CN102084314B - 包括基于查找表的同步的电子定时器系统 - Google Patents

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Abstract

一种电子时间或定时器系统包括：基于计数器的时间发生器（10），用于连续地生成原始基准时间；以及转化器，用于在原始基准时间和本地精确时间之间转化。基于计数器的时间发生器（10）由振荡器（200）驱动。该定时器系统还包括：温度传感器（300），放置在振荡器或者由振荡器使用的晶体附近；以及查找控制表（400），保存与表示可配置参数值A的对应控制值关联的温度值。当定时器系统与同步源同步以使得温度值和控制值是处于同步的定时器系统的操作特性时，生成查找控制表。该定时器系统也被配置成：当没有同步源可用时，从温度传感器（300）中读取温度值；并且基于该温度值，从查找控制表（400）中提取与该温度值的适当（量化）表示对应的控制值。然后定时器系统能够依据提取的控制值来配置参数变量A。

Description

包括基于查找表的同步的电子定时器系统
技术领域
本发明一般涉及电子定时器系统以及要求精确时间或频率的系统，并且更具体地涉及数据通信上的同步和/或精确定时信号的生成以及基于查找表的同步。
背景技术
一般而言，精确定时系统用于各种各样的技术应用中，例如为了使工业机器的动作同步、控制发电与配电、使电信网络中的数据流同步以及在无线电基站中生成精准频率。
电信基站需要同步以便使其无线电频率以及在一些情况下为其实时时钟时间保持在限制内。传统上，所需的非常精确的定时从自电信服务提供商的通信线路（所谓的E1/T1线路，以高度准确的帧速率每秒传递8000个数据帧）直接接收的数据流中进行提取。然而当回程数据通信量（traffic）使用分组交换时，该定时源不再存在。
GPS接收器可以提供所需的同步，但只有当它对天空一览无遗时才如此。比如同步以太网和IEEE 1588之类的技术正被考虑用于通过网络提供同步，但是在它们变成现实且可靠的解决方案之前它们要求基础设施投资。另一难题是电信服务提供商需要使用由独立的第三方拥有的基础设施以便获得基于分组的通信的全部成本优势。
可能必要的是考虑具有偶然中断的同步源，也许是两个或者更多此类不可靠源的组合。然而，不能接受基站操作的中断。单元中的振荡器被用来驱动用作精确频率及时间源的本地时钟，并且该振荡器需要足够稳定以不会在同步停止（outage）期间使频率变化太多。然而，高度稳定的振荡器是昂贵的。
原子钟太昂贵而不能用在小型基站中。作为代替，振荡器将使用石英晶体。石英晶体的谐振频率随寿命而缓慢地变化，对电路元件值和对驱动强度（以及因此对振荡器的供给电压）具有某种依赖性，并且最重要的是其取决于温度。
最昂贵的晶体振荡器使其晶体位于处在经调整的恒定温度的烤箱中（烤箱控制的晶体振荡器，即OCXO）。此类振荡器的成本将是小型基站的总元件成本中的很大一部分，至少对于可以只服务例如家庭中的几部移动电话的、所谓的毫微微蜂窝基站（femtocell）的最小单元是如此。
提高振荡器稳定性的一种不大昂贵的方式是添加自动地补偿温度变化的电路（温度补偿的晶体振荡器，即TCXO）。
此类温度补偿是不完美的。由于补偿电路不能达到将通常所需的精准特性并且由于不同单元中的元件值略有不同，所以保留某种温度依赖性。此外，老化仍是问题。因此，普通的TCXO是不够稳定的。
传统的时间分配使用以规则间隔发出时间信号（例如脉冲图形）的时钟功能。这可能伴随着指定时刻的消息或者与时间信号有关的等同信息。自动接收站点可以使用时间信号和相关数据来使它们的本地时钟同步。
现在，通信越来越多地、局部地和全局地使用分组交换。待传递的数据则被划分成通过网络进行传递的分组，在所述网络中它们与其它通信量正在共享通信链路并且可以被延迟变化的时间量。该延迟变化严重地限制了同步准确度，除非使用特殊的方法来对它们进行补偿。
所述站点可以是计算机或者嵌入式数字控制系统，在这种情况下站点中的软件可以用于控制同步过程。该软件可以包含用于接收和解释时间信息以及针对数据传递中的任何误差或者不准确进行调节的功能。该软件将负责使用接收的时间信息来调节本地时钟的设置和速度，使得其尽可能地与产生该时间信号的时钟同步。也将存在使得能够使用本地时钟的软件功能。如果存在本地操作系统和应用程序，则这些应该具有它们所需的对本地时钟时间值的访问。也可能存在由本地时钟直接控制的硬件接口，以便使事件在比用软件控制将可能达到的更精确的时间发生。举例来说，可能存在待由某个本地硬件装置使用的、再生精确时间信号的逻辑电路。
经由网络的时间的分配和定时信号的生成一般可应用于许多不同的技术应用中。例如，时间的分配对于与因特网连接的计算机是有用的。对于其它一些种类的网络节点，可能需要更高的准确度。一个示例是在其中数字控制的工厂机器可能需要一起工作的工业自动化领域中。另一重要领域是电信基础设施，例如用于移动电话的基站，在此不同的单元必须被很好地同步并且它们合成的无线电频率必须维持高准确度。
例如，考虑配有稳定时钟的“主站（master）”单元，其也许由来自GPS（全球定位系统）接收器的1 pps（脉冲/秒）时间信号保持准确。主站通过例如使因特网协议（IP）的分组网络向从站（slave）单元分配其时间信息。参见图1。
网络时间协议（NTP）是用于此类时间分配的标准协议，而IEEE 1588是用于更精确的时间分配的新标准协议，其目的是达到零点几微秒的准确度。
对于分组网络典型的是在从发送器到接收器的路径上分组被延迟。IEEE 1588协议可以对此进行调节，因为其包括一种基于在两个方向上是相同的假设来测量延迟时间的方法。正常在延迟时间中存在一些波动，并且控制算法应该通过如下操作来对此进行补偿：在其控制环中实施适当的滤波器特性，对正常波动进行平均，并且忽略错误数据以及任何的可能由于例如在网络中与分组的中间缓冲相冲突而引起的偶然异常延迟。
