CN104597964A - 时间服务器 - Google Patents

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张伟栋
李鹏
谢文涛
王卫东
陈国�
范超
吴�琳
汤艳飞
文敏华
王树争
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Abstract

本发明涉及一种时间服务器，包括FPGA、物理计数器、恒温晶振、FC总线以及电池；物理计数器以及恒温晶振分别通过FPGA接入FC总线；电池与物理计数器相连。本发明提供了一种能满足嵌入式系统对高精度时间的要求、具有准确校时以及可提供高精度时间功能的时间服务器。

Description

时间服务器
技术领域
本发明属于嵌入式计算机系统的时间服务器领域，涉及一种时间服务器，尤其涉及一种具有准确校时、提供高精度时间功能的时间服务器。
背景技术
时间服务器为整个系统提供精确的时间，系统对时间准确性的要求越来越高，各个分系统需根据主系统提供的时间记录日志，执行任务等，各个分系统互相通信也需要带有时间戳，因此，一个高精度时间服务器的研发非常有必要。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能满足嵌入式系统对高精度时间的要求、具有准确校时以及可提供高精度时间功能的时间服务器。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种时间服务器，其特殊之处在于：所述时间服务器包括FPGA、物理计数器、恒温晶振、FC总线以及电池；所述物理计数器以及恒温晶振分别通过FPGA接入FC总线；所述电池与物理计数器相连。
上述FPGA包括GPS时间输入端、时间输出端以及用于对输入时间进行校正的校时功能模块；所述物理计数器、恒温晶振以及GPS时间输入端分别接入校时功能模块；所述校时功能模块通过时间输出端接入FC总线。
上述FPGA还包括与校时功能模块相连的手动时间输入端。
上述时间服务器还包括485通讯接口；所述时间输出端通过485通讯接口与FC总线相连。
上述恒温晶振的精度是0.05ppm。
一种基于如上所述的时间服务器的时间提供方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：
1）系统上电，由物理计数器向FPGA提供初始时间，并且开始计时；
2）判断是否收到由GPS时间输入端提供的GPS时间；若否，则按照步骤1）中的方式计时；若是，则进行步骤3）；
3）由恒温晶振判断GPS时间是否有效，若有效，则由FPGA根据自身时间与GPS时间的快慢进行校时；若无效，则不进行校时，继续执行步骤3）直至GPS时间有效；
4）将由FPGA进行校时后的时间发送至FC总线。
上述GPS时间包括时间信息以及秒脉冲；所述秒脉冲一直为低，为高时有效；所述秒脉冲的下降沿发送时间信息。
上述步骤3）中由恒温晶振判断GPS时间是否有效的具体实现方式是：
a）接收GPS时间；
b）根据GPS时间的帧格式，解析数据帧，去掉帧中的开始位、检验位以及停止位，把有效数据存储到固定的寄存器中，由FPGA从存储有有效数据的寄存器中读取有效时间；
c）由恒温晶振对相邻两次GPS时间的秒脉冲间隔中的误差进行周期计数；若晶振的周期计数的误差超过10次，则GPS时间无效；若晶振的周期计数的误差不高于10次，则GPS时间有效。
上述步骤3）中由FPGA进行校时的具体实现方式是：
a）获取FPGA内部校时功能模块的时间与接收到的GPS时间中有效时间的差值；
b）若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中有效时间慢，则逐步加快FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中有效时间一致；若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中的有效时间快，则逐步减缓FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中的有效时间一致。
本发明的优点是：
本发明所提供的时间服务器是系统刚上电时，由物理计数器向时间服务器提供初始时间，物理计数器上有电池供电，在系统下电后仍能保持时间；没有收到GPS时间时，时间服务器以物理计数器提供的时间为基准，开始计时；接受到GPS时间后，根据高精度的恒温晶振判断GPS时间是否有效，如果无效，则不进行校时；如果有效，根据与GPS时间的差值调整本身计数的快慢，校时过程保证时间是连续的；校时后的时间通过485接口周期的发送到FC总线上，供整个系统使用。本发明采用物理计数器实现服务器的初始时间设置；采用标准电平方式硬件解析接受GPS的时间；FPGA内部实现GPS时间接受功能、手动输入时间功能、校时功能以及时间输出功能；校时功能会根据与GPS时间的差距自动调快或调慢，不会出现时间跳变或时间回退。本发明具有具有硬件设计简单，工作稳定等特点。
附图说明
图1是本发明所提供的时间服务器的结构框图；
其中：
