張 坡，張 方

（中國(guó)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，需要有一個(gè)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)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(jià)較高，并且不易維護(hù)。

為降低設(shè)備成本，簡(jiǎn)化設(shè)備的操作和維護(hù)，同時(shí)又能滿足系統(tǒng)的時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間同步。

1 目前存在的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

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

1.1 互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)［1］

現(xiàn)在解決分系統(tǒng)（設(shè)備）間的時(shí)間同步問題最直接、最簡(jiǎn)單的方法就是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)，它僅僅需要為分系統(tǒng)（設(shè)備）提供標(biāo)準(zhǔn)的授時(shí)軟件，并且提供與時(shí)間服務(wù)器的接口，分系統(tǒng)（設(shè)備）就能通過授時(shí)軟件訪問時(shí)間服務(wù)器，從而保證時(shí)間同步，精度通?？梢赃_(dá)到ms級(jí)?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)間對(duì)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(diǎn)既能連接上Internet與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)，也可以連接到局域網(wǎng)上的時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)。它不需要分系統(tǒng)（設(shè)備）針對(duì)時(shí)間同步問題專門配備時(shí)間接收、測(cè)試模塊，減少軟硬件成本。

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)不受地域限制，非常容易實(shí)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(shí)間同步精度要求較高場(chǎng)合的應(yīng)用。

1.2 無線電波授時(shí)系統(tǒng)

無線電波授時(shí)系統(tǒng)采用無線電波傳遞時(shí)間信息和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，然后由無線電波接收器對(duì)接收到的時(shí)間信息同本地時(shí)鐘進(jìn)行比較，同時(shí)自動(dòng)扣除在傳播路徑上的延時(shí)以及其他各種因素造成的誤差，從而實(shí)現(xiàn)不同分系統(tǒng)（設(shè)備）間時(shí)間的同步。無線電波授時(shí)同步技術(shù)的授時(shí)精度較高（長(zhǎng)波為ms級(jí)，短波為μs級(jí)，超短波可達(dá)10 ns級(jí)），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(shí)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(duì)來說無論發(fā)送還是接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。此技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)地校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，但其應(yīng)用受到了發(fā)射臺(tái)的地域限制。

1.3 GPS授時(shí)系統(tǒng)［2］

GPS是美國(guó)海軍天文臺(tái)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?cè)谌魏蔚攸c(diǎn)、任何時(shí)刻都能看到4顆以上的衛(wèi)星，從而滿足了隨時(shí)隨地進(jìn)行定位、測(cè)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(shí)精度可達(dá)300 ns。但GPS授時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，其現(xiàn)在受美國(guó)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(jiǎn)稱B碼）是美國(guó)靶場(chǎng)測(cè)量組推薦的格式時(shí)間碼之一，該碼在世界各國(guó)靶場(chǎng)應(yīng)用廣泛。B碼又分直流碼IRIG－B（DC）（以下簡(jiǎn)稱DC碼）和交流碼IRIG－B（AC）（以下簡(jiǎn)稱AC碼）。DC碼傳輸距離短，但授時(shí)同步誤差?。籄C碼傳輸遠(yuǎn)，但授時(shí)同步誤差相對(duì)較大，其同步精度目前能夠達(dá)到μs級(jí)。

2 高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)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(dòng)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(jì)的靈活性和通用性，延時(shí)可預(yù)測(cè)，穩(wěn)定性好，設(shè)計(jì)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(shí)又保持了原有的易用性、非易失性和即用性。在主時(shí)統(tǒng)模塊中CPLD主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、計(jì)時(shí)器、產(chǎn)生秒脈沖等功能，在從時(shí)統(tǒng)模塊中CPLD主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、計(jì)時(shí)、接收秒脈沖清零、測(cè)量延時(shí)誤差等功能。

3 高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

圖1 高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

圖1采用主從時(shí)統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主從時(shí)統(tǒng)模塊采用相同的高精度頻率源和時(shí)統(tǒng)電路，該時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)采用清零對(duì)時(shí)法和自適應(yīng)測(cè)距校正法來完成分布式多站時(shí)間同步。主時(shí)統(tǒng)模塊和從時(shí)統(tǒng)模塊中由于采用相同的高精度頻率源和時(shí)統(tǒng)電路，所以它們的頻率偏差和時(shí)間漂移帶來的累積誤差是相同的。時(shí)統(tǒng)模塊中的計(jì)時(shí)模塊主要分為可精確到秒級(jí)的時(shí)鐘A和精確到納秒級(jí)的時(shí)鐘B，時(shí)間同步主要是指時(shí)鐘B的同步。

時(shí)間同步的誤差主要有2個(gè)來源：第1種是頻率源的頻偏和長(zhǎng)時(shí)間工作造成的累積偏差；第2種是延時(shí)誤差，當(dāng)同步通信線路造成的延時(shí)誤差與同步精度相同或相近時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行校正。

對(duì)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(shí)統(tǒng)模塊發(fā)送秒脈沖信號(hào)，對(duì)從時(shí)統(tǒng)模塊秒以下時(shí)統(tǒng)清零；

