CN102998970B - 一种基于crio平台的高精度对时同步方法 - Google Patents

一种基于crio平台的高精度对时同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法，高精度对时模块接收由GPS接收机发出的IRIG-B编码信号，并对IRIG-B编码信号进行处理，获得10ms脉冲信号，CRIO平台获取10ms脉冲信号，然后CRIO平台利用10ms脉冲信号对CRIO平台内部晶振频率的计数值进行校正，最后CRIO平台利用校正后的计数值触发采样。从而达到高精度对时同步及多通道高速同步采集的目的，其计时补偿算法及相关软件开发由LabView编程实现。本发明能够有效弥补CRIO平台背板晶振精度不高的不足，在CRIO平台上实现多通道高精度对时同步采集。

Description

一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法
技术领域
本发明涉及一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法。
背景技术
NI公司的CompactRIO是一款可重新配置的嵌入式控制和采集系统，其具有坚固的硬件架构，此外，其通过NI LabVIEW图形化编程工具接受编程，并用于各类嵌入式控制和监测程序。正是因为良好的抗干扰能力、坚固的结构和稳定的性能，CompactRIO平台被广泛地应用于工程测控领域。
然而在采用CRIO平台实现信号高精度定时采集时也会遇到同样的问题，即内部晶振不能提供高精度的定时功能。在NI 911X系列机箱中FPGA的晶振的精度均为±100PPM，即每百万个步长内误差个数为100个以内，那么当采用40MHZ的晶振时，一秒钟内频率的误差最大可以达到4000个步长、即100微秒。这样的误差率显然不能满足对信号的高精度高速多通道定时采集要求。
为了实现信号高精度的定时采集，由一个高精度的晶振产生的触发信号并不能够满足工程上的需求，因为随着时间的累积，误差还是会被放大，影响测量精度，所以通常还需要一个标准的时钟源对晶振产生的时钟进行校准。一般的做法是使用GPS接收机发出的1pps脉冲信号作为对时信号，采用插值算法维护本地时钟。
为了验证晶振的精度，在NI CompactRIO平台上做了大量的实验，通过对实验数据的统计分析得出晶振的误差程度。实验中，采用GPS接收机作为标准时钟源，对时钟源发出的IRIG-B码解析得到的秒脉冲，再对40MHZ的晶振周期进行计数，在1秒间隔到时，计算晶振周期计数值与40M的差值，便得到晶振每秒钟的误差。多组实验结果如图1所示。
图1的两张图分别是在不同时间段内的实验统计图，从图中可以看出误差的主要集中在30个步长左右，在50到100步长内也有涉及。因此，在采用晶振频率触发采样时需要进行相关补偿，否则将会导致工程上信号采集的精度偏差。
较简单的补偿方法为采用插值法，可以对晶振的时钟进行固定补偿。该方法核心思想为对每秒内晶振计数值进行固定补偿，将一秒内的总步长数均分为30个段，然后在每个步长计数段内插入一个步长，这样保证总的步长数和预定值相等，在采样时可以按照晶振时钟进行相关定时触发，从而较准确的采集信号。
采用此方法进行补偿后，再进行相关实验验证，将算法加入实验中，对实验结果进行相关统计，结果如图2所示。
在图2中，可以看出该方法可以较好地纠正晶振频率的误差情况，在统计图中可明显观察到大部分误差值位于0～10区间内。然而仍有少部分误差值落在20～30区间内，由此可以看出该误差补偿算法还有欠缺。
同时在图1中不难看出晶振频率的误差具有一定的随机性，虽然大部分的误差值落在了20～40的区间内，但还有部分落在了50～100的区间内。在这种误差的情况中仍以固定值补偿时，并不能较好的缩小误差。
发明内容
本发明的目的在于解决NI CRIO平台内部晶振（背板FPGA晶振）精度不高的情况下保证多通道并行高速同步采集的时间精度的技术问题。
为解决上述技术问题，发明人采用了如下的技术方案：一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法，包括如下步骤：
高精度对时模块接收由GPS接收机发出的IRIG-B编码信号，并对IRIG-B编码信号进行处理，获得10ms脉冲信号， CRIO平台获取10ms脉冲信号，然后CRIO平台利用10ms脉冲信号对CRIO平台内部晶振频率的计数值进行校正，最后CRIO平台利用校正后的计数值触发采样，高精度对时同步方法的整体结构图如图3所示。
校正的具体步骤为：
第一步，设置两个晶振周期计数值，这两个计数值同时按CRIO平台内部晶振的周期进行计数，其中一个晶振周期计数值称为10ms晶振计数值，另一个晶振周期计数值称为1s晶振计数值。
第二步，使用10ms脉冲信号对10ms晶振计数值校零，并求得相应的误差值                                                
Figure 843395DEST_PATH_IMAGE001
；
