一種確定系統間全局時鐘的結構的製作方法

2023-06-26 13:01:21

一種確定系統間全局時鐘的結構的製作方法
【專利摘要】一種確定系統間全局時鐘的結構，在系統間需要統一時間基準時，基準時鐘源發出標定信號，記錄發出時間Td(0)，各系統收到標定信號後，記錄到達時間Ta(n)，同時各發出返回信號給基準時鐘源的信號記錄單元並記錄發出時間Tb(n)，同樣由於距離不同，信號記錄單元依次記錄返回信號的到達時間Td(n)，則確定系統與基準時鐘源的時間延時Delay(n)，當需要所有系統有完全統一的時間基準時，將獲取對應的Delay(n)的發送至各系統，每個系統確定自己本地時鐘與基準時鐘源零點偏差Tc(n)，並將Tc(n)作為校正參數讓自己的系統時鐘進行校正，從而使得所有系統中的本地時鐘都有完全一致的時鐘基準。
【專利說明】一種確定系統間全局時鐘的結構

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於時間測試測量【技術領域】，涉及一種基準時間確定結構，尤其是全局時間的確定結構。

【背景技術】
[0002]全局時鐘可應用在多個領域中，獨立系統之間只有實現全局時鐘的同步，讓各個獨立系統的時鐘達到一致的時鐘基準時，才能完成陣列的協同工作，保證系統間具有一致的測量條件，故有必要提供一種系統間全局時鐘的確定結構。
[0003]現有的系統間全局時鐘確定往往採用通過多個系統之間的時間戳通信的方法和結構來獲取各自時鐘的計時基準再進一步進行校準，這種形式在通信領域中被廣泛採用，雖然其能夠實現系統間的時間同步，但是這種同步結構或方法僅局限在利用現成通信協議(能將時間基準打包成時間戳)達到精度不高的全局時鐘同步，如ms或者亞ms或者us或者亞us級別，精度最終依賴於時鐘的速度即翻轉頻率，不會達到比時鐘周期更短的同步精度。在諸如核探測領域、在飛行時間應用領域，多個獨立系統之間往往需要完全一致的時間基準來滿足精準的時間測量，完全同步的全局時間要求精度非常高，要求達到ns至ps級另IJ，往往小於系統時鐘的時鐘周期，全局時鐘的布局需要考慮系統間的各自時鐘由於上電順序不同帶來的細微差異，所以傳統的方法則無法滿足要求。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在於提供一種確定系統間全局時鐘的結構，在多個系統需要全局統一時間基準時，通過簡單網絡將各個系統連接，然後通過系統之間的通信以及信號記錄單元來確定各個系統的時鐘相位差值，同時利用各個時鐘相位差值對各系統進行校準，從而達到各系統中的所有時鐘都有完全一致的時鐘基準。
[0005]為達到上述目的，本實用新型的解決方案是:
[0006]一種確定系統間全局時鐘的結構，包括通路連接的至少兩個系統，還包括一基準時鐘源以及與所述基準時鐘源相配合的信號記錄單元，所述基準時鐘源的信號記錄單元(即與所述基準時鐘源相配合的信號記錄單元)與所述基準時鐘源通路連接、所述每一個系統均經由所述基準時鐘源的信號記錄單元和所述基準時鐘源通信以確定各系統各種本地時鐘與所述基準時鐘源之間的零點偏差。
[0007]所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述系統之間為雙向通信連接。
[0008]所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述基準時鐘源之間、所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述系統之間、所述系統之間為有線連接。
[0009]所述各系統分別設有本地時鐘以及與所述本地時鐘通路連接的本地信號記錄單
J L.ο
[0010]優選的，所述本地信號記錄單元與所述本地時鐘雙向通信有線連接。
[0011]優選的，以其中一系統內的本地時鐘作為基準時鐘源。
[0012]所述信號記錄單元的最小時間測量刻度小於所述基準時鐘源或本地時鐘的時鐘周期的1/2。
[0013]所述信號記錄單元包括一控制器以及與所述控制器通信連接以接受所述控制器驅動的時間轉換器，所述時間轉換器的時間精度在Ins以內。
[0014]所述時間轉換器為TDC (時間數字轉換器)或者TAC (時間模擬轉換器)，所述TDC或者TAC的時間精度在lOOps以內。
[0015]所述系統之間依次通信連接以形成線狀網絡結構，且至少設置一條線狀網絡結構，所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述每個線狀網絡結構中的一系統之間通信連接。
[0016]優選的，所述基準時鐘源的信號記錄單元和所述每一個線狀網絡結構中位於端點處的一系統之間通信連接。
[0017]優選的，所述系統之間為雙向通信連接。
[0018]優選的，設置一條所述線狀網絡。
[0019]所述各系統分別直接與所述基準時鐘源的信號記錄單元之間通信連接以形成星狀網絡結構。
[0020]由於採用上述方案，本實用新型的有益效果是:
