CN103592843B - 一种时间戳电路和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种时间戳电路，包括：GPS模块、频率参考模块、A/D转换模块、帧分频计时模块、采样数据FIFO、时间FIFO和CPLD模块。本发明的高精度时间戳电路，保证了数据采集时刻的同步，也保证了采样时刻对应的时间信息的准确性，数据带有时间戳标记后，可以通过网络等接口发送出去，实现异步的一体化处理；通过时间戳技术，可以解决分布式数据采集系统中的同步传输问题。

Description

一种时间戳电路和实现方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种时间戳电路，还涉及一种时间戳的实现方法。

背景技术

时间戳是一种标识采集数据准确时刻的方法，在测向及信号监测设备中非常重要。对于一台独立仪器，监测信号的具体时刻对于用户研究干扰信号的出现及变化规律，尤其是复杂调制多变的信号很有必要。很多跳频信号1秒钟5千跳，如果时间精度小于0.2ms，则无法监测到信号的时间变化规律，更无法获取其跳变规律及特征。对于分散在多个地方的多台设备组成的监测测向系统，如果时间精度比较差，每台仪器获取的数据帧无法与其它仪器运算比对或相关，则多台测向设备组成的定位系统也就无法对信号源进行交叉定位了。

目前，带有GPS秒脉冲的微波测试仪器，仅仅使仪器内部时钟锁相到GPS秒脉冲，做到一般的相位相干，无法实现统一的时间，更无法使帧数据带有准确的时间戳，数据最终上传到主机后也无时间标记，因而缺少该帧数据对应的时间信息，无法实现信号数据的准确时间信息，因而对于分布于不同地方仪器采集的数据，无法实现时间相关的信号分析或相关运算，从而无法进行系统级的数据及信号处理，无法获取更多的信号规律及信息。

发明内容

本发明提出一种时间戳电路和实现方法，解决了现有同步仪器仅仅能使内部参考信号锁相到外部的GPS秒脉冲上，对于分布于不同地方的仪器采集的数据，无法实现时间相关的信号分析或相关运算的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种时间戳电路，包括：GPS模块、频率参考模块、A/D转换模块、帧分频计时模块、采样数据FIFO、时间FIFO和CPLD模块；

所述GPS模块通过外接GPS天线接收太空中的GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲和时间信息，GPS秒脉冲锁定到GPS卫星的高精度时钟上；

所述频率参考模块包括恒温晶振，GPS正常时，恒温晶振锁相到GPS秒脉冲上，所述频率参考模块产生通用的参考时钟，该参考时钟锁定在GPS模块产生的秒脉冲上，无GPS情况下，恒温晶振提供各时钟信号；

所述帧分频计时模块接收频率参考模块输出的采样时钟，根据用户设置的数据帧的大小设置分频比，当达到一帧的计数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块，并将计时脉冲输出到时间FIFO；

所述A/D转换模块接收所述频率参考模块输出的采样时钟和所述帧分频计时模块输出的帧同步时钟，将仪器的模拟中频输入信号转换为高速数字信号，再传输到采样数据FIFO进行缓存；

所述时间FIFO存储每一个数据帧开始的时间信息；

所述CPLD模块读取采样数据FIFO和时间FIFO的内容，并根据用户设置帧的大小打包形成数据帧输出。

可选地，所述参考时钟为10MHz。

本发明还提供了一种时间戳实现方法，包括以下步骤：

步骤(a)，GPS模块初始化搜索GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲和授时信息；

步骤(b)，频率参考模块内部检测单元检测到GPS秒脉冲，则使恒温晶振锁相到GPS秒脉冲，否则恒温晶振自由振荡输出采样时钟和其它参考时钟；

步骤(c)，帧分频计时模块以采样时钟作为时钟源，根据用户设置的帧的大小，产生帧同步时钟计数个数，每当开始或计数到一帧的个数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块触发一帧或连续多帧采样，并把帧头的时间信息输出到时间FIFO缓存；A/D转换模块的采样时钟由频率参考模块提供，帧同步时钟触发一帧采样或连续多帧的采样开始；