设CRIO平台内部晶振理论频率为，则对应10ms脉冲信号的时间，在
Figure 822853DEST_PATH_IMAGE003
=10ms时有：
Figure 2012105027092100002DEST_PATH_IMAGE004
                                      (1)
而实际获得的CRIO平台内部晶振频率为
Figure 602590DEST_PATH_IMAGE005
，则对应10ms脉冲信号的时间，在
Figure 997799DEST_PATH_IMAGE003
=10ms时有：
Figure 2012105027092100002DEST_PATH_IMAGE006
                                      (2)
由公式(1)-(2)，可得：
Figure 625221DEST_PATH_IMAGE007
              (3)
式中误差值
Figure 447683DEST_PATH_IMAGE001
表示在
Figure 714716DEST_PATH_IMAGE009
时间内，由于CRIO平台内部晶振频率偏差而导致实际晶振计数值偏离理论晶振计数值的个数。
第三步，用所述误差值补偿1s晶振计数值以维护计数值的准确性，采用动态平均值法将误差值
Figure 644812DEST_PATH_IMAGE001
均匀补偿到1s晶振计数值中：求取N次10ms晶振计数值的平均值
Figure 638176DEST_PATH_IMAGE011
作为第N+1个10ms晶振计数值的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；根据估计值
Figure 205555DEST_PATH_IMAGE012
与补偿值
Figure 942567DEST_PATH_IMAGE001
的商确定补偿的时间间隔，每隔该计算得到的时间间隔对1s晶振计数值进行
Figure 465952DEST_PATH_IMAGE013
的补偿，正负号与补偿值的符号相同。
更进一步，在对1s晶振计数值进行
Figure 199739DEST_PATH_IMAGE013
的补偿时，需要对1s晶振计数值和采样时刻进行判断，避免补偿在采样时刻。
上述高精度对时模块包括IRIG-B码解析模块、自校时模块、分频模块及脉冲发生模块，其中，
IRIG-B码解析模块：对GPS接收机发出的IRIG-B编码信号进行解码得到时间信息，并发出秒脉冲；
自校时模块：根据秒脉冲校准高精度对时模块的晶振计数器的计数值，采用插值算法对计数值进行补偿；
分频模块及脉冲发生模块：将1s平均分成100份，并在每个整数10ms时刻翻转一次脉冲发生端口的电平。高精度对时模块软件模块的关系图如图4所示。
采用本方法达到的有益技术效果是能够有效弥补NI CRIO平台内部晶振精度不高的不足，在CRIO平台上实现多通道高速高精度对时同步采集。
附图说明
图1是晶振误差统计图；
图2是固定补偿后误差统计图；
图3是高精度对时同步方法的整体框图；
图4是高精度对时模块软件模块关系图；
图5是自适应补偿方法程序流程图；
图6是自适应补偿误差统计图;
图1、2、6中横坐标为1秒间隔的晶振计数值偏差，纵坐标为对应横坐标偏差的晶振计数值个数。
具体实施方式
本发明提出一种自适应方法来对晶振频率的误差进行相关补偿。该方法采用外部高精度对时模块输出10ms脉冲信号，CRIO平台利用10ms脉冲信号对内部晶振频率的计数值进行校正。外部高精度对时模块采用高精度的晶振，精度小于1PPM，从而保证10ms脉冲信号具有较高精度，并且具备自守时能力，即当失去GPS接收机的IRIG-B编码信号，该模块仍能够精确计时。CRIO平台内部晶振的计数值校正方法如下：
第一步，设置两个晶振周期计数值，这两个计数值同时按CRIO平台内部晶振的周期进行计数，其中一个晶振周期计数值称为10ms晶振计数值，另一个晶振周期计数值称为1s晶振计数值。即按CRIO平台内部晶振的周期每个周期计数一次，分别计数10ms和计数1s获得。
第二步，使用10ms脉冲信号对10ms晶振计数值校零，并求得相应的误差值
Figure 474862DEST_PATH_IMAGE001
，该10ms脉冲信号来自于采用高精度晶振对GPS接收机的IRIG-B编码信号进行高精度解析的高精度对时模块，可以作为时间间隔固定的标准时钟源。
第三步，用上述误差值
Figure 118333DEST_PATH_IMAGE001
补偿1s晶振计数值以维护其计数值的准确性，补偿算法使用本发明指出的自适应动态平均值补偿算法。
该方法通过在1秒内多次利用10ms脉冲信号对CRIO平台内部晶振周期计数值的不断校正，从而保证计数值在1秒内甚至多秒内的准确性，程序流程图如图5所示。 
第三步中所述的自适应动态平均值补偿算法如下：
