一种高精度时间同步的b码终端

一种高精度时间同步的b码终端

1利用iring-b码进行的时间同步计算机的时间同步性变得越来越重要。在科研和生产中,对一些会产生连锁反应的事件(比如电网故障的连锁反应)发生时刻的记录,几乎是事件(或故障)溯源的唯一手段;在金融财务系统中,每笔交易或账目发生时间的时标,是金融财务纠纷排解的重要的依据之一。在一些特殊的应用系统中,比如导航系统的信息处理系统,各种数据的时标不但是数据按时间排序的一个标志,而且时标的本身即是计算中的一个重要参数,这就需要具有较高精度的时标。计算机时间同步有基于NTP(NetworkTimeProtocol)或SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)的网络时间协议,这些网络时间协议都嵌入到目前较为流行的操作系统平台中,例如UNIX、LINIX和WindowsXP系统,能在广域的范围方便地实现跨平台的计算机时间同步。SNTP和NTP时间协议,在原理上都可达毫秒级的精度,但在实际的应用中,在广域网中的路由、网关和数据流量不均匀性的影响下,使得其时间同步精度受到限制,在一般的情况下,时间同步精度一般在1~100ms之间,因此,在对时间精度要求较高的应用场合,计算机网络时间同步的应用受到了限制。在要求计算机高精度时间同步的应用场合,比如导航系统的信息处理系统,可利用IRIG-B码来满足计算机高精度时间同步的需求。美国靶场仪器工作组(Inter-RangeInstrumentationGroup,IRIG)是美国美国靶场司令委员会(RangeCommandersCouncil,RRC)所属的负责制订靶场标准等工作的机构,IRIG-B时间码(B码)是IRIG所属的电讯和时间工作组(TelecommunicationsandTimingGroup,TCG)制订的一种串行时间码,它的帧长为1s,包含100个码元,码元的重复速率为100Hz;它采取脉宽调制方式编码,有3种宽度的码元,分别表示“0”、“1”和“P”,P为位置识别标志;码元的宽度为10ms,“0”的脉宽为2ms,“1”的脉宽为5ms,“P”的脉宽为8ms,每个码元的上升前沿即是标准时间的100pulse/s(PPS)起点,每10个码元有一个位置识别标志,分别为P1、P2、P3、…、P9、P0、PR,PR为帧参考点。B码以连续两个标志位开始,第一个为P0,第二个为PR,PR的上升沿即秒的起点(见图1)。自1960年在IRIG第104-60文档(IRIGDocument104-60)中描述了最初B码以来,针对各种的应用场合,目前已有各种的B码形式来满足各种应用需求,例如:B000、B003、B120、B122、B123、B150、B152、B153和IEEE1344-1995等,但其最基本的格式未变,只是对其中每个码元所含的信息实行了不同定义。由于B码的脉宽调制方式(总是以上升前沿作为码元的起点),每个码元的前沿在时间轴上有严格的时序关系,它是一种兼有时间信息量和时刻起点物理量的高精度时间同步码,可应用在各种高精度时间同步的场合。2实现两种连接功能这里所说的计算机群时间同步链,就是利用一种具有特殊功能的B码终端来实现,这种B码终端具有一定精度的守时功能、B码编码功能和B码解码功能,可进行雏菊链方式连接。在有B码输入时,对输入B码进行解码并实时校准本机时间,对计算机发送时间同步码,实时转发输入B码到B码输出端;在没有B码输入的情况下,利用本机的时钟,产生并输出B码及计算机时间同步码。2.1计算机接口配置B码终端雏菊链如图2所示,它们之间以直流B码连接,V.11接口,每个B码终端之间的传输距离可达1km;每个终端有17个计算机接口。根据前面所介绍的B码终端的功能,在雏菊链最前端的B码终端为主终端,后面所有B码终端则是从终端。在链路最前端有B码输入的情况下,所有终端输出的计算机时间同步码信息,来自于输入B码中的信息,如果没有B码输入,在整个同步链内,还是能够实现时间同步,而此时的实时时间信息来自于同步链的最前端的B码终端内部时钟源。2.2实现了及其物理层与数据链路层间的数据共享B码终端与计算机的接口采用RS-232通信接口。RS-232只有物理层和数据链路层,通过编写通信应用程序,可实现数据的双向访问,使得RS-232通信协议的应用层与物理层直接进行数据交换,这种实时性较好的数据通信协议,有利于计算机实现高精度的时间同步。