步骤(d)，CPLD模块把一帧数据与帧的采样时刻进行打包处理，并进行缓冲输出到主机CPU或后续其它数据处理单元。

可选地，在所述步骤(a)之前，还包括在仪器开机后将时间差的校准信息写入CPLD的寄存器中的步骤。

本发明的有益效果是：保证了数据采集时刻的同步，也保证了采样时刻对应的时间信息的准确性，数据带有时间戳标记后，可以通过网络等接口发送出去，实现异步的一体化处理；通过时间戳技术，可以使分布式数据采集系统实现仪器数据的异步传输处理，可以使分布于不同地方的仪器获取的信号数据进行相关信号运算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种时间戳电路的控制框图；

图2为本发明一种时间戳实现方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的时间戳电路包括：GPS模块10、频率参考模块20、A/D转换模块30、帧分频计时模块40、采样数据FIFO50、时间FIFO60和CPLD模块70。GPS模块10通过外接GPS天线11接收太空中的GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲时钟信号和时间信息，GPS秒脉冲锁定到GPS卫星的高精度时钟上。频率参考模块20是仪器中的各个频率基准信号的来源，内部包括高稳定恒温晶振，在无GPS情况下，依靠高稳定恒温晶振提供各时钟信号，GPS正常时，内部高稳定恒温晶振锁相到GPS秒脉冲上；频率参考模块20产生通用的10MHz参考时钟，该参考时钟锁定在GPS模块10产生的秒脉冲上，从而使整个仪器所用的时钟信号完全相关且锁定到GPS卫星上。帧分频计时模块40接收频率参考模块20输出的采样时钟，根据用户设置的数据帧的大小，设置分频比，当达到一帧的计数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块30，并将计时脉冲输出到时间FIFO60。A/D转换模块30接收频率参考模块20输出的采样时钟和帧分频计时模块40输出的帧同步时钟，将仪器的模拟中频输入信号转换为高速数字信号，再传输到采样数据FIFO50进行缓存。时间FIFO60存储每一个数据帧开始的时间信息，由于计数时刻跟采样数据都是同一个时钟，因此能保证时间信息的高精度。CPLD模块70读取采样数据FIFO50和时间FIFO60的内容，并根据用户设置帧的大小打包形成数据帧输出。

本发明的高精度时间戳电路通过恒温晶振锁相到GPS秒脉冲，获取时钟周期数表示的时刻，并通过时间编码，将时间信息加入数据帧中，并对数据帧进行包处理，这样每个数据帧都带有采样时刻的时间信息，每一帧数据都带有所对应的准确采样时刻，处于不同地方的仪器的数据可以汇集到系统中心，进行进一步的信号相关等运算，从而获得信号的变化规律及地理位置信息。

如图2所示，本发明还提出了一种高精度时间戳的实现方法，包括以下步骤：

步骤(a)，GPS模块初始化搜索GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲和授时信息；

步骤(b)，频率参考模块内部检测单元检测到GPS秒脉冲，则使恒温晶振锁相到GPS秒脉冲，否则恒温晶振自由振荡输出，输出采样时钟和其它参考时钟。这样，多台仪器输出的帧数据不用进行拆包处理，在采样起始时刻上就能对应起来，方便了以帧为单位的数据处理。

步骤(c)，帧分频计时模块以采样时钟作为时钟源，根据用户设置的帧的大小，产生帧同步时钟计数个数，每当开始或计数到一帧的个数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块触发一帧或连续多帧采样，并把帧头的时间信息输出到时间FIFO缓存；A/D转换模块的采样时钟由频率参考模块提供，帧同步时钟触发一帧采样或连续多帧的采样开始。其中，采样时钟具体频率设置根据仪器的具体功能要求确定。

步骤(d)，CPLD模块把一帧数据与帧的采样时刻进行打包处理，并进行缓冲输出到主机CPU或后续其它数据处理单元。

优选地，在上述步骤(a)之前，还包括在仪器开机后将时间差的校准信息写入CPLD的寄存器中的步骤。

本发明高精度时间戳的实现方法输出的每一帧数据不仅有绝对的时间精度，而且数据帧中的每个数据点根据采样点数偏移，都可以计算出该点所对应的时刻。主机启动采样工作时，获取GPS的基准授时信息，每一帧的数据中的时间戳表示基准授时后的时钟个数，主机把数据帧中的每个时间戳加上基准授时信息就可以获得绝对的时刻了。

