CN105824232B - 一种便携式自校准授时装置及授时方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式高精度授时装置及授时方法包括一种授时终端系统(简称系统)和一种授时终端自校准方法(简称方法)；系统包括控制与信号处理模块、频率源模块、人机交互模块、电源模块、接口模块；方法包括：1)将授时终端系统A与待授时设备B的接口模块互连；2)授时终端系统A与待授时设备B作为Master和Slave终端，各输出T个秒脉冲；3)待授时设备B修正脉冲沿；4)待授时设备B基于本地时钟计算与授时终端系统A计数T秒的时间差；5)重复4)M次并对M次频率差取平均，再进行频率偏差补偿。本发明具有结构简单、成本低、界面友好、升级方便、不依赖外界频率源且授时精度高等优点，校准后的设备授时信号日稳定度＜±1ppb。

Description

一种便携式自校准授时装置及授时方法

技术领域

本发明涉及一种便携式自校准授时装置及授时方法，属于精确授时技术领域。

背景技术

"授时"("time service")是指确定、保持某种时间尺度，通过一定方式把这种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用的一整套工作。

高精度时间基准是通信、电力、银行、证券、税收、工业、商务以及国防建设等领域重要的基础保障平台之一，为计算机网络、计算机应用系统、信息系统、通信系统、流程控制管理、特种设备等提供精准的标准时间信号，最终可以为用户大幅度的提高系统或设备的运行品质和管理品质。精确的时间同步对于涉及国家经济社会安全的诸多关键基础设施至关重要，通信系统、电力系统、金融系统的有效运行都依赖于高精度时间同步。

目前常用的授时手段有短波授时、长波授时、卫星授时、互联网和电话授时等。在需要使用便携授时终端的应用场景下，基于GPS或“北斗”等卫星定位系统提供的授时服务目前最为流行。在授时精度上，基于GPS或北斗系统的授时设备精度可以达到纳秒级别。其他上述提到的授时手段也都依赖于外部授时系统，通过无线电波、电信网络等进行授时。但是在一些特殊的使用场景下，由于信号屏蔽和保密需要等多种原因，以上通过卫星、互联网和无线电信号进行授时的手段并不适用。需要完全依靠授时终端自身的频率源实现授时。

为了达到授时精度，使不同授时终端统一时基，需要在使用前对授时终端的输出信号的频率进行校准和补偿，使其频率稳定度满足精度要求，授时终端输出的信号脉冲与基准脉冲完全对齐。这种校准和补偿的过程称为“训练”。

发明内容

本发明为了克服目前常用的授时设备依赖外部时基进行授时，在信号屏蔽的情况下无法工作的不足，提出了一种便携式高精度授时装置及授时方法。

一种便携式高精度授时装置及授时方法，包括一种授时终端系统(简称系统)和一种授时终端自校准方法(简称方法)；

一种授时终端系统，简称授时终端系统，包括控制与信号处理模块、频率源模块、人机交互模块、电源模块、接口模块；

其中，控制与信号处理模块又主要由FPGA、单片机MCU、纽扣电池及外围控制电路构成；

频率源模块由晶振及晶振外部电路构成；人机交互模块由输入设备和输出设备组成；电源模块主要由充电电池、充电电路、电平转换电路及稳压电路组成；接口模块包括与被授时设备接口以及授时装置间训练接口；

在低成本条件下，人机交互模块中的输入设备为按键、输出设备为LED指示灯；在高成本条件下，输入设备和输出设备均为触控液晶屏；

一种授时终端系统内部各组成部分的连接关系为：

控制与信号处理模块的FPGA和单片机MCU相连，具体通过PCB电路板上的信号连接线相连；频率源模块和控制与信号处理模块相连；人机交互模块和控制与信号处理模块相连；控制与信号处理模块与接口模块相连；电源模块分别和控制与信号处理模块、人机交互模块、接口模块以及频率源模块相连；一种授时终端系统与被授时设备相连；接口模块与被授时设备或另一台授时终端系统相连；纽扣电池与控制与处理模块的单片机MCU相连；

