時鐘同步系統(tǒng)同步方式和補償原理

文/鄭全順

時鐘同步系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機場、鐵路、軌道交通、核電站、醫(yī)院、學(xué)校、體育場館等領(lǐng)域，系統(tǒng)采用母鐘、NTP 時間服務(wù)器、子鐘等架構(gòu)，使用串行接口、以太網(wǎng)等通訊接口，在時鐘信號逐級傳遞的過程中，可通過PPS 推后補償、高精度串行時間同步、智能輸出判斷、時間閉環(huán)反饋等技術(shù)，解決時鐘系統(tǒng)同步的精確性與穩(wěn)定性難題。

1 母鐘的同步方式和補償原理

時鐘同步系統(tǒng)一般采用本地衛(wèi)星時間源，利用GPS/北斗衛(wèi)星的時間同步信息來校準(zhǔn)本地區(qū)域性時鐘系統(tǒng)。

利用衛(wèi)星的秒脈沖（PPS）信號把母鐘的豪秒單元中的時間數(shù)據(jù)進行清零，達到母鐘與衛(wèi)星信號輸出時間同步，其具體同步過程為：衛(wèi)星的PPS 信號上升沿觸發(fā)母鐘的微控制單元（MCU）中的時間計時中斷程序，使MCU進入該中斷程序，此程序記錄整個中斷過程的時間⊿t，然后把母鐘豪秒單元中的時間數(shù)據(jù)進行清零處理。母鐘在下一輪次輸出標(biāo)準(zhǔn)時間信號時，在衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時間信號的基礎(chǔ)上加上中斷延時時間⊿t，以補償中斷延時，確保母鐘與衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時間信號輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間保持一致，達到母鐘與衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時間信號同步的目的。

2 網(wǎng)絡(luò)時間的同步方式和補償原理

利用母鐘的PPS 信號把NTP 時間服務(wù)器（NTP）的豪秒單元中的時間數(shù)據(jù)進行清零，達到母鐘與NTP 輸出時間同步，其具體同步過程為：母鐘的PPS 信號上升沿觸發(fā)NTP 的MCU 中的時間計時中斷程序，使MCU 進入該中斷程序，此程序記錄整個中斷過程的時間⊿t，然后把NTP 豪秒單元中的時間數(shù)據(jù)進行清零處理。NTP 在下一輪次輸出標(biāo)準(zhǔn)時間信號時，在母鐘給定的標(biāo)準(zhǔn)時間的基礎(chǔ)上加上中斷延時時間⊿t，以補償中斷延時，確保NTP與母鐘標(biāo)準(zhǔn)時間輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間保持一致，達到NTP 與母鐘時間同步的目的。網(wǎng)絡(luò)時間傳輸模型如圖1所示。

NTP 與母鐘時間同步以后，經(jīng)過MCU 把標(biāo)準(zhǔn)時間信號轉(zhuǎn)換成符合NTP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時間信號，用于局域網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)子鐘的校時，在客戶方發(fā)送時間查詢請求時，發(fā)送時間信號時仍需考慮網(wǎng)絡(luò)延時的問題，并在授時時對網(wǎng)絡(luò)延遲進行相應(yīng)的補償。

客戶方與服務(wù)器方網(wǎng)絡(luò)延時與時鐘偏差的測量及補償原理說明如下：

T1：A 發(fā)送查詢請求時間(參照為A 時間系統(tǒng))

T2：B 收到查詢請求時間(參照為B 時間系統(tǒng))

T3：B 回復(fù)時間信息包時間(參照為B 時間系統(tǒng))

T4：A 收到時間信息包時間(參照為A 時間系統(tǒng))

δ1：A 請求信息在網(wǎng)絡(luò)傳播上所消耗的時間

δ2：B 回復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)傳播上所消耗的時間

（1）已知T1、T2、T3、T4時刻，希望求得θ 以調(diào)整A 時鐘有：

（2）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相同情況下，請求和回復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)傳播上的時間相同，即δ1=δ2，則可解得：據(jù)此，θ、δ 只與T2-T1、T4-T3差值相關(guān)，與T2T3差值無關(guān)，即與服務(wù)器處理請求所需的時間無關(guān)?？赏ㄟ^計算出時差θ 去調(diào)整本地時鐘。

3 毫秒級串行信號的同步方式和補償原理

母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)串行RS422/485 接口，從每秒的零毫秒時刻開始以9600 波特率連續(xù)發(fā)送21 個含有年、月、日、星期、時、分、秒、毫秒的時間字符，并且包含起始位、結(jié)束位、校驗位、衛(wèi)星校時等字符信息。標(biāo)準(zhǔn)時間的接收設(shè)備可在接收到結(jié)束符后可直接用接收到的時間信息來替換自身設(shè)備的豪秒計時；然后再依次校準(zhǔn)分、時、日、月、年、星期等計時單元。如圖2所示。

說明：

橫軸T 代表時間，單位t 為發(fā)送或接收1個字節(jié)的時間，在波特率為9600 位/秒的情況下（每個字節(jié)占用8 位），1t 約等于1ms；

縱軸A 代表事件，A1 代表發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)，A0 代表接收方接收的數(shù)據(jù)；

1、2…20 、21 分別代表發(fā)送和接收的第1、2…20 和第21 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖1：網(wǎng)絡(luò)時間傳輸模型

圖2：時間信號的時隙圖

串行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送和接收時序均由硬件自動實現(xiàn)，移位傳輸時發(fā)送和接收同時進行，因此，在實際傳輸中，發(fā)送方發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)的同時接收方也完成了接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)，即發(fā)送方完成21 個毫秒級標(biāo)準(zhǔn)時間的同時，接收方亦完成接受21 個毫秒級標(biāo)準(zhǔn)時間；既發(fā)送方發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間所花費的時間21t 也就是接受方接受標(biāo)準(zhǔn)時間所需要的時間21t。

4 時間系統(tǒng)誤差補償原理

時間數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差T，主要由串行通訊延遲時間T1和傳輸延遲時間T2組成。21 個字符的串行通訊時間T1，可根據(jù)波特率和傳輸方式計算得：T1=（（（8+1+1+1）*21）/9600）*1000=24ms 。

傳輸通道延遲時間T2主要與傳輸延遲特性有關(guān)，并且存在不同時段的不確定性。需要每次發(fā)送時間信號前，母鐘先給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)進行測定傳輸延遲，得到T2。

在發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間信號時總的延時時間為：T=T1+T2=24ms+T2。

母鐘發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時間信號數(shù)據(jù)中包含延時時間T，其他系統(tǒng)設(shè)備接收的標(biāo)準(zhǔn)時間信號為實時的時間信息，其他系統(tǒng)設(shè)備在接收到結(jié)束符后，直接利用接收到的補償后標(biāo)準(zhǔn)時間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)自身的時間，然后再校準(zhǔn)各顯示單元，即可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時間的同步功能。