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

對(duì)于第2種誤差可以通過在從時(shí)統(tǒng)模塊設(shè)定測(cè)距單元來測(cè)量校正。延時(shí)誤差組成框圖如圖2所示。

延時(shí)誤差主要有內(nèi)部傳輸電路延時(shí)（同步信號(hào)發(fā)出經(jīng)處理電路到達(dá)發(fā)射端的延時(shí)τ1，同步信號(hào)由接收端經(jīng)處理電路到達(dá)同步電路的延時(shí)τ3）、外部傳輸延時(shí)（同步信號(hào)在介質(zhì)中傳輸延時(shí)τ2）。電路延時(shí)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(jí)。介質(zhì)傳輸按光速計(jì)算，300 m電纜傳輸延時(shí)即達(dá)到1μs，總延時(shí)誤差τ采用最大估算為τ＝τ1＋τ2＋τ3。一旦系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和傳輸介質(zhì)固定，則τ值固定。時(shí)統(tǒng)模塊中設(shè)有測(cè)距單元，可在設(shè)備復(fù)位或通過指令對(duì)各分站進(jìn)行延時(shí)測(cè)量校正。

圖2 延時(shí)誤差組成框圖

測(cè)距單元的工作原理是：向各分站發(fā)送1個(gè)測(cè)距信號(hào)，此測(cè)距信號(hào)同時(shí)作為計(jì)時(shí)開關(guān)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)各分站接收電路收到測(cè)距信號(hào)后，利用硬件把測(cè)距信號(hào)直接轉(zhuǎn)發(fā)回去；測(cè)距單元收到轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號(hào)后關(guān)閉計(jì)時(shí)開關(guān)，停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)信息即是主從時(shí)統(tǒng)模塊兩站之間的信號(hào)延時(shí)τ，所以在從時(shí)統(tǒng)模塊中的時(shí)刻應(yīng)該是當(dāng)前時(shí)刻加上τ。

高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 高精度時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

圖3中，在主機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊和分機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊中采用了同一種恒溫晶振，計(jì)時(shí)電路和控制電路全部在CPLD芯片中設(shè)計(jì)，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(cè)試延時(shí)信號(hào)，測(cè)得延時(shí)時(shí)間τn并保存。在主機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊中，每秒鐘產(chǎn)生清零信號(hào)，同時(shí)鎖存秒以上時(shí)刻T。主機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊將清零信號(hào)和時(shí)刻T傳輸給分機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊，分機(jī)在清零信號(hào)到達(dá)時(shí)對(duì)分機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊中秒以下計(jì)時(shí)器清零，在收到秒以上時(shí)刻T后由分機(jī)更新分機(jī)時(shí)統(tǒng)模塊秒以上的時(shí)刻。主機(jī)向各分機(jī)下發(fā)讀取脈沖信號(hào)，同時(shí)鎖存主機(jī)時(shí)刻T z，由讀取信號(hào)分別鎖存分機(jī)時(shí)刻T f1和T f2，也可以采用GPS校時(shí)接口引入GPS信號(hào)，測(cè)試出Tz、T f1和T f2，最后比較T z、T f1＋τ1、T f2＋τ2的值，計(jì)算出誤差值即時(shí)間同步誤差。

從上述內(nèi)容可以看出，在此時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中，時(shí)間對(duì)準(zhǔn)分為秒以上時(shí)間數(shù)據(jù)（含秒級(jí)）的對(duì)準(zhǔn)和秒以下時(shí)間數(shù)據(jù)的對(duì)準(zhǔn)。秒以上時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)由主時(shí)統(tǒng)模塊每秒向從時(shí)統(tǒng)模塊發(fā)送一次主機(jī)計(jì)數(shù)器的秒以上時(shí)間數(shù)據(jù)（含秒級(jí)）保證。秒以下時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)由主時(shí)統(tǒng)模塊每秒鐘發(fā)送秒脈沖信號(hào)對(duì)從時(shí)統(tǒng)模塊秒以下時(shí)間計(jì)數(shù)器清零和保證恒溫晶振器件的性能。主時(shí)統(tǒng)模塊的時(shí)刻應(yīng)該是其時(shí)統(tǒng)電路的時(shí)刻，而從時(shí)統(tǒng)模塊中的時(shí)刻應(yīng)該是其時(shí)統(tǒng)電路的時(shí)刻加上外部傳輸?shù)难訒r(shí)。此方法比較容易實(shí)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(shí)統(tǒng)電路就可以實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間同步精度。

4 結(jié)束語

目前基于CPLD的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)已在多個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了0.5μs的時(shí)間同步。應(yīng)用結(jié)果表明：此方法采用了單向時(shí)間同步信息的發(fā)送機(jī)制，僅需要少量的時(shí)間信息交換就可以在相同的硬件成本下實(shí)現(xiàn)較高時(shí)間同步精度。

由于時(shí)間數(shù)據(jù)信息量小、時(shí)間同步精度高的特性，所以該系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(jià)值。預(yù)期此時(shí)間對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)統(tǒng)可以達(dá)到更高的時(shí)間同步精度。能夠進(jìn)一步提高時(shí)間同步精度的方法主要有：

（1）提高時(shí)鐘頻率源的頻率，可有效降低時(shí)間同步誤差；

（2）提高時(shí)鐘頻率源的頻率穩(wěn)定度，減少時(shí)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(shí)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(shí)鐘的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（10）：16－18.

［3］GJB2991－97，B時(shí)間碼接口終端［S］.