一种授时终端系统中各个组成模块的功能如下：

控制与信号处理模块以频率源模块提供的高稳定度时钟作为参考，产生高精度的授时脉冲信号；与此同时，控制与信号处理模块处理人机交互模块提供的各种控制指令，实现授时与校准为主的功能；FPGA的功能主要是处理授时脉冲信号，校准信号和外部设备或人机交互模块输入的授时命令，单片机的功能主要是管理电源模块和产生全局时间信号；频率源模块稳定度依被授时设备的授时精度要求及晶振稳定度而定；

人机交互模块的功能是实现使用者与授时终端系统之间的交互；输入设备的功能是接收用户输入的控制命令并传输给授时终端系统中的控制与信号处理模块控制相应模块实现相应的功能；输出设备的功能是显示授时终端的自身状态；

接口模块的功能是实现与被授时设备接口兼容以及与被授时设备的电气特性和数据链路层通信协议物理匹配，将控制与信号处理模块输出的授时脉冲信号发送给被授时设备，并接收被授时设备的各种控制命令；授时装置间训练接口的功能是用于两台授时设备之间的通信，并实现自校准功能；

电源模块的功能是为工作过程中的一种授时终端系统的各模块供电，供电模式有直流电源供电和电池供电两种；充电电路的功能是对充电电池进行充电；电平转换电路的功能是将充电电池输出的固定电平转换成各个模块所需要的电平；稳压电路的功能是减小电源纹波；纽扣电池的功能是为单片机MCU内部的实时时钟系统供电，使得一种授时终端系统在电源模块关闭之后，仍能保持记录系统的绝对时间信息，此绝对时间信息包括年、月、日、时、分以及秒；在收到被授时设备发送的绝对时间请求信号时，可以提供绝对时间授时服务；

一种授时终端自校准方法，具体通过以下步骤实现：

步骤一、将授时终端系统A的接口模块与待授时设备B的接口模块互连；

所述的授时终端系统A是一种授时终端系统；

所述的待授时设备B可以是与授时终端系统A相同的一种授时终端系统也可以是其他被授时设备；

步骤二、授时终端系统A作为Master终端，其晶振输出一个T秒的授时训练脉冲，也输出T个秒脉冲作为授时训练脉冲；与此同时，待授时设备B作为Slave终端，也输出T个秒脉冲；

其中，T的范围为64到1024，且T为2的整数次方；

其中，待授时设备B输出的T个秒脉冲与授时终端系统A输出T秒授时脉冲彼此独立；

步骤三、待授时设备B根据授时终端系统A输出的授时训练脉冲修正自己的脉冲沿，使得待授时设备B的输出脉冲和授时终端系统A的输出脉冲起始沿对齐；

步骤四、待授时设备B基于本地时钟的两个计数器，计算与授时终端系统A的计数偏差，再进一步计算出时间差δ；

具体为：待授时设备B基于本地时钟分别使用counter1和counter2对接收到的授时终端系统A发出的授时训练脉冲和自身输出的秒脉冲进行计数，每隔T秒统计counter1和counter2中的计数值，并记录计数值之间的差距除以时钟频率，得出两者counter1和counter2计数结果的时间差δ；

步骤五、重复步骤四M次，再对待授时设备B M次测量的δ取平均，作为待授时设备B和授时终端系统A之间的频率偏差，将其补偿到自身输出的授时脉冲信号后即完成对待授时设备B的训练过程；

其中，M的取值范围为3次到10次；

至此，从步骤一到步骤五完成了一种授时终端自校准方法。

有益效果

本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法，与现有授时装置与授时方法相比，具有如下有益效果：

1.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法中所提的授时终端系统具有结构简单、开发成本低以及授时精度高的特点；

2.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法能够不依赖外界频率源的情况下实现高精度授时，适用于无法使用卫星、网络和无线电进行授时的环境；

3.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法具备自校准功能，保证了每次使用前的授时精度，经过校准的设备可以保证授时信号日稳定度＜±1ppb；