在图2中示意性地示出根据IEEE 1588的基本同步协议。主站向从站发送“同步消息”，每个同步消息后接着的是“跟随消息”，所述跟随消息包括告诉从站在同步消息离开主站时主站的时钟示出什么时间的“时间标记”。从站给同步消息的接收进行时间标记，并且计算用于接收和传输的时间标记之间的差值。如果从时钟具有与主时钟相同的速度，则该差值应该平均上是恒定的。如果该差值趋向于增大或减小，则从站应该调节其时钟的速度以抵消该趋势，使得平均差值保持恒定。
该平均差值应该等于平均延迟时间。从站通过向主站发送“延迟请求”消息来定期地测量延迟时间。从站给该消息的发送进行时间标记，而主站给接收进行时间标记，然后在“延迟响应”消息中向从站发送其时间标记。使用这些时间标记以及来自同步消息传输和接收的那些时间标记，从站然后计算前向和反向延迟测量之和。从站自己的时钟时间中的任何误差在该计算中被消除，原因在于其将在一起相加的两个差值中具有相反的符号。然后该和除以2，从而得到在包括随机波动的延迟在两个方向上是相等的情况下将是实际延迟时间的结果。应该从该值中减去先前测量的同步消息差值，以便获得应该被添加到从时钟的校正值（正的校正值应该使其时间向前移动），其中该值是每个同步消息的从时间标记和主时间标记之间的期望差值。通常，校正值在被施加之前被滤波，以便整平随机抖动。此外，由网络上较不常见的冲突事件引起的非典型值可以被忽略或者在平均滤波器中被赋予较低权重。如果所得到的校正值是负的，则从站递减或者推迟其时钟，而如果校正值是正的，则从站使其时钟提前直到针对同步消息的平均差值变成等于针对延迟请求消息的所测量差值（并且从而也等于计算的实际延迟时间）为止。使用两个反馈环：一个只使用来自较为频繁的同步消息的数据，并且控制本地时钟的速度，基本上尽力使测量的主站-从站延迟保持恒定。另一个具有慢得多的调整，也使用不大频繁的延迟请求测量，并且控制时钟的相位，使得其不仅具有与主时钟相同的速度而且还示出相同的时间。注意：与主站相比，改变该速度将及时改变时间值；以及因此，只调整速度可能就足够了。然后通过有意地使频率运行得高一点或者低一点直到获得期望的相位改变为止，来实现相位的改变。这样，本地精确时间将具有有时重要的单调性质，其变化率可以只在给定的限制内变化。
如果不使用特殊的硬件，则主站和从站中的软件中正常不可预测的延迟是全部路径延迟中不确定性的一部分。然而，IEEE 1588标准描述了一种通过在物理接口处进行时间标记来消除不确定性的该部分的方式。参见图3，其示出主站和从站的分层表示。PHY表示物理层并且是电气接口，在传输和接收时，通常在该接口处分别生成模拟信号并对模拟信号解码。MAC是介质访问控制层，通常是数字硬件子系统，并且上面的层是软件。IP（因特网协议）和UDP（用户数据报协议）是例如在因特网上使用的标准分组通信协议的一部分，而PTP是由IEEE 1588指定的特殊精确时间协议。通过软件的延迟时间通常取决于很多因素，还取决于共享处理器时间的不相关活动，并且将不可预测地变化。特殊的时间标记硬件注册在SFD（帧开始定界符）字节从MAC传送到PHY（在传输时）并且从PHY传送到MAC（在接收时）时的时间，并且把IEEE 1588帧的注册时间标记传送上至PTP协议软件。
在这些系统中，时钟一般由足够稳定的振荡器和某一种类的由振荡器推进的硬件计数器组成。振荡器频率需要很高，以便获得典型具有基于IEEE 1588的系统的精密精度：10 ns的精度要求100 MHz的频率。计数器可以是简单计数器，即其针对每个循环在其最低有效位位置中改变1的计数器，被布置成以期望的格式直接示出时间，例如如果需要二进制纳秒值，则以8纳秒或16纳秒为单位直接示出时间。
这也可以通过具有可控振荡器来完成，所述可控振荡器可以由协议反馈环进行控制以恰好具有期望的频率，例如1000MHz/8=125 MHz。对于该高频，振荡器将可能被后面有锁相环（PLL）的低频振荡器所替代。对可变频率的要求可能增加低成本从站系统的成本，并且可能难以与主时钟的高稳定性要求组合。
一些设备制造商使用的可选方案是使用由固定频率振荡器或者固定频率振荡器和PLL的组合组成的时钟信号源，并且使计数器由累加寄存器、加法器和增量寄存器组成，并且在时钟信号的每个循环中将增量寄存器内容添加到累加寄存器。有时将该解决方案称作基于加法器的时间发生器。增量值然后可以代替振荡器频率而被调节。非常小的调节必须是可能的。如果要求下至十亿分之一（每秒1纳秒）的调节步长，则该增量必须具有至少30个小数位，即二进制小数点右边的位位置。缺点是在该高频下操作的该宽硬件的功耗。
美国专利7,024,579涉及一种可配置定时系统，其具有经由软件可编程寄存器互联以执行计数操作的多个定时单元。
美国专利7,292,109涉及一种自动校准的时基装置。
US 2007/0291676 A1涉及一种具有用于维持自主系统时钟准确度的系统的移动无线电终端。
US 6,157,957涉及一种使用通信网络的连续变换功能的时钟同步系统和方法。
GB 2,392,353涉及一种用于横跨分组网络分配定时数据的方法和装置。
US 2002/0176194 A1涉及一种用在锁相环中的高速可编程同步计数器。
如提及的，通过IEEE 1588，以规则间隔接收时间标记的同步消息，并且这些时间标记被用作数字伺服环（PI控制器）的输入以使本地时钟同步，从而产生以纳秒计的“精确时间”。IEEE 1588协议允许测量从“主站”（发送同步消息的时间服务器）到“从站”即到接收基站的延迟时间，并且在规范（discipline）本地时钟时考虑到该延迟时间。