为了更详细地说明本发明的技术方案，下面给出一具体实施例。

在单通道接收机中，频率参考模块产生100MHz的采样时钟，频率参考模块内部有合成振荡器单元，其采用10MHz的恒温晶振，当有GPS秒脉冲信号时，该恒温晶振自动锁相同步到GPS秒脉冲，否则处于高稳的自由振荡状态。用户设置数据帧大小为2048，帧分频计数模块以100MHz为基准时钟，每满2048个基准时钟，就输出一个帧同步脉冲，该脉冲同步触发A/D转换模块采样开始和脉冲个数存储到时间FIFO中，当触发采样开始时，主机同步获取GPS的授时信息，知道采样开始的绝对时间，主机CPU把收到的每个数据帧的时间戳加上GPS的基准授时信息，就使数据帧中每个时间戳都表示绝对时间了。

本发明的高精度时间戳电路和实现方法，形成以帧为单位的信号数据具有精确的时间信息，可以应用于以接收分析信号为主的测试仪器中。

本发明的高精度时间戳电路和实现方法，保证了数据采集时刻的同步，也保证了采样时刻对应的时间信息的准确性，数据带有时间戳标记后，可以通过网络等接口发送出去，实现异步的一体化处理；通过时间戳技术，可以使分布式数据采集系统实现仪器数据的异步传输处理，可以使分布于不同地方的仪器获取的信号数据进行相关信号运算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种时间戳电路，其特征在于，包括：GPS模块、频率参考模块、A/D转换模块、帧分频计时模块、采样数据FIFO、时间FIFO和CPLD模块；

所述GPS模块通过外接GPS天线接收太空中的GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲和时间信息，GPS秒脉冲锁定到GPS卫星的高精度时钟上；

所述频率参考模块包括恒温晶振，GPS正常时，恒温晶振锁相到GPS秒脉冲上，所述频率参考模块产生通用的参考时钟，该参考时钟锁定在GPS模块产生的秒脉冲上，无GPS情况下，恒温晶振提供各时钟信号；

所述帧分频计时模块接收频率参考模块输出的采样时钟，根据用户设置的数据帧的大小设置分频比，当达到一帧的计数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块，并将计时脉冲输出到时间FIFO；

所述A/D转换模块接收所述频率参考模块输出的采样时钟和所述帧分频计时模块输出的帧同步时钟，将仪器的模拟中频输入信号转换为高速数字信号，再传输到采样数据FIFO进行缓存；

所述时间FIFO存储每一个数据帧开始的时间信息；

所述CPLD模块读取采样数据FIFO和时间FIFO的内容，并根据用户设置帧的大小打包形成数据帧输出。

2.如权利要求1所述的时间戳电路，其特征在于，所述参考时钟为10MHz。

3.一种时间戳实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，GPS模块初始化搜索GPS卫星信号，输出GPS秒脉冲和授时信息；

步骤(b)，频率参考模块内部检测单元检测到GPS秒脉冲，则使恒温晶振锁相到GPS秒脉冲，否则恒温晶振自由振荡输出采样时钟和其它参考时钟；

步骤(c)，帧分频计时模块以采样时钟作为时钟源，根据用户设置的帧的大小，产生帧同步时钟计数个数，每当开始或计数到一帧的个数时，输出帧同步时钟到A/D转换模块触发一帧或连续多帧采样，并把帧头的时间信息输出到时间FIFO缓存；A/D转换模块的采样时钟由频率参考模块提供，帧同步时钟触发一帧采样或连续多帧的采样开始；

步骤(d)，CPLD模块把一帧数据与帧的采样时刻进行打包处理，并进行缓冲输出到主机CPU或后续其它数据处理单元。

4.如权利要求3所述的时间戳实现方法，其特征在于，在所述步骤(a)之前，还包括在仪器开机后将时间差的校准信息写入CPLD模块的寄存器中的步骤。