4.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法的授时终端系统，其核心信号处理模块采用FPAG，具有开发简单、方便功能上的升级和二次开发的优势；

5.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法中到授时终端系统的接口模块能够兼容多种接口，可以为各种设备提供授时服务；

6.本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法中的授时终端系统具有人机界面友好、使用者可以通过输入设备控制授时装置的实现不同功能，以及可在输出设备上查看授时终端系统的状态。

附图说明

图1是本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法及其实施例1中一种授时终端系统的结构示意图；

图2是本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法中及其实施例2中一种授时终端自校准方法的流程图；

图3是本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法及其实施例2中一种授时终端自校准方法的授时终端训练过程示意图；

图4是本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法及其实施例3中一种授时终端系统的结构示意图；

图5是本发明一种便携式自校准授时装置及授时方法及其实施例3中人机交互模块的LED指示灯组和按键控制组组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例1

在本实施例中提供了本发明一种便携式高精度授时装置及授时方法中一种授时终端系统的结构示意，如图1所示。

从图1可以看出，本实施例的一种授时终端系统包括控制与信号处理模块、频率源模块、接口模块、人机交互模块和电源模块；

其中，控制与信号处理模块为本发明的核心部分，实现了授时与自校准两个核心功能；频率源模块为控制与信号处理模块提供时钟参考；接口模块兼容被授时设备的各种物理接口；人机交互模块提供与使用者的良好交互界面；电源模块为整个设备的各个模块供电；在所有模块的协同工作下，该系统能实现授时与自校准功能；

控制与信号处理模块主要由FPGA、单片机MCU、纽扣电池以及为这两个主要电子器件：FPGA和单片机MCU提供辅助功能的外围电路构成；频率源模块主要由晶振组成；

其中，FPGA依据频率源模块中的晶振提供的高精度时钟，在授时模式下产生授时用的高精度授时脉冲信号，在训练模式下执行预设的训练算法，实现不同授时设备之间的统一时基，同时也负责处理人机交互任务；单片机主要负责管理电源模块、响应FPGA的请求提供系统绝对时间；频率源模块为授时装置提供高精度的参考时钟，决定了授时装置所能实现授时精度的上限；

本实施例的频率源模块由一块高稳定度的恒温晶振、屏蔽盒结构及晶振外部电路构成，所选恒温晶振的日稳定度优于±1ppb；相比于温补晶振，恒温晶振不需要进行温度补偿，更适宜在高精度要求的情况下使用；

为了使恒温晶振能保证日稳定度，在电路板设计的时候需要充分考虑外界信号的屏蔽隔离问题，所以为晶振设计有单独的供电电路，并在结构上设计有屏蔽外界电磁辐射的屏蔽盒结构；

接口模块中与被授时设备接口兼容被授时设备的电气特性与通信协议，具体包括RS422接口、CAN总线接口、开关量接口、1553B接口，可以实现授时信号和其他通信数据帧的可靠传输，还可为各种待授时设备提供授时接口服务；接口模块中的授时装置间接口采用LVDS电平，因只发送训练信号，不涉及通信链路层协议；

本实施例中的人机交互模块提供给使用者良好的人机交互界面；在实施例中，由于控制成本的原因，人机交互模块的输入设备为按键；输出设备为LED指示灯，使用者通过按下不同按键实现不同功能的选择，LED指示灯显示授时装置的实时状态；

所述的授时装置的实时状态包括授时模式、训练模式、训练模式下的Master/Slave终端；

电源模块中的充电电池为可充电锂离子电池；为其他模块提供电能；

由于本实施例的一种授时终端系统在使用时需要被携带至不同地点对待授时设备进行授时，因此在这种情况下授时终端的续航问题成为亟需解决的关键问题；锂离子充电电池能量密度大，平均输出电压高，可以满足便携式终端的授时要求；电源模块中的电平转换电路将锂离子电池输出的7.4V电平转换成本实施例中的一种授时终端系统中各模块所需的1.8V、3.3V、5V、12V、24V电平；稳压电路滤除影响授时稳定度的纹波；

