京准电钟：基于GPS与北斗高精度实时时钟的时间同步方法

京准电钟：基于GPS与北斗高精度实时时钟的时间同步方法

京准电钟：基于GPS与北斗高精度实时时钟的时间同步方法

使不同设备或系统的时问轴在同一时刻读数相一致的过程，被称为时间同步．时间同步广泛应用于航天测控、卫星遥感、军事靶场、视觉测量、电力运输等领域，具有重要意义 ．

目前时间同步的主要方法有全球定位系统(GPS+BDS)授时技术、同步以太网技术、精密时间协议(precision time protocol，PrrP)等，能够达到亚微秒级别的同步精度；一般高精度的时间同步方式都要求相应的高成本硬件支持。

．计算机时间系统时间刷新率为64 Hz，因此其时间的分辨率仅有15．625 ms．任晓乾等提出了基于PCI总线的Windows校时、定时方法和方案设计，利用时间源输入模块、CPLD功能模块、PCI数据模块的组合，能够达到毫秒量级的精度．宋崇汶等利用GPS对计算机的授时，直接通过串口使GPS和计算机数据、信号通信，授时精度优于1 ms．本文提出一种设备简单的计算机时间同步方法：

以GPS+BDS接收机的整秒脉冲信号和时间信息为高精度时间源，利用微控制器和实时时钟的时间模块保持高精度时间，计算机通过串口从时间模块获取高精度时间，并通过算法补偿信号传递延时，达到高精度的时间同步．

1 实现原理及方法
1．1 系统结构
GPS+BDS工作的时间基准是卫星时间，卫星时间的整秒时刻与世界时间基准一世界协调时间(coordinateduniversal time，UTC)的差异仅为纳秒级别 J．接收机在卫星条件足够的条件下，即能够搜索到至少4颗卫星时，与时间同步精度为纳秒级别 ．鉴于接收机时间的高精度，本文以接收机时间为时间基准．本文时间同步系统结构如图1所示，高精度实时时钟(real—time clock，RTC)和微控制器单元(micro controller unit，MCU)构成的时间模块，从接收机获取秒脉冲(pulse per second，PPS)信号，通过UART串口协议接收时间信息，完成与时间的同步．计算机通过RS232串口从时间模块获得时间并补偿，完成计算机的时间同步．秒脉冲信号是一个脉宽为1 ms的负脉冲，在脉冲的前沿时刻，即其时间的整秒时刻，接收机通过串口向外发送这一时刻的整秒信息．

1．2 时间模块的构成
时间模块主要由高精度实时时钟和高速MCU构成．实时时钟选用的DS3234是Maxim公司出品的超高精度温度补偿实时时钟芯片，在0—40℃条件下，保持精度高达±2×10～，在1 h内时间的漂移量为±7．2 ms；此外，实时时钟的电池备份供电设计，可以保证系统断电情况下可以维持高精度的时钟继续运行；因此，实时时钟具有极高的守时精度 J．高精度实时时钟的优点在于，在恶劣的条件下(山区、城市高楼
之间等)，卫星接收机难以接收到足够数量的卫星信号，此时，时间模块可以长时间保持最后一次与时间同步的精度，完成对计算机或其他设备的授时．RTC也能够通过编程产生自身的整秒脉冲，并依据卫星秒脉冲校准，作为计算机时间同步的时间源．RTC的秒脉冲前沿作为时间模块时间的整秒时刻，对于两个秒脉冲前沿之间的1整秒，采用MCU定时器精确延时，进行细分．细分的分辨率可以达到10 s．
MCU的作用还包括完成RTC与计算机之间的通信和部分数据处理．

1．3 串口通信延时的测量
MCU单元通过串口向计算机发送时间信息，此过程会产生一定的时间延迟，这将严重影响时间同步的精度．本文提出一种模拟精密时间协议时间同步的方法来测量时间延迟，并补偿．根据精密时间协议，要测量路径中传递的时间延时，必须满足3个前提条件：时间差的恒定性、传递时间的对称性以及时间戳的准确性¨ “ ．本文中，时间模块和计算机，在同步过程的毫秒数量级的时间内，时间轴的差异变化远远小于1 s，满足时间差恒定的条件．串口通信，同步双方发送和接收都使用相同的波特率，传递相同数据量的信息，所消耗的传递时间也是相等的，满足传递时间的对称性．在时间模块端，时间戳由高速MCU中断和定时器实现，准确度小于10个时钟周期，小于1 s；在计算机端，通过
性能计数器和频率函数QueryPerformanceCounter()和QueryPerformanceFrequency()，可以标记和设定精度优于1 s的时间点和时间延时_l ；因此，时间基准端和计算机端的时间戳精度都优于1 Ixs，在误差范围内，满足时间戳的准确性．因此本文中模拟精密时间协议时间同步方法的过程，满足上述3个前提条件，可以测量串口通信路径中的时间延时．

审核编辑 黄宇