来自GPS的同步输入是每秒一个脉冲，伴随着关于对该脉冲有效的“时刻”的信息。使用相同或者类似的伺服环，这些脉冲可以用来规范本地时钟。即使GPS脉冲可以更直接地用于下面描述的目的，PI控制器也将通过降低GPS信号中的抖动效应来改善结果。因此，在下文中假设即使/当从GPS接收同步时，使用经规范的本地精确时间时钟。这也将容许使用可能具有不可用性周期的其它同步源，比如GPS。
如果E1/T1线路可用—即便不用于数据通信，则其可以代替GPS被使用。然后，时间脉冲将由逻辑电路从E1/T1信号生成，并且用来规范本地精确时间时钟。
另一种可能的定时源可以是针对来自最近的GSM基站（固定的较大基站，即宏单元，不是将使用这里待同步的本地精确时间时钟的小型装置）的GSM（全球移动通信系统）下行链路的接收器和解调器。用此进行精确时间同步将要求知道传输器和接收器之间的无线电波的延迟时间，即知道它们之间的距离。如果只是为了保持正确的本地振荡器频率而需要同步，则这将不被要求。
当接收同步时，本地时钟具有非常良好的长期稳定性—它不漂移，而如果本地时钟由自由运行的振荡器驱动，则其在没有同步的情况下将漂移。
用于本地时钟的振荡器可以是（总是）自由运行的，或者可以其可以由处理器控制—在这种情况中我们假设它是处理IEEE 1588和/或GPS的相同处理器。
在第一情况中，通常（或许经由增大频率的PLL间接地）使用振荡器来时控数字电路，该数字电路在每个循环中将寄存器的内容添加到累加寄存器。累加器内容表示精确时间。让我们假设这以纳秒计（如在IEEE 1588标准中）。第一寄存器包含增量，该增量应该等于每个时钟周期的长度（以纳秒计）。该增量具有许多额外的小数位，并且处理器可以使其变化并使增量稍微大于或者小于标称时钟周期，以便补偿振荡器频率中的误差和/或暂时加快或减慢时钟以调节本地精确时间。以此方式，可以规范本地“精确时间时钟”。伺服系统将因此控制增量寄存器的内容。
在第二情况中，伺服系统控制振荡器的调谐输入，并且增量是固定的。
当失去（通过上面任何方法进行的）同步时，伺服系统不能计算要补偿的任何误差。只要振荡器频率不是恰好具有其为了时钟示出正确时间而必须具有的这个频率，精确时间时钟就将开始漂移。如果存在频率误差，则将存在增大的时间误差。
发明内容
基本思想是提供一种电子时间或定时器系统，其具有：基于计数器的时间发生器，用于连续且直接地生成原始基准时间；以及转化器，在需要时会被用于在定时器系统的表示为tr的原始基准时间和表示为tp的本地精确时间之间转化。转化器优选被配置用于基于以下关系式进行操作：
tp = A·tr + B，
其中A和B是可配置的参数值。
这种新颖设计实现简单且经济有效的实际实施方式，并且还支持定时器系统的功率有效操作。
在第一示例性方面中，定时器系统可以用于通过响应于诸如触发脉冲之类的外部事件从基于计数器的时间发生器中捕获原始基准时间值以及如果需要则使用转化器从原始基准时间值和参数值A、B中计算本地精确时间，来生成本地精确时间。
是否需要进行转化可以取决于各条件，例如取决于已被时间标记的以太网帧的内容。
在第二示例性方面中，定时器系统可以用于通过定义期望定时事件的精确时间、然后使用转化器基于定义的精确时间用当前的参数值A、B来计算一致（coincidence）值作为相应的原始基准时间值、并且在基于计数器的时间发生器的连续生成的原始基准时间的值等于计算的一致值时（在此循环中）生成定时的输出信号（输出信号中的跃迁），来生成精确定时的输出信号。
在进一步发展中，本发明增大了基站或类似设备或装置在不接收同步的情况下可以操作的时间。其可以与任何种类的振荡器诸如OCXO或者TCXO或者简单的未补偿晶体振荡器一起使用。
如果同步是通过GPS提供的，则通常包括处理器。如果使用IEEE 1588，则情况通常也是如此。如果系统被设计成使得可以使用这些方法中的任一方法，则这些功能可以由相同的处理器或由不同的处理器执行。在示例性实施例中，可以假设是其相同的处理器，即使这对本发明并不重要。
处理器可以配有程序，该程序在失去同步源，即来自GPS的时间脉冲时将转向其它一些同步源（如果可用的话）。如果本地时钟已经具有来自在例如GPS可用时的正确时间，则可以仅提供准确频率（不是绝对时间）的源将足以。
温度传感器被放置在振荡器或者振荡器使用的晶体附近，即接近或者接触振荡器或者晶体。处理器监控从传感器导出的且因此表示温度的变量TV。在示例性实施例中，可以假设其是也用于IEEE 1588和GPS的相同（尽管不是必要的）处理器。当系统在所谓的数据采集及表构建阶段中被同步时，在不同的时机（occasion）下感测温度。每个温度读数正常被A/D变换器数字化，然后数字温度值被变换/量化为适当量化的温度值TV，其优选地用于寻址在用于存储表示用于控制频率的当前频率控制输出变量的相关控制变量CV的存储器中的查找控制表中的单元。
在失去同步时，系统从数据采集及表构建阶段切换到所谓的基于表的控制阶段。在此阶段中，从传感器中读取温度值并且将温度值变换成量化形式作为量化的温度值TV，该量化的温度值可以用来从在存储器中先前构建的查找表中提取对应的控制值CV。提取的控制值CV然后被用作同步系统的频率控制输出。
举例来说，对于本发明，其提出在数据采集及表构建阶段期间存储上面参数A作为控制值CV并且使用从查找表中提取的控制值CV作为上面公式中的A，以用于生成本地精确时间或以便在基于表的控制阶段期间生成精确定时的输出信号。更一般地，存储在查找表中的控制值表示参数值A，并且当没有同步源可用时，基于提取的控制值来配置参数变量A。
具有使用温度传感器的基于查找表的时间同步的集成设计的本发明尤其可应用于基站中。
附图说明
参照连同附图一起进行的以下描述，将更好地理解本发明以及其进一步的目的和优点，在附图中：
图1是图解说明主站-从站设置中的时间分配的示例的示意图。