[0021]1、本實用新型所公開的一種確定系統間全局時鐘的結構，在獨立工作時，各系統可依賴自己的時鐘進行工作，在多個系統需要全局統一時間基準時，基準時鐘源首先發出標定信號，同時，基準時鐘源的信號記錄單元開始計時Td(o)，各個系統由於其離基準時鐘源的距離不一致，會先後依次接受到標定信號，各系統收到標定信號後，各個系統內部的信號記錄單元記錄該標定信號的到達時間Ta(η)，同時各系統立即發送一返回信號(應答回復或者直接電路連接返回標定信號)給基準時鐘源的信號記錄單元並記錄返回信號的發出時間Tb(η)，同樣由於距離不同，信號記錄單元會先後依次接收到來自各個系統的返回信號，依次記錄時間Td(n)，系統與基準時鐘源的時間延時為:Delay(n) = (Td(n)_Td (0))/2或Delay (η) = (Td(n)_Td(0)-An)/2，Λη的數值根據應用場合不同採用前述步驟確定；同時可以計算系統與基準時鐘源的連線長度為L(n) = Delay (n)C電信號的傳播速度，接近光速，當需要所有系統有完全統一的時間基準時，基準系統將獲取對應的Delay (η)的數據發送各系統，每個系統計算自己本地時鐘與基準時鐘源零點偏差:Te(n)=((Ta (n) -Delay (n) _Td (0))或 Tc (η) = (Delay (n) +Tb (n) _Td (η))，並將 Tc (η)作為校正參數讓自己的系統時鐘進行校正。(1)如果Τ。(η) >0，說明本系統時鐘零點早於基準時鐘源，則在本系統計時系統中減去該值。(2)如果?；(η)〈0，說明本系統時鐘零點晚於基準時鐘源，則在本系統計時系統中加上該值。
[0022]2、通過高精度信號記錄單元的加入，使得時間的同步精度提高。在基準時鐘源處設置高精度的信號記錄單元，同時系統內本地時鐘也分別設有與其配合的信號記錄單元，信號記錄單元的最小時間測量刻度小於基準時鐘源的時鐘周期的1/2，可為時間數字轉換器(TDC)或者時間模擬轉換器(TAC)，由該時間數字轉換器(TDC)或者時間模擬轉換器(TAC)配合基準時鐘源以及各系統內本地時鐘來確定每個系統自己本地時鐘與基準時鐘源零點偏差，可精確確定各系統與基準時鐘源之間的時間絕對偏移以形成全局時鐘。
[0023]3、通過系統之間的時間測量和通信完成各個系統時間系統的歸一化校正，免去了專用可靠時鐘線的複雜設計。
[0024]4、增加系統的擴展性，當系統之間設置為線狀網絡結構時，可以任意在系統中增加系統，新增的系統只需要完成一次測量就可以保證自己與系統達到一致的時間基準。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型所示的一種確定系統間全局時鐘的結構的工作流程圖；
[0026]圖2為系統內時鐘源與時鐘記錄單元的連接關係示意圖；
[0027]圖3為一種確定系統間全局時鐘的結構第一實施例的結構示意圖；
[0028]圖4為一種確定系統間全局時鐘的結構第二實施例的結構示意圖；
[0029]圖5為一種確定系統間全局時鐘的結構第三實施例的結構不意圖。

【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖所示實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0031]本實用新型公開了一種系統間全局時鐘確定的結構，包括至少兩個系統、一基準時鐘源以及與所述基準時鐘源相配合的信號記錄單元，上述系統之間通路連接，信號記錄單元與基準時鐘源通路連接、每一個系統均經由所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述基準時鐘源通信以確定各系統各種本地時鐘與所述基準時鐘源之間的零點偏差。
[0032]其中如圖2所示，基準時鐘源以及所述基準時鐘源的信號記錄單元可從屬於其中一系統中，也可單獨外接一基準時鐘源以及信號記錄單元，以下以基準時鐘源以及與信號記錄單元從屬於其中一系統中對本實用新型所示結構的工資原理進行說明。
[0033]多個系統之間可用現成的(或者新建簡單的)通信網絡連接起來，當各系統上電啟動開始工作，系統內的本地時鐘開始工作，由於上電時間和各個系統本地時鐘起振的差異，各個系統上的本地時鐘不是在同一時刻開始，本實用新型所示的系統間全局時鐘確定的結構通過信號記錄單元、基準時鐘源以及各系統內的本地時鐘進行相互計時和比較得到各個系統的時鐘的相對差值，然後在利用差值將各自的時鐘統一到一致的時間基準，完成全局時鐘的部署。具體過程如下，選擇任意一系統內設置本地時鐘以及與本地時鐘通路連接的信號記錄單元，以該系統的本地時鐘作為基準時鐘源，信號記錄單元為一計時元件，該基準時鐘源向網絡中其餘系統發出一個標定信號，並通過自己的信號記錄單元記錄標定信號的發出時間Td(0)，其餘系統接收到標定信號後，記錄下標定信號的到達時間Ta(n)，同時產生一個返回信號並記錄返回信號的發出時間Tb (η)，返回信號到達基準時鐘源後，與基準時鐘源相配合的信號記錄單元記錄下返回信號的到達時間Td(n)，通過測算Td(n)和Td(0)則可知道其餘系統距離基準系統的距離，也即固定的時間差Delay (η)，基準系統將測算的時間差Delay (η)通過通信網絡發送給其他所有系統。同時，各個其餘系統通過測定的Ta(η)或Tb(n)與收到的Delay (η)可測算自己的時間零點與基準系統的時鐘零點的差值，即時鐘基準的差值Τ。(η)，各個系統通過該差值Te(n)校正自己的時鐘系統，例如給自己的時鐘系統設置對應的延時，從而使整個系統處於完全一致的時鐘基準。上述各種差值的計算也可通過其他處理器確定。
