京準(zhǔn)電鐘：基于GPS與北斗高精度實時時鐘的時間同步方法

京準(zhǔn)電鐘：基于GPS與北斗高精度實時時鐘的時間同步方法

使不同設(shè)備或系統(tǒng)的時問軸在同一時刻讀數(shù)相一致的過程，被稱為時間同步．時間同步廣泛應(yīng)用于航天測控、衛(wèi)星遙感、軍事靶場、視覺測量、電力運輸?shù)阮I(lǐng)域，具有重要意義 ．

目前時間同步的主要方法有全球定位系統(tǒng)(GPS+BDS)授時技術(shù)、同步以太網(wǎng)技術(shù)、精密時間協(xié)議(precision time protocol，PrrP)等，能夠達(dá)到亞微秒級別的同步精度；一般高精度的時間同步方式都要求相應(yīng)的高成本硬件支持。

．計算機時間系統(tǒng)時間刷新率為64 Hz，因此其時間的分辨率僅有15．625 ms．任曉乾等提出了基于PCI總線的Windows校時、定時方法和方案設(shè)計，利用時間源輸入模塊、CPLD功能模塊、PCI數(shù)據(jù)模塊的組合，能夠達(dá)到毫秒量級的精度．宋崇汶等利用GPS對計算機的授時，直接通過串口使GPS和計算機數(shù)據(jù)、信號通信，授時精度優(yōu)于1 ms．本文提出一種設(shè)備簡單的計算機時間同步方法：

以GPS+BDS接收機的整秒脈沖信號和時間信息為高精度時間源，利用微控制器和實時時鐘的時間模塊保持高精度時間，計算機通過串口從時間模塊獲取高精度時間，并通過算法補償信號傳遞延時，達(dá)到高精度的時間同步．

1 實現(xiàn)原理及方法
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPS+BDS工作的時間基準(zhǔn)是衛(wèi)星時間，衛(wèi)星時間的整秒時刻與世界時間基準(zhǔn)一世界協(xié)調(diào)時間(coordinateduniversal time，UTC)的差異僅為納秒級別 J．接收機在衛(wèi)星條件足夠的條件下，即能夠搜索到至少4顆衛(wèi)星時，與時間同步精度為納秒級別 ．鑒于接收機時間的高精度，本文以接收機時間為時間基準(zhǔn)．本文時間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，高精度實時時鐘(real—time clock，RTC)和微控制器單元(micro controller unit，MCU)構(gòu)成的時間模塊，從接收機獲取秒脈沖(pulse per second，PPS)信號，通過UART串口協(xié)議接收時間信息，完成與時間的同步．計算機通過RS232串口從時間模塊獲得時間并補償，完成計算機的時間同步．秒脈沖信號是一個脈寬為1 ms的負(fù)脈沖，在脈沖的前沿時刻，即其時間的整秒時刻，接收機通過串口向外發(fā)送這一時刻的整秒信息．

1．2 時間模塊的構(gòu)成
時間模塊主要由高精度實時時鐘和高速MCU構(gòu)成．實時時鐘選用的DS3234是Maxim公司出品的超高精度溫度補償實時時鐘芯片，在0—40℃條件下，保持精度高達(dá)±2×10～，在1 h內(nèi)時間的漂移量為±7．2 ms；此外，實時時鐘的電池備份供電設(shè)計，可以保證系統(tǒng)斷電情況下可以維持高精度的時鐘繼續(xù)運行；因此，實時時鐘具有極高的守時精度 J．高精度實時時鐘的優(yōu)點在于，在惡劣的條件下(山區(qū)、城市高樓
之間等)，衛(wèi)星接收機難以接收到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號，此時，時間模塊可以長時間保持最后一次與時間同步的精度，完成對計算機或其他設(shè)備的授時．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)，作為計算機時間同步的時間源．RTC的秒脈沖前沿作為時間模塊時間的整秒時刻，對于兩個秒脈沖前沿之間的1整秒，采用MCU定時器精確延時，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與計算機之間的通信和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理．

1．3 串口通信延時的測量
MCU單元通過串口向計算機發(fā)送時間信息，此過程會產(chǎn)生一定的時間延遲，這將嚴(yán)重影響時間同步的精度．本文提出一種模擬精密時間協(xié)議時間同步的方法來測量時間延遲，并補償．根據(jù)精密時間協(xié)議，要測量路徑中傳遞的時間延時，必須滿足3個前提條件：時間差的恒定性、傳遞時間的對稱性以及時間戳的準(zhǔn)確性¨ “ ．本文中，時間模塊和計算機，在同步過程的毫秒數(shù)量級的時間內(nèi)，時間軸的差異變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 s，滿足時間差恒定的條件．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，所消耗的傳遞時間也是相等的，滿足傳遞時間的對稱性．在時間模塊端，時間戳由高速MCU中斷和定時器實現(xiàn)，準(zhǔn)確度小于10個時鐘周期，小于1 s；在計算機端，通過
性能計數(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的時間點和時間延時_l ；因此，時間基準(zhǔn)端和計算機端的時間戳精度都優(yōu)于1 Ixs，在誤差范圍內(nèi)，滿足時間戳的準(zhǔn)確性．因此本文中模擬精密時間協(xié)議時間同步方法的過程，滿足上述3個前提條件，可以測量串口通信路徑中的時間延時．

審核編輯 黃宇