2.3计算机的时间同步模块B码终端的计算机时间同步码输出格式如图3所示,以回车换行(CR,LF)结束,输出数据串的最后字节(LF)的停止位与B码的1PPS起点同步,同步精度小于等于0.5ms。这种时间信息的时序的特点是:在每个秒起点前,所有的时间信息已经送入了计算机,当计算机接收到换行符时(即秒起点),对接收到的所有信息在秒起点进行“确认”,实现计算机的时间同步。由于B码的本秒信息是在秒起点后,以每数据位10ms的时序以串行的方式发送,在对当前的B码信息解析完毕后,已经与实际的秒起点有了很大的时间滞后,如果在下一个秒起点发送到计算机,发送到计算机的实时时间信息就会滞后1s,因此,必需对从B码中解出的实时时间信息进行加一秒处理,这样,计算机在秒起点“确认”的即是本秒的实时时间信息。为了实现计算机的每秒32次的等间距的采样和计算的功能,B码终端还输出了一种每秒32次的等间距时间同步码,它是一个单字节的时间同步码,输出从1~32数码,第一个时间同步码的停止位与1PPS前沿同步,其后的每个时间同步码的停止位与32PPS的前沿同步,格式见图4。为了补偿计算机在采样计算处理的过程中的时延的不确定性,B码终端提供了对此时间同步码的相位调整功能,即第1个时间同步码的停止位,与1PPS前沿的相位可在±15ms范围内,以1ms的分辨率进行调整,其后的31个时间同步码亦做相应的相位调整。3到计算机时间同步码的信息为了实现在2.1节所述的时间同步链功能,B码终端不但要有B码解码功能,而且要有守时功能和B码编码功能。在有B码输入的情况下,终端转发输入B码到输出端,所有同步链内输出到计算机时间同步码的信息来自于同步链最前端的B码的信息,同时利用解码信息对本机实时钟进行校正,存储输入B码中的其它信息;当没有B码输入或传输出错时,启动B码编码功能,用本机的实时钟的信息填入到发送端的B码信息中去,同时转发存储的前次输入B码中的其它信息。这样,在没有B码输入的情况下,整个同步链内的所有计算机的时间,还是能保持同步,此时的实时时间信息,来自于同步链中最前端的B码终端内部的时钟。在同步链长到传输时延不可忽略的情况下,B码终端还可对输出的计算机时间同步码进行时延补偿,实现高精度的时间同步。3.1下一级b码终端B码终端由V.11标准接收器和发送器、B码编码器和解码器、时序控制器、实时钟和晶体振荡器、CPU、RS-232驱动器组成。B码终端接收V.11标准的直流B码信号,输出RS-232标准的计算机时间同步码和V.11标准的直流B码,用于计算机的同步和驱动下一级的B码终端,其原理框图见图5。图中,V.11标准接收器把接收到的V.11标准B码信号转换为TTL电平信号;B码解码器从B码中解出标准时间信息和1PPS,用于同步和校准机内实时钟;B码编码器在输入的B码中断时,利用内部时钟产生B码并发送到输出端;实时钟和晶体振荡器保持本机的时间和产生发送时间码和B码的时序信号;CPU对整个设备的工作进行控制,实现与遥控设备的通信,并按实时钟给定的时序产生计算机时间同步码和32PPS时间同步码;RS-232驱动器把CPU产生的计算机时间同步码转换为RS-232标准码,用于计算机时间同步;V.11发送器把编码器产生的TTL电平B码转换为V.11标准码。利用B码终端守时功能,在没有B码输入的情况下,终端也能发出计算机时间同步码以及B码。B码终端的解码器和编码器,是设备的核心部分,它集成在一片FPGA内。3.2sds信号的解码图6是B码解码器的原理。计数频率为10kPPS,B码脉冲使能(CE)计数器,当脉宽为2ms时,计数值小于45,数据比较器的大于45端口输出为“0”,即数据解码输出为“0”;当脉宽为5ms时,计数值大于45,在数据比较器的大于45端口输出为“1”,即数据解码输出为“1”;当脉宽为8ms时,计数值大于75,数据比较器的大于75端口输出为“1”,即数据解码输出为“P”。B码的后沿经延时后把“P”和数据锁存在“P”寄存器和“Data”寄存器,再延时后清除计数器等待下一次的解码;下一个的B码脉冲的前沿锁存数据“P”及“Data”寄存器数据到移位寄存器和“1”“2”寄存器;当出现连续两个“P”时,与门将输出“1”,启动÷99计数器,÷99计数器将会输出与B码PR相位一致的1PPS脉冲,此信号去同步由内部参考频率1MPPS驱动的分频器,同步后,分频器输出10kPPS、1kPPS、100PPS和1PPS与B码的1PPS同步。÷99计数器只有在与门输出“1”时才启动,如果没有B码输入或传输出错,与门没有“1”输出,÷99计数器将不会输出1PPS,分频器输出的各种时钟信号,将会以参考晶振的精度保持相位。