图2是图解说明IEEE 1588标准的基本同步协议的示意图。
图3是图解说明时间分配系统中的主站和从站的分层表示的示意图。
图4A是图解说明根据本发明的优选示例性实施例的用于从原始基准时间生成精确时间的电子定时器系统的示意图。
图4B是图解说明根据本发明的优选示例性实施例的用于生成定时的输出信号的电子定时器系统的示意图。
图5是图解说明根据本发明的优选实施例的定时器系统的特定示例性实施方式的示意方框图。
图6是根据本发明的优选示例性实施例的用于生成精确时间的方法的示意流程图。
图7是根据本发明的优选示例性实施例的用于生成精确定时的输出信号的方法的示意流程图。
图8A-8B是一起图解说明可以用于时间分配应用的组合硬件/软件系统的示例的示意图。
图9是图解说明如何在不增大计算宽度的情况下提高精度的示例的示意方框图。
图10是图解说明如何可以生成可以具有比第一输出更高的频率的第二输出的示例的示意方框图。
图11是图解说明要与定时器系统和/或时间同步系统一起使用的用于同步的基于查找表的系统的示意方框图。
图12是图解说明本发明的示例性实施例的所谓的数据采集及表构建阶段的示意流程图。
图13是图解说明本发明的示例性实施例的所谓的基于表的控制阶段的示意流程图。
图14是图解说明根据本发明的优选示例性实施例的电子时钟/时间/定时器系统的示意方框图。
具体实施方式
电子时钟（即时间或定时器系统）传统上要么具有带可调节频率和相位（即时间）的高频振荡器和计数器，要么具有通常带长小数部分的可调节增量，并且具有以固定（不受控制的）频率将该增量添加到累加寄存器的加法器。在本发明中，可以在不改变振荡器频率的情况下调节本地时钟。此外，本发明使得能够使用针对每个循环以1（向上或向下）步进的简单计数器。
根据优选示例性实现方式的电子时间或定时器系统包括：基于计数器的时间发生器，用于连续生成原始基准时间；以及转化器，用于在原始基准时间和本地精确时间之间转化。优选地，转化器被配置成根据以下关系式操作：
tp = A·tr + B,
其中定时器系统的本地精确时间表示为tp，定时器系统的原始基准时间表示为tr，并且A和B是控制本地时钟的可配置参数值。例如，A控制本地“虚拟”时钟的速度而B控制当前时间的设置。
图4A是图解说明根据本发明的优选示例性实施例的用于从原始基准时间生成精确时间的电子定时器系统的示意图。在这种情形下，定时器系统被配置成用于响应于诸如触发脉冲TRIGGER之类的外部事件而从基于计数器的时间发生器10中捕获原始基准时间值。定时器系统的转化器20将捕获的原始基准时间值连同参数值A和B一起作为输入，以生成本地精确时间。
图4B是图解说明根据本发明的优选示例性实施例的用于生成定时的输出信号的电子定时器系统的示意图。在这种情形下，转化器20将期望定时事件的定义的精确时间连同参数值A和B一起作为输入，以计算所谓的一致值作为对应的原始基准时间值。然后，在比较器30中将由转化器20生成的一致值与基于计数器的时间发生器10的原始基准时间值连续地比较。当基于计数器的时间发生器10的连续生成的原始时间基准值等于计算的一致值时，生成定时的输出信号。
从原始基准时间和精确时间之间的给定关系，可以将原始基准时间表达为：
tr = (tp - B)/A。
可以将上式改写为：
tr = tp/A - B/A = C·tp - D,
其中C=1/A并且D=B/A。
在优选示例性实施例中，因为乘法比除法要执行更快得多，所以在实际实施方式中使用表达式tr = C·tp - D。参数C和D基于参数值A和B被计算并存储以在和当需要时使用。它们正常是高精度数。
由本发明提出的独特设计原理允许简单且经济有效的实施方式，并且也允许定时器系统的功率高效操作。
例如，转化器可以由适当处理器中的程序代码，优选地使用处理器的现有算术资源来实施。优选但不必要地，可以在单个微控制器芯片上实施整个定时器系统。例如，可以使用微代码编程的处理器，并且微控制器芯片然后优选地包括微代码编程的处理器，其具有用于微代码的微程序存储器和处理器内核。在优选实施方式中，编程控制的最低级，即最靠近硬件且时间要求最苛刻的级，由微代码编程的处理器（例如，MAC逻辑和时间标记）中的专用微代码执行。
不过应该理解，使用软件和硬件逻辑的任何适当组合，本发明的定时器系统的不同实施方式是可能的。
本发明使用新的且真正独特的原理。其允许使用不必是可调节的廉价振荡器，并且仅要求非常少的需要在高频率下操作的硬件。
不必使用专用加法器。作为代替，处理器的普通算术资源可以用于所需的计算。
一般需要硬件计数器，但是仅要求最简单种类的不需要设置且在每个振荡器循环中简单地递增/递减1的计数器。当然，可以使用更高级的基于计数器的时间发生器，但是本发明使得使用非常简单的计数器成为可能。在优选实施方式中，该计数器也是相对短的；可以把用于较高有效位位置的延续部分（continuation）保持在存储器中，如图5的示例中示意性图解说明的。
因此，基于计数器的时间发生器10可以基于用于原始基准时间的较低有效位（LSB）的硬件计数器12与存储器（诸如处理器的存储器14）中用于较高有效位（MSB）的原始基准时间的延续部分结合。硬件计数器12正常由振荡器（未示出）驱动，并且通常存储器14中原始基准时间的延续部分在计数器绕回（wrap around）时（即在计数器序列再次重新开始时）被定期更新。
计数器，包括其在存储器中的较高有效延续部分，通常被说成包含“原始时间”。图5的示例性实施方式的时钟功能优选地包括硬件和软件的组合。如提及的，可以以微代码有利地实施逻辑20，不过其它的软件实现方式（以及纯硬件实现方式）是可能的。