在实现高精度定时采集时，GPS接收机的IRIG-B编码信号可以提供精准的秒信号，然而秒脉冲信号显然不能作为高频采样的触发信号，必须用晶振对其分频。在CRIO平台中底板上晶振的精度较低，存在较大的累计误差，因此必须要利用GPS接收机对CRIO平台的晶振时钟的精度进行维护。使用GPS接收机的IRIG-B编码信号对CRIO平台晶振的时钟进行在线检测和实时补偿，便可使得晶振输出一个用于高频定时采样的高精度时钟。因此，本算法中使用的10ms秒脉冲信号是来自采用高精度晶振对GPS接收机的IRIG-B编码信号进行高精度解析的高精度对时模块，可以作为时间间隔固定的标准时钟源，再利用CompactRIO中的晶振对其分频、计数，便可以用作为采样的触发信号。
设CRIO平台内部晶振理论频率为
Figure 453499DEST_PATH_IMAGE002
，则对应10ms脉冲信号的时间，在=10ms时有：
Figure 71355DEST_PATH_IMAGE004
                                      (1)
然而实际CompactRIO平台中晶振精度较低，实际的频率与理论值具有一定的差异，假设实际获得的CRIO平台内部晶振频率为
Figure 569333DEST_PATH_IMAGE005
，则对应10ms脉冲信号的时间，在=10ms时有：
Figure 291618DEST_PATH_IMAGE015
                                      (2)
由公式(1)-(2)，可得：
Figure 236440DEST_PATH_IMAGE007
          (3)
式中误差值
Figure 588924DEST_PATH_IMAGE017
表示在
Figure 531472DEST_PATH_IMAGE003
这段时间内，由于晶振频率偏差而导致计数值的偏离理论计数值的个数。在下一个10ms内，分别将误差值
Figure 969407DEST_PATH_IMAGE001
补偿到1s晶振计数值里，从而减小1秒内晶振的累积误差，保证高频定时采样的精确度。
由于1s晶振计数值用于触发采样，如果将补偿值直接加到1s晶振计数值上将导致补偿前后采样间隔的偏大或偏小，反而影响采样效果，所以需将补偿值在下一个10ms内均匀地进行补偿，这就需要对下一个10ms内晶振的频率进行准确的预估。
这里采用动态平均值法，求取最近N次的10ms计数值的平均值作为第N+1个10ms晶振计数值的估计值
Figure 675643DEST_PATH_IMAGE012
。在程序中采用寄存器记录样本数为N的10ms晶振计数值，最新一次的计数值为
Figure 789092DEST_PATH_IMAGE019
，其余依次往前类推为
Figure 776640DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 948DEST_PATH_IMAGE023
、…、
Figure 62445DEST_PATH_IMAGE005
，因为误差值
Figure 346796DEST_PATH_IMAGE001
具有随机性，且服从正态分布
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 572372DEST_PATH_IMAGE025
为样本方差，所以
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。对最近的N个10ms计数值进行动态平均得到平均计数值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
                                        （4）
则第N+1个10ms晶振计数值的估计值
Figure 662688DEST_PATH_IMAGE012
的方差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
                    (5)
由上式可得，当样本数N取值较大时，预估的第N+1个10ms晶振计数值偏差就越小，所以可以将动态平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE030
作为第N+1个10ms晶振计数值的估计值。
经计算获得第N+1个10ms晶振计数值的估计值
Figure 844270DEST_PATH_IMAGE012
后，可根据估计值
Figure 846992DEST_PATH_IMAGE012
与误差值
Figure 746815DEST_PATH_IMAGE001
的商确定补偿的时间间隔。每隔该计算得到的时间间隔对1s晶振计数值进行的补偿，正负号由误差值
Figure 614594DEST_PATH_IMAGE001
的正负号决定，即
Figure 37485DEST_PATH_IMAGE001
为正时+1补偿，为负是-1补偿。值得注意的是补偿和计数器累加是同时进行的，当
Figure 794406DEST_PATH_IMAGE001
大于0，补偿点正好是采样点的前一个点时经补偿和自加1后导致1s晶振计数值跳过采样值点，导致漏采样；当
