高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)研究

張 坡，張 方

（中國電子科技集團(tuán)公司27所，鄭州 450047）

0 引 言

在很多復(fù)雜系統(tǒng)中，為了保證各分系統(tǒng)（設(shè)備）信息的實時性和準(zhǔn)確性，需要有一個時間對準(zhǔn)系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步。不論是采用原子鐘還是基于全球定位系統(tǒng)（GPS）同步設(shè)備，批量裝備代價較高，并且不易維護(hù)。

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

1 目前存在的時間對準(zhǔn)系統(tǒng)

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

1.1 互聯(lián)網(wǎng)時間對準(zhǔn)系統(tǒng)［1］

現(xiàn)在解決分系統(tǒng)（設(shè)備）間的時間同步問題最直接、最簡單的方法就是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行時間比對，它僅僅需要為分系統(tǒng)（設(shè)備）提供標(biāo)準(zhǔn)的授時軟件，并且提供與時間服務(wù)器的接口，分系統(tǒng)（設(shè)備）就能通過授時軟件訪問時間服務(wù)器，從而保證時間同步，精度通常可以達(dá)到ms級。互聯(lián)網(wǎng)時間對準(zhǔn)系統(tǒng)采用NTP協(xié)議，使得分系統(tǒng)（設(shè)備）在任何地點既能連接上Internet與世界標(biāo)準(zhǔn)時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步校準(zhǔn)，也可以連接到局域網(wǎng)上的時間服務(wù)器進(jìn)行時間同步校準(zhǔn)。它不需要分系統(tǒng)（設(shè)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(lián)網(wǎng)時間對準(zhǔn)系統(tǒng)不受地域限制，非常容易實現(xiàn)，但由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性及不穩(wěn)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(yīng)用。

1.2 無線電波授時系統(tǒng)

無線電波授時系統(tǒng)采用無線電波傳遞時間信息和時間標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(xiàn)不同分系統(tǒng)（設(shè)備）間時間的同步。無線電波授時同步技術(shù)的授時精度較高（長波為ms級，短波為μs級，超短波可達(dá)10 ns級），它需要分系統(tǒng)（設(shè)備）具有無線電波接收模塊。

無線電波授時同步技術(shù)至今已經(jīng)有至少80年的歷史，其應(yīng)用范圍廣，相對來說無論發(fā)送還是接收設(shè)備實現(xiàn)簡單、價格低廉。此技術(shù)最大的優(yōu)點是可以實時地校準(zhǔn)本地時鐘，但其應(yīng)用受到了發(fā)射臺的地域限制。

1.3 GPS授時系統(tǒng)［2］

GPS是美國海軍天文臺建立的一套高精度導(dǎo)航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，它由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星（總共24顆衛(wèi)星）組成。它們按一定的規(guī)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(wèi)星，從而滿足了隨時隨地進(jìn)行定位、測量的需求。

GPS是一種單程系統(tǒng)，它只向用戶發(fā)送信息而不接收，因此用戶非常隱蔽并且其數(shù)量不受限制，授時精度可達(dá)300 ns。但GPS授時系統(tǒng)有一個嚴(yán)重的缺陷，其現(xiàn)在受美國軍方控制，無法保障用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)的穩(wěn)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(yīng)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，但授時同步誤差小；AC碼傳輸遠(yuǎn)，但授時同步誤差相對較大，其同步精度目前能夠達(dá)到μs級。

2 高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

CPLD是一種較可編程邏輯器件（PLD）更為復(fù)雜的邏輯元件，是當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的可編程專用集成電路（ASIC）。CPLD具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，可以像軟件一樣通過編程來修改數(shù)字電路，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性，延時可預(yù)測，穩(wěn)定性好，設(shè)計靈活，抗干擾性強(qiáng)，克服了硬件分立器件的不足。

本系統(tǒng)使用Altera公司的MAXII系列芯片EPM1270TI144I5，采用了全新的CPLD體系結(jié)構(gòu)，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(tǒng)模塊中CPLD主要實現(xiàn)邏輯控制、計時器、產(chǎn)生秒脈沖等功能，在從時統(tǒng)模塊中CPLD主要實現(xiàn)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(zhǔn)系統(tǒng)

高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

圖1采用主從時統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主從時統(tǒng)模塊采用相同的高精度頻率源和時統(tǒng)電路，該時統(tǒng)系統(tǒng)采用清零對時法和自適應(yīng)測距校正法來完成分布式多站時間同步。主時統(tǒng)模塊和從時統(tǒng)模塊中由于采用相同的高精度頻率源和時統(tǒng)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(tǒng)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(dāng)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(jìn)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(tǒng)模塊發(fā)送秒脈沖信號，對從時統(tǒng)模塊秒以下時統(tǒng)清零；