本发明的示例性实施例的特性是“软件”既不控制振荡器频率也不控制计数器的内容。作为代替，逻辑20（软件和/或硬件）由两个参数值控制，所述两个参数值定义原始时间和精确时间之间的关系并且在需要改变本地精确时间时钟的速度或者时间值时被修改。此类转化仅在需要时进行—这是相对不频繁的并且可以由处理器的标准资源执行。以此方式，与现有技术解决方案相比，可以降低定时器系统的功耗。注意：本地精确时间时钟在其不是连续可访问的意义上讲是虚拟时钟；在需要时必须计算其时间值。换言之，转化器是按需触发的。
举例来说，软件程序可以如上面所述的那样使用IEEE 1588原理来测量频率和相位误差、过滤它们和组合它们，并且因此以大约规则间隔计算期望的频率变化，所述频率变化要通过改变参数值而施加到虚拟本地精确时间时钟。注意：在该特定示例中必须一起改变A和B两者以使本地精确时间是单调的。调节A以得到原始时间和本地精确时间之间的期望“速度”比，然后改变B以使得tp = A×tr + B （具有在变化时的tp和tr）在变化后的值与其在变化前的值相同。
包括计数器12的硬件可以是微控制器芯片的一部分，该微控制器芯片也执行时钟功能的软件部分。此外，该示例性解决方案的优选特性是硬件定时器所需的特殊功能具有一般种类并且也可用于其它的微控制器应用。
在优选示例性实施例中，两个寄存器24，25保存称作A和B的参数，并且在和当需要时逻辑20可以在原始时间和本地精确时间之间转化。当转化器逻辑20以微代码或其它适当的程序代码被实施时，一种高效的实施选项是使用现有的算术资源（诸如中央处理单元（CPU）的算术逻辑单元（ALU）22）进行计算。
图6是根据本发明的优选示例性实施例的用于生成精确时间的方法的示意流程图。如步骤S1所指示的，在连续的基础上生成原始基准时间。如步骤S2所指示的，响应于诸如触发脉冲之类的外部事件，捕获原始基准时间值。如步骤S3所指示的，然后时钟功能可以计算：
tp = A·tr + B,
其中tr是由基于计数器的时间发生器提供的捕获的原始时间。结果tp是时钟的本地时间，即在应用程序将发出得到时间的调用的情况下其将作为响应所报告的精确时间。优选地，然而在需要时才执行该计算，即对于大多数时间，该本地精确时间只是“虚拟的”。
优选地通过改变参数寄存器B的内容，完成对时间的设置。通过改变参数寄存器A的内容，基本上完成时钟速度的调节。然而，正常必要的是在A变化时也调节B；否则，当前的（虚拟的）时间值将变化。
图7是根据本发明的优选示例性实施例的用于生成精确定时的输出信号的方法的示意流程图。
用以下方式生成定时的输出信号。如步骤S11所指示的，在连续的基础上生成原始基准时间。在步骤S12中确定针对期望定时事件诸如下一输出信号跃迁（例如脉冲开始）的精确时间tp。然后这在步骤S13中通过计算被变换成原始时间:
tr = (tp - B)/ A。
如先前指示的，对于高效的实施方式，原始时间被优选地计算为C·tp - D，其中C=1/A并且D=B/A。参数C和D通常被预先计算并存储，因此它们可以被多次使用。这意味着在计算原始时间值时执行乘法而不是除法。参数C和D可以在改变参数A和B时或者在改变了A和B之后首次需要它们时进行更新。
然后把tr值加载到一致寄存器中。一致寄存器连接到比较器，该比较器将其与原始时间计数器连续地比较，并且当它们相等时（即在一致时），该逻辑执行所需的输出跃迁，如步骤S14所指示的。也可以生成中断请求，指示该逻辑可以现在计算并且加载下一一致值。
如提及的，本发明一般可应用于时间控制和/或用于生成定时的输出信号。例如，提出的定时器系统可以被配置用于时间分配应用，诸如网络时间协议（NTP）和IEEE 1588精确时间协议（PTP）应用。
图8A-8B是一起图解说明可以用于时间分配应用的组合硬件/软件系统的示例的示意图。图8A主要指示出整个系统的硬件逻辑部分，而图8B主要指示出系统的软件部分。硬件部分基于振荡器驱动的计数器以及相关的寄存器和比较器。计数器例如经由锁相环由参考振荡器以166.7 MHz驱动。通信栈优选地基于以太网/UDP/IP，同步是PTP（精确时间协议）引擎软件，并且微代码（例如时间标记过滤器）优选地适于IEEE 1588。
代替以166.7 MHz驱动计数器并且使用16.67 MHz晶体，可以使用其它的时钟频率和晶体。例如，晶体可以是20 MHz晶体并且时钟频率可以是200 MHz。也可以使用预定标器（pre-scaler），其将时钟频率向下变换因子N（例如从200 MHz向下变换4倍到50 MHz）。
在下文中，将描述根据本发明的特定示例性实施例的实施方式。
在该特定实施方式中，使用微代码编程的处理器，其对于以低功耗达到高精度是有用的但不是必要条件。
一般而言，微代码编程的处理器是一种处理器，其中该处理器的一般标准操作由内部微程序存储器中的微代码字序列控制。不应该将其与措辞“微处理器”混淆，后者简单意味着该处理器被构建为集成电路。自然，微代码编程的处理器也可以被构建为集成电路，但是按照定义，微处理器未配有用于控制其内部操作的微程序。
微代码程序及其部分有时简称为微代码。对于微代码编程的处理器（有时称作CISC处理器，即复杂指令集计算机）正常的是，处理器的指令系统（repertoire）或者ISA（指令集架构）中定义的指令由处理器中的内部ROM（只读存储器）中的微代码执行。在该特定实施方式中使用的处理器中，微代码存储器的一部分是可写RAM（随机存取存储器），其为优点和特殊功能的使能器但不是必要条件。
在该优选实施方式中，使用可配置的定时器系统。其可以包括几个定时器并且是微控制器芯片的一部分，该微控制器芯片也包含带其微程序存储器的处理器内核。
优选地由专用微代码执行编程控制的最低级，即最靠近硬件且时间要求最苛刻的级。示例是以太网MAC层（除了为专用硬件的其部分）。时间标记也是示例。
编程控制的下一级在机器码即包括ISA中定义的且以汇编语言开发的指令的、（处理器外部的）主存储器中的程序代码中。顶级也是机器码，不过其是以高级语言开发的。例如，可以以汇编代码实施用于实际转化的逻辑。
