一種高精度同步時鐘調整方法
2023-06-17 03:13:31
專利名稱：一種高精度同步時鐘調整方法
技術領域：
本發明涉及一種位於不同地理位置的對時單元的時鐘同步調整方法。
背景技術：
傳統的同步報文+秒脈衝的對時方式中，秒脈衝信號作為一個觸發信號，MCU通過該信號來讀取當前的時間值，與同步報文中的時間進行比較，若同步報文中的時間大於該秒脈衝的時間，則調快時鐘，若同步報文中的時間小於當前時間，則調慢時鐘。此種方法對時鐘的調整是單向的，時鐘難以穩定，波動大，且對偶爾偏差響應劇烈。傳統方法存在以下問題
1 =PPS脈衝識別造成的延時。傳統方式中MCU通過中斷來識別PPS秒脈衝，雖然中斷能有效避免同步設備系統運行負荷對脈衝的響應速度的影響，但是從硬體響應中斷到進入中斷程序再到讀取當前之間，這個過程本身消耗的時間在高精度的同步要求下是不能被忽略的。2 對時設備時鐘的抖動問題。傳統方式中，根據時間報文和PPS秒脈衝確定時鐘偏差，慢了加，快了減。此種方式對時設備時鐘抖動大，在小範圍能難以穩定，更難達到精確穩定時鐘的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠為不同地域的對時單元提供精確的絕對時間的對時方法。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種高精度同步時鐘調整方法， 其特徵在於步驟為
步驟1、由GPS時鐘伺服器通過GPS天線與衛星進行對時，對時完成後，GPS時鐘伺服器通過網口輸出NTP協議報文及與時間整秒同步的PPS秒脈衝；
步驟2、在前三秒內，對時設備直接將NTP協議報文中的時間寫入本地時鐘； 步驟3、對時設備等待PPS秒脈衝，硬體在捕捉到PPS秒脈衝後，硬體時標功能記錄本地時鐘硬體時間，進入步驟4;
步驟4、判斷第一次對時是否完成，若是，則跳至步驟6，否則進入步驟5 ； 步驟5、將當前PPS脈衝到來時本地時鐘的硬體時間與之前幾秒脈衝到來時記錄的硬體時間進行比較，計算固定頻率後返回步驟3，固定頻率計算完成後根據固定頻率修改當前時鐘速度，重複多次步驟3至步驟5，第一次對時完成；
步驟6、讀取本地時鐘的硬體時間及NTP協議報文時間欄位中的GPS時間，計算兩者之間的偏差值，判斷該偏差值是否縮小到臨時頻率調整的門限值，若否，則根據該偏差值調整本地時鐘的當前運行頻率後返回步驟3，若是，則進入步驟7 ；
步驟7、判斷固定頻率變量Rb是否有更新，若有更新，則將本地時鐘的運行頻率調整為固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率後進入步驟8，若沒有更新，則直接進入步驟8 ；
3步驟8、進行臨時頻率調整根據偏差值調整時鐘的當前運行頻率，當調整時間範圍到後，將當前運行頻率恢復到當前的固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率，進入步驟9 ；
步驟9、進行固定頻率計算步驟類似步驟5，根據當前及歷史的固定頻率通過多次均值濾波算法得到新的固定頻率，並將其保存入固定頻率變量Rb，返回步驟3。結合本發明目前在直流電網同步數據採集中的應用，相對於傳統的時鐘同步方式，實現的有益效果主要體現在以下幾個方面
1、低成本優勢本發明使用價格低廉的NTP時鐘伺服器，一臺時鐘伺服器可作為多個採集板的對時時鐘源，有效的節約了直流電網同步採集實施的成本。2、高對時精度本發明實現的對時精度已經遠遠超過傳統的秒脈衝配合NTP報文網絡對時方式。3、靈活的脈衝輸出，無需外擴電路，節約系統設計，實施成本系統在對時完成後能夠輸出與絕對時間重合的連續脈衝，供給電量採集模塊作為同步採集信號。該脈衝的佔空比，周期，啟停時間完全又軟體實現，硬體電路無需做任何修改就能根據實際應用提供相應的脈衝群，大大節約了直流電網電量同步採集系統的實現難度及系統成本。
圖1為實施本發明的系統框圖2為本發明提供的一種高精度同步時鐘調整方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以一優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。本發明提供的一種高精度同步時鐘調整方法應用在如圖1所示的系統上，其步驟為
步驟1、由GPS時鐘伺服器通過GPS天線與衛星進行對時，對時完成後，GPS時鐘伺服器通過網口輸出NTP協議報文及與時間整秒同步的PPS秒脈衝；
步驟2、在前三秒內，對時設備直接將NTP協議報文中的時間寫入本地時鐘； 步驟3、對時設備等待PPS秒脈衝，硬體在捕捉到PPS秒脈衝後，硬體時標功能記錄本地時鐘硬體時間，進入步驟4 ；
步驟4、判斷第一次對時是否完成，若是，則跳至步驟6，否則進入步驟5 ； 步驟5、將當前PPS脈衝到來時本地時鐘的硬體時間與之前幾秒脈衝到來時記錄的硬體時間進行比較，計算固定頻率後返回步驟3。固定頻率計算完成後根據固定頻率修改當前時鐘速度，重複多次步驟3至步驟5，第一次對時完成；；