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

對于第2種誤差可以通過在從時統(tǒng)模塊設(shè)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(nèi)部傳輸電路延時（同步信號發(fā)出經(jīng)處理電路到達(dá)發(fā)射端的延時τ1，同步信號由接收端經(jīng)處理電路到達(dá)同步電路的延時τ3）、外部傳輸延時（同步信號在介質(zhì)中傳輸延時τ2）。電路延時主要與電路復(fù)雜程度和器件反應(yīng)速度有關(guān)，一般為10 ns～0.1μs量級。介質(zhì)傳輸按光速計算，300 m電纜傳輸延時即達(dá)到1μs，總延時誤差τ采用最大估算為τ＝τ1＋τ2＋τ3。一旦系統(tǒng)硬件設(shè)計和傳輸介質(zhì)固定，則τ值固定。時統(tǒng)模塊中設(shè)有測距單元，可在設(shè)備復(fù)位或通過指令對各分站進(jìn)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(fā)送1個測距信號，此測距信號同時作為計時開關(guān)開始計時，當(dāng)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(zhuǎn)發(fā)回去；測距單元收到轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號后關(guān)閉計時開關(guān)，停止計時，計時器的計時信息即是主從時統(tǒng)模塊兩站之間的信號延時τ，所以在從時統(tǒng)模塊中的時刻應(yīng)該是當(dāng)前時刻加上τ。

高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 高精度時間對準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

圖3中，在主機(jī)時統(tǒng)模塊和分機(jī)時統(tǒng)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(shè)計，這樣大大降低了硬件成本。設(shè)備開機(jī)后由主機(jī)向分機(jī)發(fā)送測試延時信號，測得延時時間τn并保存。在主機(jī)時統(tǒng)模塊中，每秒鐘產(chǎn)生清零信號，同時鎖存秒以上時刻T。主機(jī)時統(tǒng)模塊將清零信號和時刻T傳輸給分機(jī)時統(tǒng)模塊，分機(jī)在清零信號到達(dá)時對分機(jī)時統(tǒng)模塊中秒以下計時器清零，在收到秒以上時刻T后由分機(jī)更新分機(jī)時統(tǒng)模塊秒以上的時刻。主機(jī)向各分機(jī)下發(fā)讀取脈沖信號，同時鎖存主機(jī)時刻T z，由讀取信號分別鎖存分機(jī)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(nèi)容可以看出，在此時間對準(zhǔn)系統(tǒng)中，時間對準(zhǔn)分為秒以上時間數(shù)據(jù)（含秒級）的對準(zhǔn)和秒以下時間數(shù)據(jù)的對準(zhǔn)。秒以上時間數(shù)據(jù)對準(zhǔn)由主時統(tǒng)模塊每秒向從時統(tǒng)模塊發(fā)送一次主機(jī)計數(shù)器的秒以上時間數(shù)據(jù)（含秒級）保證。秒以下時間數(shù)據(jù)對準(zhǔn)由主時統(tǒng)模塊每秒鐘發(fā)送秒脈沖信號對從時統(tǒng)模塊秒以下時間計數(shù)器清零和保證恒溫晶振器件的性能。主時統(tǒng)模塊的時刻應(yīng)該是其時統(tǒng)電路的時刻，而從時統(tǒng)模塊中的時刻應(yīng)該是其時統(tǒng)電路的時刻加上外部傳輸?shù)难訒r。此方法比較容易實現(xiàn)且成本比較低廉，只需要在主機(jī)和分機(jī)上采用相同的恒溫晶振和時統(tǒng)電路就可以實現(xiàn)較高的時間同步精度。

4 結(jié)束語

目前基于CPLD的時間對準(zhǔn)系統(tǒng)已在多個大型的系統(tǒng)中得到應(yīng)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(tǒng)在采用頻率20 MHz、頻率穩(wěn)定度5×10－8晶振的條件下，實現(xiàn)了0.5μs的時間同步。應(yīng)用結(jié)果表明：此方法采用了單向時間同步信息的發(fā)送機(jī)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(xiàn)較高時間同步精度。

由于時間數(shù)據(jù)信息量小、時間同步精度高的特性，所以該系統(tǒng)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(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用價值。預(yù)期此時間對準(zhǔn)系統(tǒng)統(tǒng)可以達(dá)到更高的時間同步精度。能夠進(jìn)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(wěn)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(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，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(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（10）：16－18.

［3］GJB2991－97，B時間碼接口終端［S］.