在进一步示例中，仍参照图8A-8B，10位计数器重复地计数1024个步长序列并且每当其达到值0或512时生成微程序中断请求。在这些中断时，微程序使存储器中的延续（较高有效部分）计数值递增。该过程创建“原始时间”，其为64位长：格式是15纳秒时钟报时信号（tick）的63位计数，其中第9位（10位硬件计数器的最高有效位）复制到第10位中。把计数器的硬件部分的最高有效位复制到计数器的软件部分的最低位的原因是能够（通过两个位位置不同的事实）确定在进行了硬件时间标记（其可以在由较高级软件处理时间标记的情况下发生）之后软件部分已被递增并且能够建立靠近计数器重叠（wrap）的一致值（参见下面）。
当时间标记脉冲到达时，10位寄存器被布置成拷贝10位计数器的内容。在SFD字节传递到以太网PHY接口或从以太网PHY接口传递时，在以太网MAC逻辑中生成该脉冲。该脉冲也向微程序生成中断请求，微程序然后将读取寄存器并且把其连同其较高有效延续部分一起作为时间标记经由存储器中的队列向上传送至软件。当从寄存器读取时，时间标记处于原始时间中，但是如先前所描述的，微代码将其变换成精确时间值，然后将该精确时间传送到软件层。时间标记也由微代码鉴定：如果它们结果不是由“同步”消息的传输或者“延迟响应”消息的接收所引起的，则丢弃它们。未被丢弃的那些连同关于消息的相关数据一起排序成队列。
可以用以下方式执行精确时间信号从本地时钟的生成：
定时器系统硬件被配置以使得：10位计数器中的值与10位一致寄存器的内容连续地比较，并且在一致时，即当它们的内容相等时，输出端改变状态并且微程序中断请求被生成。微代码然后将计算在输出的下一跃迁时10位计数器的内容将是什么，并且将该值加载到一致寄存器中。一致也将以较高有效延续部分相等为条件，并且微代码负责该比较部分。
在任选的扩展方案中，定时器系统被配置用于以预定间隔抑制基于计数器的时间发生器的计数器的递增以提高原始基准时间的精度。这表示一种在不增加计算宽度（位数）的情况下提高精度的方式。优选地，本地时钟的速度通过如所描述的那样调节参数A（漂移设置）而首先被设置。如果该参数由于其有限的位数而不能恰好如所期望的那样设置，则其正常被设置为使虚拟本地精确时间时钟比其应该的更快的最接近值。如果设置的分辨率以十亿分之一（即每秒纳秒）计，则通过让一个控制位判定是否抑制每2秒原始时间的一次递增，可以达到多一位的精度。通过让第二控制位判定是否抑制每4秒原始时间的一次附加递增，可以达到另一位的精度，以此类推。这可以由触发器（flip-flop）简单地实现，所述触发器可以由软件调用进行设置。当其已被设置时，它针对恰好一个时钟循环而禁用定时器的时控，然后再次被复位。可以参照图9。“设置”输入必须与时钟信号C同步，该时钟信号C是也驱动计数器的时钟信号。例如每秒触发一次的软件例程确定何时循环应被抑制。
图10描述如何可以生成第二输出。这个添加的硬件可以生成可以具有比第一输出的更高的频率的精确时间信号，原因在于其不需要针对输出上的每次跃迁的来自处理器的动作。可选地，其可以在由应用程序指定的给定时间上生成脉冲。使用第二计数器。该计数器每当其达到零时从寄存器被重新加载，因此计数器重叠（lap）的频率由寄存器内容确定。输出的相位由连接到第二计数器的第二一致寄存器的内容单独地控制。计数器计数与第一计数器相同的时钟脉冲。即其计数原始时间单元。因此，如上面所描述的，必须通过从精确时间进行变换来计算寄存器的设置。
在进一步发展中，本发明增大了基站或类似设备或装置可以在不接收同步的情况下操作的时间。其可以与任何种类的振荡器诸如OCXO或者TCXO或者简单的未补偿晶体振荡器一起使用。
温度传感器被放置在振荡器或者由振荡器使用的晶体附近，即接近或接触振荡器或者晶体。处理器监控从传感器导出的温度变量TV。TV可以是优选以单调方式表示温度的数字值，但是不要求我们知道精准相关性。
基站正常要求总是操作的或者几乎总是操作的，即其在同步可用时的大部分时间期间将是操作的。
在系统被同步的时间期间，处理器例如以规则时间间隔输入并存储TV的适当量化值，并且每当其进行此操作时其也把控制变量CV的值（变量特性）存储到其频率控制的输出。
例如，如果使用加法器原理，则存储当前的增量值将是适当的。另一方面，如果使用振荡器上的调谐输入，则存储用于驱动该输入的值反而将是适当的。
当然也可以组合这两种控制方法，也许以便达到更精细的分辨率即更平滑的控制或者增大的范围。在组合的情况下，可能关注的是存储这两个值或者通过以适合的方式（即分别以增大的分辨率或者更大的范围产生值的方式）组合它们并且使用该合并值作为变量CV而产生的值。
使用记录的数值集，处理器在其存储器中构建查找控制表，其描述控制变量CV通常如何随TV变化。TV将被量化成适当数目的离散可能值，并且该表具有针对每个此类TV值的CV条目。例如，来自温度传感器的每个温度读数正常由结合温度传感器提供的A/D变换器数字化，并且变换成量化形式以与控制变量CV的当前值关联地存储在查找控制表中。
图11是图解说明要与如先前提到的电子时间或者定时器系统和/或时间同步系统一起使用的基于查找表的系统的示意方框图。该系统相对于振荡器200或者由振荡器使用的晶体被布置，并且包括：温度传感器300，用于感测振荡器/晶体200附近的温度；以及处理器100，其与基于存储器的查找表400交互，在该查找表400中控制值CV与适当量化的温度值TV关联地存储。
如上面所指示的，查找控制表优选地包括用于保存表示在不同温度下参数变量A的控制值的许多单元，其中这些单元借助于相应的量化温度值而可寻址。
