動態系統重構的特性，可以像軟件一樣通過編程來修改數字電路，極大地提高了系統設計的靈活性和通用性，延時可預測，穩定性好，設計靈活，抗干擾性強，克服了硬件分立器件的不足。

本系統使用Altera公司的MAXII系列芯片EPM1270TI144I5，采用了全新的CPLD體系結構，其速度快，功耗小，容量大，同時又保持了原有的易用性、非易失性和即用性。在主時統模塊中CPLD主要實現邏輯控制、計時器、產生秒脈沖等功能，在從時統模塊中CPLD主要實現邏輯控制、計時、接收秒脈沖清零、測量延時誤差等功能。

3 高精度時間對準系統

高精度時間對準系統原理示意圖如圖1所示。

圖1 高精度時間對準系統示意圖

圖1采用主從時統結構，主從時統模塊采用相同的高精度頻率源和時統電路，該時統系統采用清零對時法和自適應測距校正法來完成分布式多站時間同步。主時統模塊和從時統模塊中由于采用相同的高精度頻率源和時統電路，所以它們的頻率偏差和時間漂移帶來的累積誤差是相同的。時統模塊中的計時模塊主要分為可精確到秒級的時鐘A和精確到納秒級的時鐘B，時間同步主要是指時鐘B的同步。

時間同步的誤差主要有2個來源：第1種是頻率源的頻偏和長時間工作造成的累積偏差；第2種是延時誤差，當同步通信線路造成的延時誤差與同步精度相同或相近時，就需要對其進行校正。

對于第1種誤差可通過周期校正來降低誤差。主要采用2種手段：

（1）由主時統模塊發送秒脈沖信號，對從時統模塊秒以下時統清零；

（2）主時統模塊產生秒脈沖信號的同時，產生中斷讀取秒以上時間，發送給從時統模塊，從時統模塊收到后更新秒以上時統信息。

對于第2種誤差可以通過在從時統模塊設定測距單元來測量校正。延時誤差組成框圖如圖2所示。

延時誤差主要有內部傳輸電路延時（同步信號發出經處理電路到達發射端的延時τ1，同步信號由接收端經處理電路到達同步電路的延時τ3）、外部傳輸延時（同步信號在介質中傳輸延時τ2）。電路延時主要與電路復雜程度和器件反應速度有關，一般為10 ns～0.1μs量級。介質傳輸按光速計算，300 m電纜傳輸延時即達到1μs，總延時誤差τ采用最大估算為τ＝τ1＋τ2＋τ3。一旦系統硬件設計和傳輸介質固定，則τ值固定。時統模塊中設有測距單元，可在設備復位或通過指令對各分站進行延時測量校正。

圖2 延時誤差組成框圖

測距單元的工作原理是：向各分站發送1個測距信號，此測距信號同時作為計時開關開始計時，當各分站接收電路收到測距信號后，利用硬件把測距信號直接轉發回去；測距單元收到轉發過來的信號后關閉計時開關，停止計時，計時器的計時信息即是主從時統模塊兩站之間的信號延時τ，所以在從時統模塊中的時刻應該是當前時刻加上τ。

高精度時間對準系統實現框圖如圖3所示。

圖3 高精度時間對準系統實現框圖

圖3中，在主機時統模塊和分機時統模塊中采用了同一種恒溫晶振，計時電路和控制電路全部在CPLD芯片中設計，這樣大大降低了硬件成本。設備開機后由主機向分機發送測試延時信號，測得延時時間τn并保存。在主機時統模塊中，每秒鐘產生清零信號，同時鎖存秒以上時刻T。主機時統模塊將清零信號和時刻T傳輸給分機時統模塊，分機在清零信號到達時對分機時統模塊中秒以下計時器清零，在收到秒以上時刻T后由分機更新分機時統模塊秒以上的時刻。主機向各分機下發讀取脈沖信號，同時鎖存主機時刻T z，由讀取信號分別鎖存分機時刻T f1和T f2，也可以采用GPS校時接口引入GPS信號，測試出Tz、T f1和T f2，最后比較T z、T f1＋τ1、T f2＋τ2的值，計算出誤差值即時間同步誤差。

從上述內容可以看出，在此時間對準系統中，時間對準分為秒以上時間數據（含秒級）的對準和秒以下時間數據的對準。秒以上時間數據對準由主時統模塊每秒向從時統模塊發送一次主機計數器的秒以上時間數據（含秒級）保證。秒以下時間數據對準由主時統模塊每秒鐘發送秒脈沖信號對從時統模塊秒以下時間計數器清零和保證恒溫晶振器件的性能。主時統模塊的時刻應該是其時統電路的時刻，而從時統模塊中的時刻應該是其時統電路的時刻加上外部傳輸的延時。此方法比較容易實現且成本比較低廉，只需要在主機和分機上采用相同的恒溫晶振和時統電路就可以實現較高的時間同步精度。

4 結束語

目前基于CPLD的時間對準系統已在多個大型的系統中得到應用，在相同的硬件成本條件下，成功提供了時間同步的精度。某大型系統在采用頻率20 MHz、頻率穩定度5×10－8晶振的條件下，實現了0.5μs的時間同步。應用結果表明：此方法采用了單向時間同步信息的發送機制，僅需要少量的時間信息交換就可以在相同的硬件成本下實現較高時間同步精度。

由于時間數據信息量小、時間同步精度高的特性，所以該系統對時間同步精度要求比較高而硬件成本較低的大型分布式系統有著廣泛的應用價值。預期此時間對準系統統可以達到更高的時間同步精度。能夠進一步提高時間同步精度的方法主要有：

（1）提高時鐘頻率源的頻率，可有效降低時間同步誤差；

（2）提高時鐘頻率源的頻率穩定度，減少時鐘晶體累積誤差。

［1］張九賓，張丕狀，杜坤坤.基于GPS的無線傳感器網絡時間同步技術［J］.傳感器與微系統，2009，28（6）：31－33.

［2］吳寧，潘小龍，虞皆俠.高精度GPS同步時鐘的研究與實現［J］.電力系統自動化，2008，32（10）：16－18.

［3］GJB2991－97，B時間碼接口終端［S］.