当一帧(1s内的B码数据)数据全部移入移位寄存器后,分频器将会在1PPS后的90ms(即P0)处输出INT信号,通知CPU从Bdata数据总线取数,完成本帧数据的解码。解出的B码信息将对本机的实时钟进行校准,内部分频器的10kPPS、1kPPS、100PPS和1PPS被B码1PPS同步。B码终端输出的计算机时间同步码中的时间信息和时刻信息,来自与本机时钟的时间和时刻信息,由此时内部时钟已实现了与B码信息同步,计算机时间同步码中的时间信息和时刻信息亦与输入B码中时间信息和时刻信息相同。3.3b码同码元编码的时域输出在没有B码输入或传输出错的情况下,B码终端利用本机的时钟产生B码并发送到下级终端,这样能够继续保持整个计算机同步群内的时间同步。同时,利用本机的时钟实时时间信息和时刻信息,产生计算机时间同步码发送到计算机。图7是B码编码器的原理。输出B码中,实时时间信息来自于本机的时钟,其它信息来自于前次输入的B码中解析出的信息,CPU在P9时刻(即图6中所示的INT时刻),通过BData数据总线把数据全部写入到并入串出移位寄存器,当1PPS信号到来的时候,把第一个数据位移到D端,以后每一个100PPS脉冲按顺序移一位数据到D端,使数据选择器选通2ms或5ms脉冲使B码输出D触发器清“0”,此前100PPS已把B码输出D触发器置“1”了,这样就产生与移位寄存器内数据对应的B码数据序列;码元计数器被1PPS清“0”,它与码元编码器产生了时序如图7中所示的1PPS、100PPS、2ms、5ms和8ms脉冲信息,能产生宽度位2ms的“0”,宽度位5ms的“1”和宽度位8ms的“P”;0/9编码器在码元计数器为0,9,19,…,89,99计数值时输出“1”,使数据选择器选通8ms脉冲清“0”B码输出D触发器,产生8ms的“P”。需要强调的是在并入串出移位寄存器的一帧数据序列中,对应P0,…,P9,PR标志位的第0,9,19,…,89,99位的码元数据位必需保留,而这些位的值可以是任意的。当移位寄存器的这些数据位移到D端时,0/9编码器的输出将会屏蔽这些位的作用,选择8ms脉冲来形成“P”,但这些数据位的存在,保证了B码数据位的时间序列的正确。编码器中所用的时钟信号均来自于图6中所示的分频器,它的相位在输入B码正常时已被同步,当外接B码中断或出错时,也能在较长的一个时间段内,在一定的精度范围内保持其相位。在B码输入正常的时候,CPU控制一个选择开关把输入的B码直接转发到输出端;当控制程序发现输入B码中断或不正常,CPU控制选择开关把内部的B码编码器产生的B码切换到输出端,保持计算机群时间同步链的正常运行。3.4计算机时间同步码在B码输入正常的情况下,CPU在P9时刻(由INT触发),从B码解码器的移位寄存器中读出数据,解析这些数据,利用这些数据对内部时钟进行校正;准备好下一秒的计算机时间同步码信息,其中包括本机的实时时间信息和B码中解析出的其它信息。当没有B码输入或传输出错时,CPU在P9时刻把本机时间信息和前次从B码中解析出的信息按规定顺序的组合,写入到B码编码器中的移位寄存器;接着,准备好下一秒的计算机时间同步码信息,其中包括本机的实时时间信息和前次B码中解析出的其它信息。串口发送时序控制器控制串口数据的发送时序,使得计算机时间同步码的最后一个字节(LF)的停止位与1PPS同步。发送时序控制器是一个可移相的分频器,CPU可对它进行设置相位值,其分辨率可达1μs,相位值可在±0.5s内调整,当同步链长度引起的时延大到不可忽略时,这一特性可补偿这些时延。图6中所示的分频器具有移相功能,可通过CPU对其发相位控制指令,在有B码信号时,此相位值是相对于B码1PPS的相位偏移值,在没有B码输入时,可对分频器的输出的10kPPS、1kPPS、100PPS和1PPS信号进行相位调整,由于B码及计算机时间同步码与这些信号的关联性,也会实现相应的相位调整。3.5b码终端的监控接口B码终端内部的实时钟在断电的情况下也能保持正常运行,其时间精度维持能力为±1分钟/每月;对B码终端的各种设置参数,例如:时钟的设置、时延补偿的设置等,在设备关机后再开机时仍能够保持关机前设置的运行参数;在不断电的情况下,如果没有B码输入,B码终端内部的频率参考源能够保持10-6的定时精度,能在10min内保持1ms的时间同步。B码终端采用了增强型的RS-232驱动电路,以19200bit/s的传输速率以及较低的数据传输误码率,可实现与距离达30m远处计算机的数据