例如，设备的指定操作温度范围可以是0..70摄氏度，并且经由针对该范围的模-数变换器的来自温度传感器的预期数字输入可以是十六进制数030.. 22F，即十进制48..559，这意味着可以预期512个不同数。这些数应该以优选不太远离线性函数的单调方式表示温度，但是不需要精准地知道相关性。假设128个条目的表大小被认为是适当的。在读取此类值后，程序将减去48并进行整除4，因此获得在范围0..127（十进制）内的数，其适于用作表索引。如果传感器具有已知的非线性特性，则所需的转换反而可以是非线性的以补偿预期的传感器特性。现在，假设使用所描述的线性转换。20摄氏度的温度可以导致194（十进制）的数字输入，这将在访问该表以存储控制变量时使用36的表索引。在另一采样时间，温度可以是27度，并且这可以导致245的数字输入，这将导致寻址具有索引49的表单元。
每当在表构建阶段中如此寻址表时，在寻址的单元中写入值。这应该是可以从其获得控制变量的值。通常，对控制变量的调节是非常小的（可以是十亿分之几），因此存储期望值和已知常数之间的差值可能是适当的。
在许多时机下重复所描述的过程以建立查找表。具有已遇到的最高和最低索引的单元的内容应该优选地被分别拷贝到较高和较低索引单元（如果有的话）。应该给还没有遇到的索引值赋予这样的值，使得作为索引的函数的表值是单调函数。为了保证如此，每个表条目也应该具有标明是否已遇到对应的温度范围的标志。在优选实施例中，软件例程更新任何相邻的单元以及与它们相邻的单元，如果这些单元对应于未遇到的索引的话，其中该软件例程在每次写入与未遇到的索引对应的单元中之后被调用。如果这个单元或者这些单元在确实对应于遇到的索引值的两个单元之间，即这个单元或这些单元不表示遇到的最高之上或者最低之下的温度，则该例程用这两个单元的内插值来填充它们。
稍后，当没有同步源可用时，查找表可以用于通过读取温度值、量化温度值并且使用该量化值以寻址该表中的相应单元来提取控制值的连续、不间断控制。例如，如果温度的数字输入值是194，则36的表索引将被计算并被用来寻址查找表中的正确单元以得到相关的控制值。
调整不能是完全平滑的，原因在于其优选地是数字（基于具有有限分辨率的数）和采样（例如每秒一次）而不是连续控制。因此，控制变量CV正常将来回振荡，即包含一定程度的噪声。其也可能由于温度以外的其它原因而缓慢地变化。对于当前TV表索引，不是让每个新CV表值替代旧CV表值，它们可以例如以部分保留历史的方式被组合，例如新条目可以被计算为p*（最近CV）+（1-p）*（旧条目），其中p是在0和1之间的数，其确定该组合中CV的最近样本的相对权重。如上面所描述的，如果表存储CV和已知常数之间的差值，则出于实际原因，该计算应该优选地对表值进行，即不是对实际的CV值进行。其它许多公式可以可选地用于该滤波过程。该过程目的是使用最近信息，但是通过在更新表时考虑到最近值的平均来滤掉一些噪声。换言之，系统优选地被配置用于针对查找控制表中的多个单元中的每个单元，基于预定温度下参数变量A的当前值以及还有参数变量A的一个或者多个较旧值的加权平均来更新表示参数变量A的控制值。
由于老化造成的晶体谐振频率的缓慢变化是正常的，并且如果充分熟知该过程，则其可以用作为预测的基础，由此可以改进基于非常旧测量的表条目。如果事先不知道，则可以通过采集表值的发展统计来测量缓慢趋势。可以以规则时机保存针对最普通的中的一个或一些的CV值，并且可以通过外插或者某种其它常用的预测方法进行预测。该结果然后将用于例如在相同的时机下对单元中与最近没有遇到的TV值对应的CV值进行调节。这将要求每个表条目包含粗略的时间标记，例如用于最后遇到该TV值的星期数的代码。
如果没有同步源可用，则程序将使用该表进行连续的控制，即其将如伺服系统将进行的那样改变控制值并因此改变时钟的速度，但是其将基于从温度传感器中读取温度值并且使用该温度值的适当表示在表中找到对应的控制值CV来完成此操作。提取的控制值CV然后应用于频率控制。
在优选实施例中，程序跟踪已注册的TV的最高值和最低值。当遇到比先前最高值更高的TV值时，其将对应的CV值不仅填入到与该TV值对应的表条目中，而且填入到用于更高TV值的所有条目中。当遇到比先前最低值更低的TV值时，其将相应的CV值不仅填入到与该TV值对应的表条目中，而且填入到用于更低TV值的所有条目中。
系统应该优选地具有非易失性存储器诸如闪速存储器，该表或者一直保持在该存储器中，或者该表被定期地保存到该存储器中以防断电。
总之，当系统被同步时，在所谓的数据采集及表构建阶段中，在不同的时机下感测温度，表示所感测温度的对应数字化且量化的温度值/变量TV用来寻址查找控制表以存储表示用于控制频率的当前频率控制输出变量的相关控制值/变量CV，如图12的示例性流程图中示意性图解说明的。在步骤S21中，感测温度。在步骤S22中，提取对应的控制变量值。在步骤S23中，通过优选地使用量化的温度值来寻址相关控制值所存储的查找表中的单元，与适当量化的温度值/变量TV关联地存储控制值/变量CV，来构建查找表。
在失去同步时，系统切换到所谓的基于表的控制阶段。在该阶段中，从传感器中读取温度值并且将温度值变换成量化形式作为量化的温度值TV，该量化的温度值TV可以用来从先前构建的查找表中提取对应的控制值CV。如图13的示例性流程图中示意性图解说明的，提取的控制值CV然后用作同步系统的频率控制输出。在步骤S31中，从温度传感器中读取温度值。在步骤S32中，适当的温度值表示用来在查找表中找到对应的控制值CV。在步骤S33中，查找控制值CV用于频率控制和同步。
在如上面所描述的定时器系统中存在:基于计数器的时间发生器，用于连续、直接地生成原始基准时间;和转化器，在需要时被使用以在定时器系统的表示为tr的原始基准时间和表示为tp的本地精确时间之间转化。转化器优选地被配置用于基于关系式tp = A·tr + B进行操作，其中A和B是可配置的参数值。