步驟6、讀取本地時鐘的硬體時間及NTP協議報文時間欄位中的GPS時間，計算兩者之間的偏差值，判斷該偏差值是否縮小到臨時頻率調整的門限值，若否，則根據該偏差值調整本地時鐘的當前運行頻率後返回步驟3，若是，則進入步驟7 ；
步驟7、判斷固定頻率變量Rb是否有更新，若有更新，則將本地時鐘的運行頻率調整為固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率後進入步驟8，若沒有更新，則直接進入步驟8 ；
步驟8、進行臨時頻率調整根據偏差值調整時鐘的當前運行頻率，當調整時間範圍到後，將當前運行頻率恢復到當前的固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率，進入步驟9;步驟9、進行固定頻率計算步驟類似步驟5，根據當前及歷史的固定頻率通過多次均值濾波算法得到新的固定頻率，並將其保存入固定頻率變量Rb，返回步驟3。在上述方法中固定頻率是指對時單元的時鐘以一定速率行進，該速率基本和 GPS時鐘一致，但不可能完全吻合，所謂的固定頻率即通過計算得到對時單元時鐘頻率的一個固定調整量，使時鐘以固定的速度運行，該速度的理想值是GPS時鐘的運行速度。固定頻率並不是在每個對時周期內都調整，由於固定頻率是時鐘長期運行的基礎速率，因此固定頻率計算的是一段時間(多個對時周期)內對時單元時鐘運行速度和GPS時鐘運行速度間的速度偏差，計算過程中對時單元時鐘不進行調整。計算採用多次均值濾波算法消除長時間內因時鐘抖動造成的偶爾誤差數據。臨時頻率是指由於對時單元始終本身並不是理想時鐘，存在抖動，加之晶振的溫飄，GPS時鐘伺服器脈衝輸出本身也不可能完全穩定。因此只使用固定頻率時，本地時鐘會呈現小範圍的波動，且波動不規律。臨時頻率調整的作用便是用來消除該波動。臨時頻率的調整方法是在時鐘以固定頻率運行後，在每一個對時周期內使用一個極小的時間範圍 (IOms以內)，根據偏差量調整時鐘的頻率，當調整時間到後，將時鐘頻率恢復到固定頻率值。臨時頻率調整在每個對時周期中都進行，使用極小時間範圍作為調整時間能是時鐘運行更平穩。
權利要求
1. 一種高精度同步時鐘調整方法，其特徵在於步驟為步驟1、由GPS時鐘伺服器通過GPS天線與衛星進行對時，對時完成後，GPS時鐘伺服器通過網口輸出NTP協議報文及與時間整秒同步的PPS秒脈衝；步驟2、在前三秒內，對時設備直接將NTP協議報文中的時間寫入本地時鐘； 步驟3、對時設備等待PPS秒脈衝，硬體在捕捉到PPS秒脈衝後，硬體時標功能記錄本地時鐘硬體時間，進入步驟4 ；步驟4、判斷第一次對時是否完成，若是，則跳至步驟6，否則進入步驟5 ； 步驟5、將當前PPS脈衝到來時本地時鐘的硬體時間與之前幾秒脈衝到來時記錄的硬體時間進行比較，計算固定頻率後返回步驟3，固定頻率計算完成後根據固定頻率修改當前時鐘速度，重複多次步驟3至步驟5，第一次對時完成；步驟6、讀取本地時鐘的硬體時間及NTP協議報文時間欄位中的GPS時間，計算兩者之間的偏差值，判斷該偏差值是否縮小到臨時頻率調整的門限值，若否，則根據該偏差值調整本地時鐘的當前運行頻率後返回步驟3，若是，則進入步驟7 ；步驟7、判斷固定頻率變量Rb是否有更新，若有更新，則將本地時鐘的運行頻率調整為固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率後進入步驟8，若沒有更新，則直接進入步驟8 ；步驟8、進行臨時頻率調整根據偏差值調整時鐘的當前運行頻率，當調整時間範圍到後，將當前運行頻率恢復到當前的固定頻率變量Rb所存儲的固定頻率，進入步驟9 ；步驟9、進行固定頻率計算步驟類似步驟5，根據當前及歷史的固定頻率通過多次均值濾波算法得到新的固定頻率，並將其保存入固定頻率變量Rb，返回步驟3。
全文摘要
本發明提供了一種高精度同步時鐘調整方法，其特徵在於步驟為系統開始運行時會計算一次固定頻率，當第一次固定頻率計算完成後，在以後的每個對時周期內，根據偏差直接修改時鐘頻率，直至偏差值到達臨時頻率調整的門限值。當偏差值達到臨時頻率調整的門限值時，將第一次計算得到的固定頻率設置為時鐘的當前運行頻率，然後根據此時的偏差進行臨時頻率調整，同時開始新一輪的固定頻率的計算。本發明的優點是1、低成本優勢；2、高對時精度；3、靈活的脈衝輸出，無需外擴電路，節約系統設計，實施成本。
文檔編號H04L12/56GK102412957SQ20111039845
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者奚培鋒, 張偉, 李乙, 薛吉, 鄔宇 申請人:上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海電器科學研究院