[0034]本實施例中，上述返回信號可為原標定信號也可為系統自己發出的一個應答信號，當系統採取標定信號返回時，不需要考試時間開銷的問題，則Delay(n)=(Td (n) -Td (0)) /2 ;當系統採取應答方式返回信號時，則有一個應答時間的開銷，即則Delay (η) = {(Td (n) _Td(0))/2} - △ n，該結構用於對時間精度要求不嚴格的領域時，信號記錄單元可為一常用的計時元件即能有效的實現用於系統間全局時鐘的確定，到達時間Ta(n)或發出時間Tb(n)可經由各系統內本地時鐘自己獨立確定，Δη也為各系統預設值，通過實驗和計算確定。
[0035]但當本實用新型所示的結果應用於對時間精度要求較高的場合時，則信號記錄單元的最小時間測量刻度小於基準時鐘源或本地時鐘的時鐘周期的1/2設置，各系統內需要分別設置了一信號記錄單元，各系統內部的信號記錄單元以及與基準時鐘源相配合的信號記錄單元結構相同，包括一控制器以及接受該控制驅動的高精度時間轉換器，且各信號記錄單元分別與系統內的本地時鐘通路連接。這樣信號記錄單元可以精確測量小於一個時鐘周期長度的時間:在高同步要求的全局時鐘中，全局時鐘頻率一般在50MHz以上，時鐘周期在20ns以內，甚至頻率達到200MHz以上，時鐘周期在2ns以內。但是全局時鐘在線路上的延時也需要被精確測量，而這種延時隨線路長度不同而不同，不會與系統全局時鐘保持相同相位，為了精確測量這種延時，需要高精度的時鐘測量裝置，而不是依賴全局時鐘，通過最小測量刻度小於基準時鐘的時鐘周期的1/2的信號測量裝置，能實現諸如線路延時或者相位偏差等更高精度的時間測量。
[0036]作為一優選的方案，時間轉換器的最小時間測量刻度在Ins以內，本實施例中時間轉換器為TDC (時間數字轉換器)或者TAC (時間模擬轉化器)，TDC或者TAC的時間精度在lOOps以內。以TDC為例，其接受控制器控制進行時間值的記錄和讀取(即記錄和調取T(0)和Τ(η)的值)，由於TDC可以異步計時，也就是對時鐘的信號是即時觸發，一般來說是電脈衝的跳變沿觸發，故不存在通信開銷，且TDC能不完全依賴主時鐘頻率，通過電路延時追趕電路來計時，測量比基準時鐘源時鐘周期更短的時間長度，計時精度可以達到10ps，故採用此種精度的時間轉換單元可精確的實現各系統至基準時鐘源時鐘零點的測量，使得時間的同步精度在ps級別的要求，從而可應用於對於時間精度要求較高的領域中。
[0037]這樣設置後，到達時間Ta(n)經由各系統內本地時鐘以及與所述本地時鐘相配合的高時間精度的本地信號記錄單元確定，當確定各系統開始工作時，本地信號記錄單元根據各自的本地時鐘記錄各系統開始工作的時間零點taCI(n)，當判斷標定信號到達時，本地的信號記錄單元根據各自的本地時鐘記錄標定信號(脈衝或時鐘信號)的達到時間tal(n)，則所述到達時間Ta(n) = tal(n)-taCI(n)，當判斷返回信號發出時，本地的信號記錄單元記錄脈衝發出時間tbl(n)，則所述的發出時間Tb(n) = tbl (n) -ta0 (n)，這樣可保ETa(n)、Tb(n)與前述Td(0)、Td(n)具有同一級別的精度。
[0038]若返回信號為應答信號時，則所述Λη = Tb(n)-Ta(n);
[0039]這樣確定的Ta(n)、Tb(n)以及Λη值具有與Td(0)、Td(n)同一數量級的精度，從而最終保證時鐘零點的精度。
[0040]上述與基準時鐘源相配合的信號記錄單元和各系統之間既可以通過一條線路實現標定信號(應答信號)交互，二者之間也可雙向通信連接以實現信號交互。若採用一條線路實現信號往返時，由於所有的系統都是通路連接的，標定信號會被廣播發出，信號記錄單元和其餘的系統都會收到，所以為讓其餘的系統不會誤認為該信號為基準時鐘源的信號，需要其餘系統的控制器接收到信號後再立即發出信號(信號最好與基準時鐘源的標定信號不一樣)，若二者雙向通信連接時，標定信號的發送和接受區分開來，則無需考慮此種問題，信號的發送與接受更為容易。
[0041]此外，考慮到本實用新型所示的結構中，其信號測量是基於電路信號(電脈衝的跳變)來精確獲取不同系統的時間延時和偏差，當通過固定媒介的信號傳輸，其延時和偏差更為確定，為達到全局時鐘的精度為ps級別的要求，故基準時鐘源與信號記錄單元之間，信號記錄單元與系統之間，各系統之間均為有線連接。