其例如可以用于通过响应于诸如触发脉冲之类的外部事件来捕获表示为tr的原始基准时间值并且在需要时基于上面关系式tp = A·tr + B计算表示为tp的本地精确时间来生成本地精确时间。
其也可以用于通过下列步骤生成精确定时的输出信号：首先定义输出信号的期望定时事件的表示为tp的精确时间，基于关系式tr = (tp - B)/A，计算一致值作为表示为tr的对应原始基准时间值，并且在连续生成的原始时间基准值等于所谓的一致值时生成精确定时的输出信号。
其因此适于例如在数据采集及表构建阶段期间存储参数A作为控制值CV并且使用从查找表中提取的控制值CV作为上面公式中的A以用于生成本地精确时间或者以便在基于表的控制阶段期间生成精确定时的输出信号。例如，控制变量A控制本地“虚拟”时钟的速度，而B控制当前时间的设置。
在图14中示意性图解说明的本发明的优选示例性实施例中，电子定时器系统包括：基于计数器的时间发生器10，用于连续地生成原始基准时间；和转化器，用于在原始基准时间和本地精确时间之间转化，如先前描述的。转化器优选地被实施为处理器100中的控制逻辑（硬件/软件）。基于计数器的时间发生器10由振荡器200驱动。该时间系统进一步包括：放置在振荡器200或由振荡器使用的晶体附近的温度传感器300；以及查找控制表400，用于保存表示与对应的温度值关联地存储的可配置参数值A的控制值。查找表400从在适当间隔采样的参数A和温度的值对构建。当定时器系统与同步源（未示出）同步以使得温度值和控制值是处于同步的定时器系统的操作特性时，生成查找控制表400。当没有同步源可用时，定时器系统也被配置成：从温度传感器300中读取温度值，并且基于该温度值从查找控制表400中提取与该温度值的适当（量化）表示对应的控制值。然后该定时器系统能够依据提取的控制值来配置参数变量A。这优选地以适当的间隔执行。
用于控制参数变量A的基于查找表的同步可以与基于转化器的定时器系统的任何先前描述的特征组合地使用。例如，本发明的这个方面对于时间分配应用诸如网络时间协议（NTP）应用和IEEE 1588精确时间协议（PTP）应用是特别有用的，并且电子定时器系统可以用于诸如IEEE 1588系统之类的时间分配系统中。
上文描述的实施例只是作为示例给出的，并且应该理解本发明不局限于此。保持本文公开和要求保护的基本原理的进一步修改、变化和改进在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种电子定时器系统，包括：
- 基于计数器的时间发生器，用于连续地生成原始基准时间，所述基于计数器的时间发生器由振荡器驱动；
- 转化器，用于基于以下关系式在定时器系统的表示为tr的原始基准时间和表示为tp的本地精确时间之间转化：
tp = A·tr + B，
其中A和B是可配置的参数变量；
- 温度传感器，放置在振荡器或者由振荡器使用的晶体附近；
- 存储器中的查找控制表，保存表示与对应的温度值关联地存储的所述可配置的参数变量A的控制值，所述查找控制表在定时器系统与同步源同步时从以适当间隔采样的参数变量A和温度的值对构建；
- 用于当没有同步源可用时从所述温度传感器中读取温度值的装置；
- 用于基于所述温度值从所述查找控制表中提取与所述温度值的表示对应的控制值的装置；以及
- 用于基于以适当间隔提取的控制值来配置参数变量A的装置。
2.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述系统包括用于响应于诸如触发脉冲之类的外部事件而从所述基于计数器的时间发生器中捕获原始基准时间值的装置；以及
所述转化器包括用于基于所述原始基准值和参数值A、B计算本地精确时间的装置。
3.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述系统包括用于定义期望定时事件的精确时间的装置；
所述转化器包括用于基于定义的精确时间和参数值A、B来计算一致值作为对应的原始基准时间值的装置；以及
所述定时器系统包括用于当基于计数器的时间发生器的连续生成的原始基准时间的值等于计算的一致值时生成定时的输出信号的装置。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的定时器系统，其中所述转化器仅在需要在原始基准时间和精确时间之间转化时被操作，从而降低定时器系统的功耗。
5.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述系统包括用于设置参数值A和B的装置，其中A控制虚拟时钟的速度而B控制当前时间的设置。
6.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述转化器由用于处理器的微代码或者软件实施。
7.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述定时器系统被配置用于时间分配应用，诸如网络时间协议（NTP）应用以及IEEE 1588精确时间协议（PTP）应用。
8.根据权利要求1所述的定时器系统，其中所述查找控制表包括用于保存表示不同温度下参数变量A的控制值的多个单元，其中所述单元能借助于相应的量化温度值进行寻址。
9.根据权利要求8所述的定时器系统，进一步包括用于针对所述查找控制表中的多个单元中的每个单元，基于预定温度下参数变量A的当前值和参数变量A的至少一个较旧值的加权平均来更新表示参数变量A的控制值的装置。
10.一种时间分配系统，包括前述权利要求中任一权利要求所述的电子定时器系统。
11.根据权利要求10所述的时间分配系统，其中所述时间分配系统是基于IEEE 1588。
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