1-FPGA；2-物理计数器；3-电池；4-晶振；5-FC总线。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种时间服务器，该时间服务器包括FPGA1、物理计数器2、晶振4、FC总线5以及电池3；物理计数器2以及晶振4接入FPGA1，FPGA1与FC总线5相连；电池3与物理计数器2相连。
FPGA1包括GPS时间输入端、时间输出端以及用于对输入时间进行校正的校时功能模块；物理计数器2、晶振4以及GPS时间输入端分别接入校时功能模块；校时功能模块通过时间输出端接入FC总线5。
FPGA1还包括与校时功能模块相连的手动时间输入端。
时间服务器还包括485通讯接口；时间输出端通过485通讯接口与FC总线5相连。
晶振4是恒温晶振，晶振的精度是0.05ppm。在1秒钟的间隔中，恒温晶振的周期计数误差不超过5次。如果两次GPS时间的秒脉冲间隔中，恒温晶振的周期计数误差超过10次，说明GPS时间不稳定，不采用GPS时间校时；如果误差在10次以内，GPS时间稳定有效。
同时，本发明还提供了一种如前所公开的时间服务器的时间提供方法，该方法包括以下步骤：
1）系统上电，由物理计数器2向FPGA1提供初始时间，并且开始计时；
2）判断是否收到由GPS时间输入端提供的GPS时间；若否，则按照步骤1）的方式计时；若是，则进行步骤3）；GPS时间包括时间信息以及秒脉冲；秒脉冲一直为低，为高时有效；秒脉冲的下降沿发送时间信息。
3）由恒温晶振4判断GPS时间是否有效，若有效，则由FPGA中的校时功能模块根据自身时间与GPS时间的快慢进行校时；若无效，则不进行校时，继续执行步骤3）直至GPS时间有效；
其中：
由晶振4判断GPS时间是否有效的具体实现方式是：
a）接收GPS时间；
b）根据GPS时间的帧格式，解析数据帧，去掉帧中的开始位、检验位以及停止位，把有效数据存储到固定的寄存器中，由FPGA1从存储有有效数据的寄存器中读取有效时间；
c）由恒温晶振4对相邻两次GPS时间的秒脉冲间隔中的误差进行周期计数；若晶振4的周期计数的误差超过10次，则GPS时间无效；若晶振4的周期计数的误差不高于10次，则GPS时间有效。
由FPGA1进行校时的具体实现方式是：
a）获取FPGA内部校时功能模块的时间与接收到的GPS时间中有效时间的差值；
b）若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中有效时间慢，则逐步加快FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中有效时间一致；若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中有效时间快，则逐步减缓FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中有效时间一致。
4）将由FPGA1进行校时后的时间发送至FC总线5。
本发明的工作原理是：
系统刚上电时，由物理计数器2向时间服务器提供初始时间，物理计数器2上有电池3供电，在系统下电后仍能保持时间，时间是正确的，但是准确度不高，为时间服务器提供一个初始的时间。没有收到GPS时间时，时间服务器以物理计数器2提供的时间为基准，开始计时。接受到GPS时间后，根据高精度的晶振4判断GPS时间是否有效，如果无效，则不进行校时；如果有效，根据与GPS时间的差值调整本身计数的快慢，校时过程保证时间是连续的。校时后的时间通过485接口周期的发送到FC总线5上，供整个系统使用。
物理计数器2内部集成有32.768KHz的晶体，物理计数器2外接电池3，保证在系统下电后，物理计数器2能正常计时；晶振4用于检测接受的GPS时间是否有效；FPGA内部实现GPS时间接受功能、手动输入时间功能、校时功能以及时间输出功能。
时间服务器要产生精确的时间，对接受的时间准确度有很高的要求，如果使用软件FIFO接受GPS时间，软件开销的时间不确定，不能保证校时算法功能块接受到GPS时间准确度，因此在FPGA1内部实现硬件解析GPS时间的功能块。
FPGA1根据GPS时间的帧格式，硬件解析数据帧，去掉帧中的开始位、检验位和停止位，把有效数据存储到固定的寄存器中，然后从这些寄存器中获取时间信息。
在物理计数器2提供的时间误差较大时，可采用手动输入时间的方式，把正确的时间通过提供的接口写入时间服务器中。
校时算法功能块中完成整个校时功能，上电后，校时算法功能块从物理计数器2获取初始时间，以此为基准，开始计时，当GPS时间有效后，判断本地时间与GPS时间的误差，如果本地时间比GPS时间慢，则本地时间跑快，如果本地时间比GPS时间快，则本地时间跑慢，一段时间后，本地时间会与GPS时间一致，从而完成校时功能。当手动输入时间时，输入的时间值直接把本地的时间覆盖，然后继续计时，保证在物理计数器2不能提供正确时间时，可手动修改时间。
校时后的时间通过485电平方式周期的发送到FC总线5上，使整个网络使用校时后的时间。发送时采用两路485方式，第一路为脉冲电平，第二路为数据，两边采用同一个时钟，脉冲有效4个周期后开始发送数据，保证数据发送的正确性。