[0042]通過上述分析可知，採用本實用新型所示的一種系統間全局時鐘的確定結構，各系統只需滿足最終經由信號記錄單元與基準時鐘源通信連接，即可實現系統間全局時鐘的設置，且由於採用時間精度高的信號記錄單元實現各系統與基準時鐘源之間時鐘零點的確定，尤其適合對時間精度要求較高的場合。
[0043]以下結合具體實施例對本實用新型所示的確定系統間全局時鐘的結構進行說明。
[0044]第一實施例中，如圖3所示，一種系統間全局時鐘的確定結構，包括至少兩系統、一基準時鐘源以及一與上述基準時鐘源相配合的信號記錄單元，信號記錄單元與基準時鐘源通路連接、各系統之間依次雙向通信連接以形成線狀網絡，線狀網絡可設置多條，信號記錄單元與每條線狀網絡中的一個系統雙向通信連接。圖3所示實施例中，優選設置一條線性網絡，且信號記錄單元與位於首部的系統之間雙向通信連接，基準時鐘源與信號記錄單元之間，信號記錄單元與位於首部的系統之間，各系統之間均為有線連接。
[0045]通過線狀網絡串聯所有系統，在線狀網絡的一個節點(圖3所示實施例為在線狀網絡的一端以儘量保證各個系統到基準時鐘源的距離都不一樣。)設置唯一的基準時鐘源，同時設置一個高精度的信號記錄單元，基準時鐘源首先發出標定信號，同時，基準時鐘源的信號記錄單元開始計時Td(o)，各個系統由於其離基準時鐘源的距離不一致，會先後依次接受到標定信號，各系統收到標定信號後，各個系統內部的信號記錄單元記錄該標定信號的到達時間Ta(η)，同時各系統立即應答回復或者直接電路連接返回標定信號給基準時鐘源的信號記錄單元並記錄該返回信號的發出時間Tb(η)，同樣由於距離不同，信號記錄單元會先後依次接收到來自各個系統的應答信號，依次記錄時間Td(n)，系統與基準時鐘源的時間延時為:Delay (n) = (Td(n)_Td(0))/2 或 Delay (η) = {(Td (η) -Td (0))/2}-Δη, Δη 的數值根據應用場合不同採用前述步驟確定；同時可以計算系統與基準時鐘源的連線長度為L(n) = Delay (n) *C，C為信號的傳播速度，接近於光速，當需要系統間有完全統一的時間基準時，基準系統將獲取對應的Delay (η)的數據發送各系統，每個系統計算自己本地時鐘與基準時鐘源零點偏差:
[0046]Tc (n) = (Ta (n) -Delay (η) _Td (0))或 Tc (η) = (Delay (η) +Tb (η) _Td (η))，並將 Tc (η)作為校正參數讓自己的系統時鐘進行校正。
[0047](1)如果Τ。(η) >0，說明本系統時鐘零點早於基準系統，則在本系統計時系統中減去該值。
[0048](2)如果Τ。(η)〈0，說明本系統時鐘零點晚於基準系統，則在本系統計時系統中加上該值。
[0049]考慮到若設置多條線狀網絡，可能出現多個系統到基準時鐘源距離相同的情況，故在此過程中，如果與基準時鐘源相配合的信號記錄單元收到的應答信號次數少於系統η值(說明至少有兩個信號有重疊，這個概率非常低，因為信號記錄單元能識別超過10ps的兩個信號)，可以對系統分批進行測量，逐一獲取。
[0050]上述基準時鐘源與其餘系統之間的測算可以在任意兩個系統中進行，具體如圖4所示，第二實施例中，系統A中的本地時鐘作為基準時鐘源，與系統B完成測算，得到系統A與系統B 二者之間的時鐘偏差，再將系統B作為基準，與系統C完成測算，得到系統B與系統C的之間的時鐘偏差，通過第一步確定系統A、B之間的時鐘偏差，可計算出時鐘系統A與時鐘系統C的偏差，依次類推，從而完成整個網上上所有時鐘系統的偏差。
[0051]第三實施例中，如圖5所示，本實用新型所示的一種確定系統間全局時鐘的結構，包括至少一基準時鐘源，至少兩系統以及一與上述基準時鐘源相配合的信號記錄單元，系統間通路連接，信號記錄單元與基準時鐘源通路連接，各系統分別與信號記錄單元雙向通信連接以經由信號記錄單元與基準時鐘源通信。本實施例中，基準時鐘源和各系統之間仍然採取星狀網絡連接，但基準時鐘源和各系統之間增設信號記錄單元，各系統本地時鐘也可根據時間精度需要增設與本地時鐘通路連接的信號記錄單元，且各系統分別與信號記錄單元雙向通信連接，本實施例中，優選的，基準時鐘源與信號記錄單元之間、信號記錄單元與各系統之間為有線連接。
