CN103383539A

CN103383539A - 一种基于双时钟系统的时间测量方法

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Publication number: CN103383539A
Application number: CN2013102694614A
Authority: CN
Inventors: 康旭辉; 李向阳; 申景诗; 纪春恒; 胡慧君; 孙书坤
Original assignee: 513 Research Institute of 5th Academy of CASC
Current assignee: 513 Research Institute of 5th Academy of CASC
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: CN103383539B

Abstract

本发明提供一种基于双时钟系统的时间测量方法，该方法包括：步骤1，建立系统时间标尺：步骤2，利用所述系统时间标尺和秒脉冲时钟计算本地时钟的实际周期；步骤3，根据所述本地时钟的实际周期测量被测脉冲的绝对时间。本发明解决了因为不同步以及时钟本身的误差产生的秒以下的时间是不精确的问题，通过使用本地时钟和秒脉冲时钟共同校时的方法来校准，通过计算秒脉冲时钟、本地时钟之间的关系，进而详细标定被测脉冲相对于两种时钟系统的关系，配合本地时钟固有时间，标示事件的绝对时间，消除了几种时间之间的相对误差，标示精度极高。

Description

一种基于双时钟系统的时间测量方法

技术领域

本发明属于高精度时间测量技术领域，尤其涉及基于双时钟系统的时间测量方法。

背景技术

X射线探测器研制过程中，要准确测量每个光子事件到达的时间，定时测量系统的测量精度小于1ns，因此，对每个环节的准确性都提出了很高的要求光子到达时间的是通过总线UTC时、秒脉冲、本地时钟等几个时间共同表示和计算出来。

系统测量的结果是信号到达的绝对时间。这个绝对时间通过秒脉冲信号和UTC时间共同确定。但是这个时间只标记到秒，而且秒脉冲和本地时钟并不同步，因此：信号到达时间秒和秒以上的时间（分钟／小时）是准确的，可以通过秒脉冲直接获得；秒以下的时间可以用本地时钟来产生。由于不同步，以及时钟本身的误差，所以秒以下的时间是不精确的。

发明内容

为解决因为不同步以及时钟本身的误差产生的秒以下的时间是不精确的问题，本发明提供一种基于双时钟系统的时间测量方法，该方法使用本地时钟和秒脉冲时钟共同校时的方法来校准，通过计算秒脉冲时钟、本地时钟之间的关系，进而详细标定被测脉冲相对于两种时钟系统的关系，配合本地时钟固有时间，标示事件的绝对时间，消除了几种时间之间的相对误差，标示精度极高。

本发明的一种基于双时钟系统的时间测量方法，包括：

步骤1，建立系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)：

将CLK_Ruler(CLK_Num,Offset)作为系统时间标尺,其中CLK_Num为本地时钟计数值，该本地时钟计数值是粗粒度计数器值；Offset为被测脉冲相对于下一个本地时钟沿的偏移，该偏移是通过时间数字化转换技术测量得到的偏差值，其中CLK_Ruler(CLK_Num,Offset)简化为CLK_Ruler(C,O)；

步骤2，利用所述系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)和秒脉冲时钟计算本地时钟的实际周期CLK_Scale：

如果一个被测脉冲距离上一个秒脉冲时钟的距离是CLK_Ruler(C_m,O_m)，那么这段距离的真实时间是：C_m*CLK_Scale-O_m，则整个秒脉冲时钟之间的测量时间距离表示为：

\begin{matrix} CLK_Ruler (C_{g 1}, O_{g 1}) - CLK_Ruler (C_{g 0}, O_{g 0}) \\ = (C_{g 1} - C_{g 0}) * CLK_Scale + (O_{g 0} - O_{g 1}) \end{matrix}

计算得出本地时钟的实际周期CLK_Scale为CLK_Scale＝[1秒-(O_g0-O_g1)]/(C_g1-C_g0)；

步骤3，根据所述本地时钟的实际周期CLK_Scale测量被测脉冲的绝对时间T(Y,M,D,S,O)，所述被测脉冲相对于下一个本地时钟沿的偏移Offset小于一个本地时钟实际周期的时间：

步骤31，计算被测脉冲和秒脉冲时钟的相对时间关系：从系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)上读取第g个秒脉冲时钟的测量结果和卫星GPS整秒计数时间UTC：测量结果是CLK_Ruler(C_g,O_g)，UTC是UTC(Y_g,M_g,D,S_g,O_g)，若第n个被测试脉冲的测量结果是：CLK_Ruler(C_n,O_n)，则被测脉冲的相对时间为：(C_n-C_g)*CLK_Scale+(O_g-O_n)；