Claims (9)

1.一种时间服务器，其特征在于：所述时间服务器包括FPGA、物理计数器、恒温晶振、FC总线以及电池；所述物理计数器以及恒温晶振分别通过FPGA接入FC总线；所述电池与物理计数器相连。
2.根据权利要求1所述的时间服务器，其特征在于：所述FPGA包括GPS时间输入端、时间输出端以及用于对输入时间进行校正的校时功能模块；所述物理计数器、恒温晶振以及GPS时间输入端分别接入校时功能模块；所述校时功能模块通过时间输出端接入FC总线。
3.根据权利要求2所述的时间服务器，其特征在于：所述FPGA还包括与校时功能模块相连的手动时间输入端。
4.根据权利要求2或3所述的时间服务器，其特征在于：所述时间服务器还包括485通讯接口；所述时间输出端通过485通讯接口与FC总线相连。
5.根据权利要求4所述的时间服务器，其特征在于：所述恒温晶振的精度是0.05ppm。
6.一种基于权利要求3所述的时间服务器的时间提供方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1）系统上电，由物理计数器向FPGA提供初始时间，并且开始计时；
2）判断是否收到由GPS时间输入端提供的GPS时间；若否，则按照步骤1）的方式计时；若是，则进行步骤3）；
3）由恒温晶振判断GPS时间是否有效，若有效，则由FPGA根据自身时间与GPS时间的快慢进行校时；若无效，则不进行校时，继续执行步骤3）直至GPS时间有效；
4）将由FPGA进行校时后的时间发送至FC总线。
7.根据权利要求6所述的时间提供方法，其特征在于：所述GPS时间包括时间信息以及秒脉冲；所述秒脉冲一直为低，为高时有效；所述秒脉冲的下降沿发送时间信息。
8.根据权利要求7所述的时间提供方法，其特征在于：所述步骤3）中由恒温晶振判断GPS时间是否有效的具体实现方式是：
a）接收GPS时间；
b）根据GPS时间的帧格式，解析数据帧，去掉帧中的开始位、检验位以及停止位，把有效数据存储到固定的寄存器中，由FPGA从存储有有效数据的寄存器中读取有效时间；
c）由恒温晶振对相邻两次GPS时间的秒脉冲间隔中的误差进行周期计数；若晶振的周期计数的误差超过10次，则GPS时间无效；若晶振的周期计数的误差不高于10次，则GPS时间有效。
9.根据权利要求8所述的时间提供方法，其特征在于：所述步骤3）中由FPGA进行校时的具体实现方式是：
a）获取FPGA内部校时功能模块的时间与接收到的GPS时间中有效时间的差值；
b）若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中有效时间慢，则逐步加快FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中有效时间一致；若FPGA内部校时功能模块的时间比GPS时间中有效时间快，则逐步减缓FPGA内部校时功能模块的时间，直至FPGA内部校时功能模块的时间与GPS时间中的有效时间一致。
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