[0052]獲取全局時鐘時，首先是所有的系統上電，各自的時鐘都已經工作，然後開始測算各自時鐘系統的偏差，任選一個系統的本地時鐘作為基準時鐘源，基準時鐘源向其餘系統發出標定信號(該標定信號可以是簡單的電脈衝或者是時鐘信號)，同時，基準時鐘源的信號記錄單元開始計時Td(0)，各個系統由於其離基準時鐘源的距離不一致，會先後依次接受到標定信號，各系統收到標定信號後，各個系統內部的信號記錄單元記錄該標定信號的到達時間Ta(η)，同時各系統立即應答回復或者直接電路連接返回標定信號給基準時鐘源的信號記錄單元並記錄錄該返回信號的發出時間Tb(η)，同樣由於距離不同，信號記錄單元會先後依次接收到來自各個系統的應答信號，依次記錄時間Td(n)，系統與基準時鐘源的時間延時為:Delay (n) = (Td(n)_Td(0))/2 或 Delay (η) = {(Td (η) _Td(0))/2} - Δ η，Δη 的數值根據應用場合不同採用前述步驟確定；同時可以計算系統與基準時鐘源的連線長度為L(n)=Delay (n)*C，C為光速，當需要系統間需要有完全統一的時間基準時，基準系統將獲取對應的Delay (η)的數據發送各系統，每個系統計算自己本地時鐘與基準時鐘源零點偏差:Tc (η) = ((Ta (n) -Delay (η) -Td (0))或 Tc(n) = (Delay (n)+Tb (n) _Td(n))，並將 Tc (η)作為校正參數讓自己的系統時鐘進行校正。
[0053](1)如果Τ。(η) >0，說明本系統時鐘零點早於基準系統，則在本系統計時系統中減去該值。
[0054](2)如果Τ。(η)〈0，說明本系統時鐘零點晚於基準系統，則在本系統計時系統中加上該值。
[0055]同前所述，考慮到採用星狀網絡時，可能出現多個系統到基準時鐘源距離相同的情況，故在此過程中，如果信號記錄單元收到的應答信號次數少於系統值(說明至少有兩個信號有重疊，這個概率非常低，因為信號記錄單元能識別超過10ps的兩個信號)，可以對系統分批進行測量，逐一獲取。
[0056]以下在結合本實用新型的工作流程對工作原理進一步的說明。
[0057]如圖1所示，當本實用新型所示的確定系統間全局時鐘的結構用於例如通信領域等對時間精度要求一般的工作場合時，其工作過程具體包括以下步驟:
[0058](1)確定一時鐘源作為基準時鐘源，該基準時鐘源通過網絡覆蓋全部系統。首先，確定一時鐘源作為基準的時鐘源，由上述基準時鐘源產生標定信號。
[0059]由於各系統內部均有各自的本地時鐘，故首先需要確定唯一時鐘源作為基準，基準時鐘源可任意選擇，只需要該基準時鐘源滿足能夠通過網絡傳輸到所有系統(即覆蓋所有系統)。基準時鐘源可從各系統中選擇，也可外置的一時鐘源作為基準。本實施例中，選取系統內一本地時鐘作為基準時鐘源，上述基準時鐘源可單獨為一時鐘控制器，也可包括一時鐘控制器以及接受時鐘控制器控制的時鐘發生器，根據實際需要設置。
[0060](2)所述基準時鐘源產生標定信號，所述標定信號被分發至各系統處，記錄所述標定信號的發出時間Td(o)；
[0061]如前所述，標定信號由基準時鐘源產生，故標定信號既可以由時鐘控制器直接發出的一個電脈衝形成，也能為時鐘發生器接受所述時鐘控制器驅動發出的一段時鐘信號。標定信號產生後其需要發送至各系統處，本實施例中，由與基準時鐘源相配合的信號記錄單元將該標定信號分發至各系統處，其中信號記錄單元包括一控制器以及接受該控制驅動的時間轉換器，
[0062]基準時鐘源以及與基準時鐘源相配合的信號記錄單元屬於其中一系統，同時與基準時鐘源相配合的信號記錄單元接收並記錄標定信號的發出時間Td(0)。
[0063](3)標定信號通過網絡到達各系統後，系統依據各自本地時鐘記錄標定信號到達時間Ta(η)，同時各系統處分別產生一返回信號並記錄返回信號的發出時間Tb(n)，接收返回信號並所述記錄返回信號到達基準時鐘源的到達時間Td(η)，從而確定所述各系統的絕對偏移Delay (η)；
[0064]標定信號發出時間Td(0)以及返回信號的到達時間Td(η)可由同一計時元件記錄，以保證二者確定的絕對偏移Delay (η)儘量可與計時單元的最小時間單元處於同一級別上，圖1所示實施例中，均通過與基準時鐘源相配合的信號記錄單元接收並記錄，具體的信號記錄單元中時間轉換器接受控制器的驅動記錄Td(0) *Td(n)的具體數值。
[0065]時間步驟(3)中，若不考慮精度問題時，標定信號至各系統的到達時間Ta(n)或返回信號的發出時間Tb(n)可直接由系統根據各自的本地時鐘確定並記錄，這樣到達時間Ta(n)以及Tb(n)的精度與本地時鐘相同，到達時間Ta(η)或發出時間Tb(η)也可經由各系統內本地時鐘以及與所述本地時鐘相配合的本地信號記錄單元確定，各系統內的本地信號記錄單元結構與上述與基準時鐘源相配合的信號記錄單元結構相同，當確定各系統開始工作時，本地信號記錄單元記錄各系統開始工作的時間零點taCI(n)，當判斷標定信號到達時，本地的信號記錄單元記錄脈衝的達到時間tal(n)，則所述到達時間Ta(n) = tal (n) -ta0 (η)；當判斷返回信號發出時，本地的信號記錄單元記錄脈衝發出時間tbl (η)，則所述的發出時間Tb (n) = tbl (n) -ta0 (η)。
[0066]各系統處分別產生的返回信號可為各種形式，以下以返回信號為所述各系統分別發出的應答信號或所述標定信號分別返回對該步驟進行說明，應理解，若返回信號為其他形式時，採用本實用新型所示的結構也可實現系統間全局時鐘的形成。當標定信號到達所述各系統後，各系統既可以通過直接電路連接返回信號鏈路，將標定信號返回，也可以通過控制器(如FPGA這種支持異步響應的控制器)接收到標定信號，則立即(不依賴與控制器的主時鐘條件下)發出應答信號，然後在記錄下到達所述基準時鐘源的到達時間Td(n)，以確定所述各系統的絕對偏移Delay (η)。