本实施例通过所包含的各个模块组合，能够简便快捷地实现授时功能、自校准功能以及与使用者之间的交互。

具体的，从图1可以看出本实施例具有组成模块少、具有结构简单的特点，从而进一步使得开发成本较低；

从图1中还可以看出，频率源包括晶振，因此，可以本发明及实施例中提出的一种授时终端系统可以不依赖外界频率源实现授时，很适用于无法使用卫星、网络和无线电进行授时的环境。

从图1还可以看出，本发明及实施例的一种授时终端系统，其核心信号处理模块采用FPAG，具有开发简单、方便功能上的升级和二次开发的优势。

实施例2

本实施例主要叙述本发明所实现的两个核心功能：授时及自校准功能的具体步骤。

其中，所述的授时功能的核心思想为：授时装置产生周期为1秒的脉冲周期信号，提供给被授时设备，作为时间基准；同时将记录了一种授时终端系统的年、月、日、时、分、秒等绝对时间信息的数据帧发送给待授时设备，具体实施步骤如下：

步骤1)将两台或多台授时终端系统通过接口模块互相连接，完成自校准过程，获得统一时间基准；

步骤2)将步骤1)中的各台授时终端系统通过接口模块分别连接至各台待授时设备，在授时终端系统完成自校准到与被授时设备连接的过程中，授时终端系统要保持上电状态；

步骤3)使用者通过人机交互模块设定授时终端系统实现对被授时设备的授时功能，即：发送周期为1秒的脉冲授时信号，由经过自校准的多台授时终端系统进行授时的各台被授时设备就具有了统一的时间基准；

步骤4)被授时设备如果需要授时终端系统提供包含年、月、日、时、分、秒的绝对时间信息，具体通过授时终端系统的接口模块向授时系统发送绝对时间请求；

步骤5)授时终端系统收到步骤4)发送的绝对时间请求后由控制与信号处理模块的单片机MCU产生绝对时间信息，以ATI时间码的形式由接口模块发送给被授时设备；

步骤6)授时终端系统依靠自身的电源模块，可以在24小时的时间内为被授时设备提供统一时基的授时服务。

2.自校准功能

两台授时装置之间通过发送训练信号，实现输出的授时脉冲信号的频率和相位一致。使得两台装置发送的授时信号具有统一的时间基准。下面将结合说明书附图图2和图3对自校准功能的实施步骤进行描述。

其中，图2是本发明及其实施例一种授时终端自校准方法的流程图；图3是本发明及其实施例一种授时终端自校准方法的授时终端训练过程示意图。

授时终端自校准方法实施步骤为：

步骤A)将授时终端系统A和授时终端系统B通过接口模块互连；

步骤B)授时终端系统A作为Master终端的晶振输出一个T＝256秒脉冲作为授时训练脉冲，也输出256个秒脉冲作为授时脉冲；与此同时，授时终端系统B作为Slave终端在训练之前输出256个秒脉冲；其中，授时终端系统B输出的256个秒脉冲和授时终端系统A输出的授时脉冲应该彼此独立；

步骤C)授时终端系统B根据授时终端系统A输出的训练脉冲修正自己的脉冲沿，使得授时终端系统B的输出脉冲和授时终端系统A的输出脉冲起始沿对齐；

步骤D)授时终端系统B基于本地时钟分别使用counter1和counter2对授时终端系统A和授时终端系统B输出的训练脉冲进行计数，每计数满一个训练脉冲周期(T＝256s)后清零一次，将counter1和counter2计数差值记录为两个训练脉冲间的时间间距δ；

步骤E)重复步骤D)4次，授时终端系统B取4次测量的δ的均值作为授时终端系统B和授时终端系统A之间的频率偏差，将其补偿到自身输出的授时脉冲信号后即完成对终端B的训练过程；