步骤32，利用所述被测脉冲的相对时间计算被测信号的绝对时间为：T(Y_n,M_n,D_n,S_n,O_n)＝UTC(Y_g,M_g,D_g,S_g,O_g)+(C_n-C_g)*CLK_Scale+(O_g-O_n)。

本发明的有益效果在于：

本发明基于双时钟系统时间测量算法，通过计算秒脉冲时钟、本地时钟之间的关系，进而详细标定被测事件相对于两种时间的关系，然后配合本地固有时间，标示事件的绝对时间，消除了几种时间之间的相对误差，标示精度极高本发明设计合理可行，能大量应用于通信、雷达、核物理探测、激光测距等领域，前景极好。

附图说明

图1为本发明的基于双时钟系统的时间测量方法流程图；

图2为本发明的本地时间标尺示意图；

图3为时间的表示格式以及绝对时间的关系示意图；

图4为时间信号的传递示意图；

图5为测量时间的时序关系示意图。

具体实施方式

由于不同步，以及时钟本身的误差，所以秒以下的时间是不精确的，所以本发明使用本地时钟和秒脉冲时钟共同校时的方法来纠正。按照系统要求，采用时间数字化转换技术，完成秒脉冲时钟、本地时钟之间的同步，采用进位链技术标定小于本地时钟的时间关系，几种方式共同配合，设计了双时钟系统的时间测量方法

图1为本发明的基于双时钟系统的时间测量方法流程图。如图1所示，该方法包括：S1，建立系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)。

利用时间数字化转换技术，测量得到的是被测信号和本地时钟的关系。如果秒脉冲时钟也用时间数字化转换技术测量出其和本地时钟的关系，那么可以间接求出被测信号（也成被测脉冲）和秒脉冲时钟的关系（绝对时间）。

时间数字化转换的测量是基于本地时钟沿，因此以本地时钟作为时间参考建立“系统时间标尺”表示为，CLK_Ruler(CLK_Num,Offset),本地时钟计数值CLK_Num，实现上是粗粒度计数器值；Offset相对于下一个时钟沿的偏移，这个通常是通过时间数字化转换测量得到的偏差值，小于一个周期的时间。可以简单表示为CLK_Ruler(C,O)，如图2所示。时间数字化转换测量和秒脉冲时钟信号首先用系统时间标记，获得他们的相对关系。便可得到精确测量测量值和UTC的关系。

S2，利用所述系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)和秒脉冲时钟计算本地时钟的实际周期CLK_Scale。

为了确保在1秒（秒脉冲时钟周期）时间间隔内，测量时间的结果不产生测量模糊，CLK_Ruler不应该小于1秒；即粗粒度计数器Coarse_Cnt计时范围不应该小于1秒。为了保证系统可靠，当前设计Coarse_Cnt范围设置为4秒。本地时钟周期250MHz,需要计量的最大时间长度是4秒的话，Coarse_Cnt计数范围0～10⁹-1。为了简化控制，将计数范围调整为0～10²³-1。这个时间长度大概是4.3秒。

Coarse_Cnt的计时粒度为时钟周期4ns。但时间数字化转换测量需要ps级的时间粒度。根据200ps的测量精度需求，精细时间标记达到ps级即可，用二进制标识(1/1024)ns,0.0000000001(Binary),10位。

利用本地时钟可以确定秒以下的时间。但是一个周期4ns其实是不精确的因为时钟有抖动。可以利用秒脉冲时钟来校准，到底一个周期是多长时间，本地时钟的实际周期为CLK_Scale。如果一个测量信号距离上一个秒脉冲时钟的距离是CLK_Ruler(C_m,O_m)，那么这段距离的真实时间是：

C_m*CLK_Scale-O_m

整个秒脉冲时钟之间的测量时间距离表示为：

\begin{matrix} CLK_Ruler (C_{g 1}, O_{g 1}) - CLK_Ruler (C_{g 0}, O_{g 0}) \\ = (C_{g 1} - C_{g 0}) * CLK_Scale + (O_{g 0} - O_{g 1}) \end{matrix}