[0067](I)若為所述應答信號返回，則Delay (η) = {(Td (n) _Td (0))/2} - Λ n，其中Λη為各系統應答反應時間；步驟⑴中，不考慮時間精度問題時，Λ η為預設值，可預先通過實驗和計算確定；此外Δη也可由各系統內的信號記錄單元確定，所述Δη = Tb(n)-Ta(n)；
[0068](II)若為所述標定信號返回，則 Delay (η) = (Td(n)-Td(0))/2 ；
[0069](4)根據所述絕對偏移Delay(n)以及所述標定信號到達時間Ta(n)或返回信號的發出時間Tb(n)調整所述各系統處的時鐘以形成全局時鐘:分別確定各自本地時鐘與基準時鐘源之間的零點偏差Τε(η) = ((Ta(n)-Delay(n)-Td(0))或Tc(n)=(Delay (n) +Tb (η) _Td (η))，並將Τ。(η)作為校正參數對各自系統的本地時鐘進行校正以形成全局時鐘。
[0070]從標定信號的發出至到達各系統的過程中，存在Td(0)+Delay(n) = Ta(n)_Te(n)，則 Tc(n) = Ta(n)-Td(0)-Delay(n) = {Ta(η) - ((Td (n) +Td(0)) /2- Δ n/2},其中若返回信號為標定信號，則Δη = 0;在返回信號發出至其到達基準時鐘源的過程中，存在Td(n) -Delay (η) = Tb (n) _TC (η)，則 Tc (η) = Tb (η) -Td (η) +Delay (η) = {Ta (n)-((Td (n) +Td(0))/2-Δ n/2}，其中若返回信號為標定信號，則Λ η = 0。
[0071]Tc(n)大小確定後則可將其作為校正參數對各自系統的本地時鐘進行校正:
[0072](1)如果Τ。(η) >0，說明本系統時鐘零點早於基準時鐘源，則在本系統的計時系統中減去該值。
[0073](2)如果Te(n)〈0，說明本系統時鐘零點晚於基準時鐘源，則在本系統計時系統中加上該值，這樣保證所有的系統具有完全一致的時間基準。
[0074]上述方法中，由基準系統(即本地時鐘作為基準時鐘源的系統)確定發出標定信號並計算Delay (η)，其餘系統確定Ta(n)以及Tb(n)，由於各個系統均具備本地時鐘和信號記錄單元，所以也可以由其餘系統發出標定信號並計算Delay (η)，基準系統測量Ta(η)以及Tb(η)，同時，由於基準系統和其餘系統都具備信號處理功能，所以，既可以將測量的Delay (η)發送給對方，也可以將測量的Ta (η)或Tb(n)發送給對方。任何一方只要通過網絡獲取到了 Delay (n)、Ta (η)或Tb (η)、，都可以確定校正參數Τ。(η)，並將Τ。(η)發送給各個系統進行校正，或上傳給整個系統的總處理單元進行全局校正。
[0075]採用本實用新型所示的結構，各系統都有自己的本地時鐘，在獨立工作時，可依賴自己的本地時鐘進行工作，在系統間需要全局統一時間基準時，通過上述所示的系統間全局時鐘的確定結構，即能夠方便快捷的實現系統間全局時鐘的統一，可根據需要應用至各領域中。
[0076]當本實用新型用於對於時間精度要求較高的場合，其工作過程具體包括以下步驟:
[0077](1)確定一時鐘源作為基準時鐘源，該基準時鐘源通過網絡覆蓋全部系統。首先，確定一時鐘源作為基準時鐘源，由上述基準時鐘源產生標定信號。
[0078]由於各系統內部均有各自的本地時鐘，故首先需要確定唯一時鐘源作為基準，基準時鐘源可任意選擇，只需要該基準時鐘源滿足能夠通過網絡傳輸到所有系統(即覆蓋所有系統)。基準時鐘源可從各系統中選擇，也可外置的一時鐘源作為基準。本實施例中，上述基準時鐘源可單獨為一時鐘控制器，也可包括一時鐘控制器以及接受時鐘控制器控制的時鐘發生器，根據實際需要設置。
[0079](2)所述基準時鐘源產生標定信號，所述標定信號直接或者經由於基準時鐘源的信號記錄單元被分發至各系統處，基準時鐘源的信號記錄單元記錄所述標定信號的發出時間嗔；
[0080]如前所述，標定信號由基準時鐘源產生，故標定信號既可以由時鐘控制器直接發出的一個電脈衝形成，也能為時鐘發生器接受所述時鐘控制器驅動發出的一段時鐘信號。標定信號產生後其需要發送至各系統處，本實施例中，由與基準時鐘源相配合的信號記錄單元將該標定信號分發至各系統處，信號記錄單元最小時間測量刻度小於基準時鐘源的時鐘周期的1/2，其包括一控制器以及接受該控制驅動的時間轉換器，基準時鐘源以及與基準時鐘源相配合的信號記錄單元可屬於其中一系統以便於系統連線布置。在與基準時鐘源相配合的信號記錄單元將標定信號分發至各系統的同時信號記錄單元記錄標定信號的發出時間Td(0)o