如图3所示，在自校准训练过程开始之前，便携式授时终端B输出的秒脉冲授时信号与便携式授时终端A输出的秒脉冲授时信号之间存在频率和相位上的差异，不具备共同的时间基准；在完成自校准训练过程之后，便携式授时终端B输出的秒脉冲授时信号与便携式授时终端A输出的秒脉冲授时信号具有相同的频率和相位，便携式授时终端B与便携式授时终端A具有相同的时间基准。

经过上述实施步骤，实施例所述的一种授时终端系统可以在30分钟内完成自校准，校准后的授时终端系统授时精度＜100us@24hours，即可以保证日稳定度<±1ppb。

实施例3

更具体的，本实施例3中的一种授时终端系统包括授时主体模块、可充电锂电池和保护机壳，其中授时主体模块的内部结构示意图如图4所示；实施例的外观设计与保护机壳设计如图5所示。从图4中可以看出：授时主体模块包括控制与信号处理模块、频率源模块、接口模块、人机交互模块和电源模块；控制与信号处理模块由Spartan-6系列FPGA、STM32系列单片机、纽扣电池及它们的外围电路组成；频率源模块的主体部分为一块高稳恒温晶振；接口模块由RS422接口、开关量接口以及1553B接口组成；电源模块由可充电锂电池、锂电充电芯片、电源芯片组成。人机交互模块由LED指示灯组和按键控制组组成(如图5所示)。

实施例3控制与信号处理模块中的FPGA采用Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA。该系列的FPGA具有价格便宜、功耗低的特点，能够满足本实施例低造价、低功耗以满足长时间续航的要求；同时Spartan-6系列FPGA的内部资源足够实现授时功能和自校准功能的相关算法；外部引脚较多，足够与单片机、接口模块以及人机交互模块互连。

实施例3控制与信号处理模块中的单片机MCU采用意法半导体公司的STM32系列单片机。该系列单片机同样具有高性能、低造价、低功耗的特点。在本实施例中，单片机负责管理电源芯片、响应FPGA的请求发送包含年、月、日、时、分、秒的绝对时间信息的时间码。

图5为本实施例人机交互模块的外观设计与保护机壳图示。由图中可以看出，本实施例的人机交互模块由LED指示灯组和按键控制组两部分组成。使用者通过按键控制组输入控制命令，便携授时装置的状态通过LED指示灯组显示，从而实现一个完整的人机交互过程。

综上，本实施例通过以上控制与信号处理模块、频率源模块、接口模块、人机交互模块和电源模块的组合，构成一个完整的授时主体模块，可以实现本发明所述的授时功能和自校准过程。并且具有低成本、低功耗以及外观简洁和易于操作的特点。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对多有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种授时终端系统，其特征在于：包括控制与信号处理模块、频率源模块、人机交互模块、电源模块、接口模块；

其中，控制与信号处理模块又主要由FPGA、单片机MCU、纽扣电池及外围控制电路构成；

频率源模块由一块高稳定度的恒温晶振、屏蔽盒结构及晶振外部电路构成；

其中，恒温晶振的日稳定度优于±1ppb；相比于温补晶振，恒温晶振不需要进行温度补偿，更适宜在高精度要求的情况下使用；

人机交互模块由输入设备和输出设备组成；电源模块主要由充电电池、充电电路、电平转换电路及稳压电路组成；

电源模块中的充电电池为可充电锂离子电池，为其他模块提供电能；

接口模块包括与被授时设备接口以及授时装置间训练接口；

在低成本条件下，人机交互模块中的输入设备为按键、输出设备为LED指示灯；

使用者通过按下不同按键实现不同功能的选择，LED指示灯显示授时装置的实时状态；

所述的授时装置的实时状态包括授时模式、训练模式、训练模式下的Master/Slave终端；

在高成本条件下，输入设备和输出设备均为触控液晶屏；

所述的一种授时终端系统中各个组成模块的功能如下：

控制与信号处理模块以频率源模块提供的高稳定度时钟作为参考，产生高精度的授时脉冲信号；与此同时，控制与信号处理模块处理人机交互模块提供的各种控制指令，实现授时与校准为主的功能；FPGA的功能主要是处理授时脉冲信号，校准信号和外部设备或人机交互模块输入的授时命令，单片机的功能主要是管理电源模块和产生全局时间信号；频率源模块稳定度依被授时设备的授时精度要求及晶振稳定度而定；