可以推导出本地时钟的实际周期为：

CLK_Scale＝[1秒-(O_g0-O_g1)]/(C_g1-C_g0)。

S3，根据所述本地时钟的实际周期CLK_Scale测量被测脉冲的绝对时间T(Y,M,D,S,O)。

在实际设计中，所有光子事件的表示格式和绝对时间的关系如图3所示。通过秒脉冲时钟同步卫星上的UTC时可以获得系统的整秒时间，该时间表示卫星时间的年、月、日、秒、偏移，设计数据位宽为30位；光子事件的整秒内的ns级时间由本地时钟的粗计数乘以通过修正计算出的本地时钟周期得到，ns级时间数据位宽设计为31位；通过高精度测量系统获得光子事件相对于本地时钟上升沿的提前时间；时间信息整合时，ns级时间减去高精度测量的时间信息，就可以获得光子事件在每秒内的具体时间数据，此时间数据再与整秒时间相接，就可以获得光子事件的绝对时间序列。在处理的过程中，测量时间都用CLK_Rule(rC,O)表示，而并不把它转换成真实的时间，直到最后测量结果输出之前，做一次转换。时间传递关系和时间测量关系如图4、5所示。在设计过程中，将时间的计算分为粗计计数模块（Coarse_Counter）、秒级时间计算模块（TDC#0）、秒脉冲时钟误差获取模块（TDC_GPS）、星上整秒时刻同步模块（GPS_Proc）和绝对时间序列输出模块（Time_Calibrate）。时间信号的传递示意图如图4所示。粗计计数模块利用本地时钟完成光子事件（Sig）相对于秒脉冲时钟的粗计数，输出ns级时间信息；秒级时间计算模块完成光子事件相对于本地时钟上升沿的提前时间的测量，并完成粗计数时间和精确测量时间的减法运算，输出光子事件在每秒内的具体时间数据和经过同步的光子事件脉冲信号（Sig_Vaid）；秒脉冲时钟误差获取模块完成秒脉冲时钟（PPS）下降沿相对于本地时间上升沿的精确时间测量，并输出经过同步的秒脉冲信号（PPS_Vaid）；星上整秒时刻同步模块通过修订后的秒脉冲时钟同步卫星上的UTC时，获得系统的整秒时间，并接收秒脉冲时钟误差获取模块输出的秒脉冲时钟相对于本地时钟的误差，输出系统的整秒时间和秒脉冲时钟误差时间；绝对时间序列输出模块完成整秒时间、秒脉冲时钟误差时间和光子事件在每秒内的具体时间的计算，输出光子事件的绝对时间。

测量时间的时序关系如图5所示。被测试信号（Sig）和秒的相对时间关系，以本地时钟为基准，用本地时钟计时格式标记。设定对第g个秒脉冲时钟(PPS)的测量结果是：CLK_Ruler(C_g,O_g)，它的UTC时间是UTC(Y_g,M_g,D,S_g,O_g)。第n个被测试信号的测量结果是：CLK_Ruler(C_n,O_n)，

因此：被测脉冲的相对时间为：

(C_n-C_g)*CLK_Scale+(O_g-O_n)。

被测信号的绝对时间为：

T(Y_n,M_n,D_n,S_n,O_n)＝UTC(Y_g,M_g,D_g,S_g,O_g)+(C_n-C_g)*CLK_Scale+(O_g-O_n)。

本发明完成后，在Xilinx公司的XC2V3000FPGA上进行了验证，时间测量精度可达200ps以上。通过设计验证和工程验证，双时钟系统的高精度时间测量方法设计合理可行，测量精度很高。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于双时钟系统的时间测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)：

\begin{matrix} CLK_Ruler (C_{g 1}, O_{g 1}) - CLK_Ruler (C_{g 0}, O_{g 0}) \\ = (C_{g 1} - C_{g 0}) * CLK_Scale + (O_{g 0} - O_{g 1}) \end{matrix}

步骤3，根据所述本地时钟的实际周期CLK_Scale测量被测脉冲的绝对时间T(Y,M,D,S,O)：

步骤31，计算被测脉冲和秒脉冲时钟的相对时间关系：从系统时间标尺CLK_Ruler(C,O)上读取第g个秒脉冲时钟的测量结果和卫星GPS整秒计数时间UTC：测量结果是CLK_Ruler(C_g,O_g)，UTC是UTC(Y_g,M_g,D,S_g,O_g)，其中Y、M、D、S、O分别代表卫星时间的年、月、日、秒、被测脉冲相对于秒脉冲的时间偏移，若第n个被测试脉冲的测量结果是：CLK_Ruler(C_n,O_n)，则被测脉冲的相对时间为：(C_n-C_g)*CLK_Scale+(O_g-O_n)；

2.如权利要求1所述的基于双时钟系统的时间测量方法，其特征在于，所述被测脉冲相对于下一个本地时钟沿的偏移Offset小于一个本地时钟实际周期的时间。