[0081](3)標定信號通過網絡到達各系統後，系統依據各自本地時鐘以及本地信號記錄單元記錄標定信號到達時間Ta(η)，同時各系統處分別產生一返回信號並依據各自本地時鐘以及本地信號記錄單元記錄返回信號發出時間Tb(η)，基準時鐘源的信號記錄單元接收返回信號並所述記錄返回信號到達基準時鐘源的到達時間！^(η)，從而確定所述各系統的絕對偏移Delay (η)。
[0082]標定信號發出時間Td(0)以及返回信號的到達時間Td(n)均通過與基準時鐘源相配合的高精度信號記錄單元接收並記錄，具體的信號記錄單元中時間轉換器接受控制器的驅動記錄!^。)*Td(n)的具體數值。由於與基準時鐘源相配合的信號記錄單元最小時間測量刻度小於基準時鐘源的時鐘周期的1/2設置，這樣信號記錄單元可以精確測量小於一個時鐘周期長度的時間:在高同步要求的全局時鐘中，全局時鐘頻率一般在50MHz以上，時鐘周期在20ns以內，甚至頻率達到200MHz以上，時鐘周期在2ns以內。但是全局時鐘在線路上的延時也需要被精確測量，而這種延時隨線路長度不同而不同，不會與系統全局時鐘保持相同相位，為了精確測量這種延時，需要高精度的時鐘測量裝置，而不是依賴全局時鐘，通過最小測量刻度小於基準時鐘的時鐘周期的1/2的信號測量裝置，能實現諸如線路延時或者相位偏差等更高精度的時間測量。
[0083]作為一優選的方案，其中信號記錄單元包括一控制器以及接受該控制驅動的時間轉換器，該時間轉換器的最小時間測量刻度在Ins以內從而可精確的記錄標定信號發出時間Td(0)以及返回信號的返回時間Td(η)，從而可用於對於時間精度要求在ps級別的場合。
[0084]進一步的，該時間轉換器可為TDC(時間數字轉換器)或者TAC(時間模擬轉換器)，TDC或者TAC的時間精度在lOOps以內。以TDC為例，其接受控制器控制讀取TDC的計數值(記錄的時間值)，由於TDC是異步計時，也就是對時鐘的信號是即時觸發，一般來說是電脈衝的跳變沿觸發，故不存在通信開銷，且TDC能不完全依賴主時鐘頻率，通過電路延時追趕電路來計時，計時精度可以達到10ps，故採用時間精度在lOOps以內信號記錄單元用於記錄信號的發出時間與返回時間，可以滿足時間的同步精度在ps級別的要求，從而應用於如掃描成像系統等對於時間精度要求較高的領域中。
[0085]標定信號的到達時間Ta(n)以及返回信號的發出時間Tb(n)也經由各系統內本地時鐘以及與所述本地時鐘相配合的高時間精度的本地信號記錄單元確定，各系統內的本地信號記錄單元結構與上述與基準時鐘源相配合的信號記錄單元結構相同，其分別與各自的本地時鐘雙向通信有線連接，且與基準時鐘源的信號記錄單元具體相同的最小時間ceil刻度當確定各系統開始工作時，本地信號記錄單元依據本地時鐘記錄各系統開始工作的時間零點ta(l (η)，當判斷標定信號到達時，本地的信號記錄單元依據本地時鐘記錄標定信號(脈衝或電信號)的達到時間tal (η)，則所述到達時間Ta(n) = tal (n) -ta0(η)，當判斷返回信號發出時，本地的信號記錄單元以及本地時鐘記錄返回信號的發出時間tbl (η)，則所述的發出時間Tb(n) = tbl (n)-taQ(n)，這樣可保證Ta(n)、Tb(n)與前述Td(0)、Td(η)具有同一級別的精度。
[0086]各系統處分別產生的返回信號可為各種形式，以下以返回信號為所述各系統分別發出的應答信號或所述標定信號分別返回對該步驟進行說明，應理解，若返回信號為其他形式時，採用本實用新型所示的結構也可實現系統間全局時鐘的形成。當標定信號到達所述各系統後，各系統既可以通過直接電路連接返回信號鏈路，將標定信號返回，也可以通過控制器(如FPGA這種支持異步響應的控制器)接收到標定信號，則立即(不依賴與控制器的主時鐘條件下)發出應答信號，然後在記錄下到達所述基準時鐘源的到達時間Td(n)，以確定所述各系統的絕對偏移Delay (η)。
[0087](I)若為所述應答信號返回，則Delay (η) = {(Td (n) _Td (0))/2} - Λ n，其中Λη為各系統應答反應時間；步驟(I)中，考慮時間精度問題，故也需要由各系統內的信號記錄單元確定，則所述Δη = Tb(n)-Ta(η)；
[0088](II)若為所述標定信號返回，則 Delay(n) = (Td(n)_Td(0))/2 ;
[0089](4)根據所述絕對偏移Delay (η)以及所述返回信號到達時間Ta (η)調整所述各系統處的時鐘以形成全局時鐘:分別確定各自本地時鐘與基準時鐘源之間的零點偏差Tjn)=(Ta (n) -Delay (n) -Td (0))或 Tc(n) = (Delay (n)+Tb (n) _Td(n))，並將 Tc (n)作為校正參數對各自系統的本地時鐘進行校正以形成全局時鐘。
[0090]從標定信號的發出至到達各系統的過程中，存在Td(0)+Delay(n) = Ta(n)_Te(n)，則 Tc(n) = Ta(n)-Td(0)-Delay(n) = {Ta(η) - ((Td (n) +Td(0)) /2- Δ n/2},其中若返回信號為標定信號，則Δη = 0;在返回信號發出至其到達基準時鐘源的過程中，存在Td(n) -Delay (η) = Tb (n) _TC (η)，則 Tc (η) = Tb (η) -Td (η) +Delay (η) = {Ta (n)-((Td (n) +Td(0))/2-Δ n/2}，其中若返回信號為標定信號，則Λ η = 0。