Figure 512699DEST_PATH_IMAGE001
小于0，补偿点又正好是采样点时经补偿和自减1后1s晶振计数值回到采样值点，导致重复采样。因此，为了避免这种补偿后漏采样或重复采样的问题，在补偿时需要对1s晶振计数值和采样时刻进行判断。在算法中将这些细节都考虑到后，才能完成对信号进行准确的高精度定时采集。自适应对时补偿算法的程序流程如图5所示。
下面对该方法进行了实验。在实验中，采用该方法对晶振频率进行动态地补偿取得了很好的效果，实验结果如图6所示。
从图中可以看出，在采用自适应动态平均值补偿方法后，晶振周期的计数值误差范围缩小到0～10区间内，表明自适应动态平均值补偿方法在实验中起到了很好的动态补偿的效果。在对晶振进行自适应补偿后，由晶振周期计数值触发的采样具有较高的精度，符合工程应用实际要求。

Claims (3)

1.一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
高精度对时模块接收由GPS接收机发出的IRIG-B编码信号，并对IRIG-B编码信号进行处理，获得10ms脉冲信号， CRIO平台获取10ms脉冲信号，然后CRIO平台利用10ms脉冲信号对CRIO平台内部晶振频率的计数值进行校正，最后CRIO平台利用校正后的计数值触发采样，校正的具体步骤为：
第一步，设置两个晶振周期计数值，这两个计数值同时按CRIO平台内部晶振的周期进行计数，其中一个晶振周期计数值称为10ms晶振计数值，另一个晶振周期计数值称为1s晶振计数值；
第二步，使用10ms脉冲信号对10ms晶振计数值校零，并求得相应的误差值                                                
Figure 2012105027092100001DEST_PATH_IMAGE001
；
设CRIO平台内部晶振理论频率为
Figure 687588DEST_PATH_IMAGE002
，则对应10ms脉冲信号的时间，在=10ms时有：
Figure 356467DEST_PATH_IMAGE004
                                      (1)
而实际获得的CRIO平台内部晶振频率为
Figure 2012105027092100001DEST_PATH_IMAGE005
，则对应10ms脉冲信号的时间，在
Figure 412148DEST_PATH_IMAGE003
=10ms时有：
Figure 166477DEST_PATH_IMAGE006
                                      (2)
由公式(1)-(2)，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
              (3)
式中误差值
Figure 965806DEST_PATH_IMAGE001
表示在时间内，由于CRIO平台内部晶振频率偏差而导致实际晶振计数值偏离理论晶振计数值的个数；
第三步，用所述误差值
Figure 489191DEST_PATH_IMAGE001
补偿1s晶振计数值以维护计数值的准确性，采用动态平均值法将误差值均匀补偿到1s晶振计数值中：求取N次10ms晶振计数值的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE011
作为第N+1个10ms晶振计数值的估计值
Figure 222978DEST_PATH_IMAGE012
；根据估计值
Figure 498101DEST_PATH_IMAGE014
与补偿值
Figure 141572DEST_PATH_IMAGE001
的商确定补偿的时间间隔，每隔该计算得到的时间间隔对1s晶振计数值进行
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的补偿，正负号与补偿值的符号相同。
2.根据权利要求1所述一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法，其特征在于：在对1s晶振计数值进行
Figure 267977DEST_PATH_IMAGE015
的补偿时，需要对1s晶振计数值和采样时刻进行判断，避免补偿在采样时刻。
3.根据权利要求1所述一种基于CRIO平台的高精度对时同步方法，其特征在于：所述高精度对时模块包括IRIG-B码解析模块、自校时模块、分频模块及脉冲发生模块，其中，
IRIG-B码解析模块：对GPS接收机发出的IRIG-B编码信号进行解码得到时间信息，并发出秒脉冲；
自校时模块：根据秒脉冲校准高精度对时模块的晶振计数器的计数值，采用插值算法对计数值进行补偿；
分频模块及脉冲发生模块：由分频模块将1s平均分成100份，继而在每个整数10ms时刻由脉冲发生模块翻转一次脉冲发生端口的电平。
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