[0091]Tc(n)大小確定後則可將其作為校正參數對各自系統的本地時鐘進行校正:
[0092](1)如果Τ。(η) >0，說明本系統時鐘零點早於基準時鐘源，則在本系統的計時系統中減去該值。
[0093](2)如果Te(n)〈0，說明本系統時鐘零點晚於基準時鐘源，則在本系統計時系統中加上該值，這樣保證所有的系統具有完全一致的時間基準。
[0094]通過高精度的時間計時單元來確定本結構中所需要確定的各時間參數，不僅可解決系統間全局時鐘的同步問題，更進一步的，還使得時間的同步精度提高，可應用於核探測、飛行時間應用等對時間同步精度要求高的領域。
[0095]上述的對實施例的描述是為便於該【技術領域】的普通技術人員能理解和使用本實用新型。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限於上述實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示，不脫離本實用新型範疇所做出的改進和修改都應該在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種確定系統間全局時鐘的結構，包括通路連接的至少兩個系統，其特徵在於:還包括一基準時鐘源以及與所述基準時鐘源相配合的信號記錄單元，所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述基準時鐘源通路連接、所述每一個系統均經由所述基準時鐘源的信號記錄單元和所述基準時鐘源通信以確定各系統各種本地時鐘與所述基準時鐘源之間的零點偏差。
2.根據權利要求1所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述系統之間為雙向通信連接。
3.根據權利要求1所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述基準時鐘源之間、所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述系統之間、所述系統之間為有線連接。
4.根據權利要求1所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述各系統分別設有與所述系統內本地時鐘通路連接的本地的信號記錄單元，以其中一系統內的本地時鐘作為基準時鐘源。
5.根據權利要求1至4任一項所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述信號記錄單元的最小時間測量刻度小於基準時鐘源或本地時鐘的時鐘周期的1/2。
6.根據權利要求5所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述信號記錄單元包括一控制器以及與所述控制器通信連接以接受所述控制器驅動的時間轉換器，所述時間轉換器的時間精度在Ins以內。
7.根據權利要求6所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述時間轉換器為TDC或者TAC，所述TDC或者TAC的時間精度在10ps以內。
8.根據權利要求1至4任一項所述的確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述系統之間依次通信連接以形成線狀網絡結構，且至少設置一條線狀網絡結構，所述基準時鐘源的信號記錄單元與所述每個線狀網絡結構中的一系統之間通信連接。
9.根據權利要求8所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述基準時鐘源的信號記錄單元和所述每一個線狀網絡結構中位於端點處的一系統之間通信連接。
10.根據權利要求8所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述系統之間為雙向通信連接。
11.根據權利要求8所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:設置一條所述線狀網絡。
12.根據權利要求1至4任一項所述確定系統間全局時鐘的結構，其特徵在於:所述各系統分別直接與所述基準時鐘源的信號記錄單元之間通信連接以形成星狀網絡結構。
【文檔編號】G06F1/12GK204256589SQ201420650130
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】張博, 房磊 申請人:武漢科影技術科技有限公司