人机交互模块的功能是实现使用者与授时终端系统之间的交互；输入设备的功能是接收用户输入的控制命令并传输给授时终端系统中的控制与信号处理模块控制相应模块实现相应的功能；输出设备的功能是显示授时终端的自身状态；

接口模块的功能是实现与被授时设备接口兼容以及与被授时设备的电气特性和数据链路层通信协议物理匹配，将控制与信号处理模块输出的授时脉冲信号发送给被授时设备，并接收被授时设备的各种控制命令；授时装置间训练接口的功能是用于两台授时设备之间的通信，并实现自校准功能；

电源模块的功能是为工作过程中的一种授时终端系统的各模块供电，供电模式有：直流电源供电和电池供电两种；充电电路的功能是对充电电池进行充电；电平转换电路的功能是将充电电池输出的固定电平转换成各个模块所需要的电平；稳压电路的功能是减小电源纹波；纽扣电池的功能是为单片机MCU内部的实时时钟系统供电，使得一种授时终端系统在电源模块关闭之后，仍能保持记录系统的绝对时间信息，此绝对时间信息包括年、月、日、时、分以及秒；在收到被授时设备发送的绝对时间请求信号时，可以提供绝对时间授时服务；

所述的一种授时终端系统内部各组成部分的连接关系为：

控制与信号处理模块的FPGA和单片机MCU相连，具体通过PCB电路板上的信号连接线相连；频率源模块和控制与信号处理模块相连；人机交互模块和控制与信号处理模块相连；控制与信号处理模块与接口模块相连；电源模块分别和控制与信号处理模块、人机交互模块、接口模块以及频率源模块相连；一种授时终端系统与被授时设备相连；接口模块与被授时设备或另一台授时终端系统相连；纽扣电池与控制与处理模块的单片机MCU相连。

2.一种授时终端自校准方法，其特征在于：具体通过以下步骤实现：

步骤一、将授时终端系统A的接口模块与待授时设备B的接口模块互连；

步骤二、授时终端系统A作为Master终端，其晶振输出一个T秒的授时训练脉冲，也输出T个秒脉冲作为授时训练脉冲；与此同时，待授时设备B作为Slave终端，也输出T个秒脉冲；

步骤三、待授时设备B根据授时终端系统A输出的授时训练脉冲修正自己的脉冲沿，使得待授时设备B的输出脉冲和授时终端系统A的输出脉冲起始沿对齐；

步骤四、待授时设备B基于本地时钟的两个计数器，计算与授时终端系统A的计数偏差，再进一步计算出时间差δ；

步骤五、重复步骤四M次，再对待授时设备B M次测量的δ取平均，作为待授时设备B和授时终端系统A之间的频率偏差，将其补偿到自身输出的授时脉冲信号后即完成对待授时设备B的训练过程。

3.如权利要求2所述的一种授时终端自校准方法，其特征还在于：步骤一中的授时终端系统A是一种授时终端系统；待授时设备B可以是与授时终端系统A相同的一种授时终端系统也可以是其他被授时设备。

4.如权利要求2所述的一种授时终端自校准方法，其特征还在于：步骤二中，T的范围为64到1024，且T为2的整数次方；

待授时设备B输出的T个秒脉冲与授时终端系统A输出T秒授时脉冲彼此独立。

5.如权利要求2所述的一种授时终端自校准方法，其特征还在于：步骤四具体为：待授时设备B基于本地时钟分别使用counter1和counter2对接收到的授时终端系统A发出的授时训练脉冲和自身输出的秒脉冲进行计数，每隔T秒统计counter1和counter2中的计数值，并记录计数值之间的差距除以时钟频率，得出两者counter1和counter2计数结果的时间差δ。

6.如权利要求2所述的一种授时终端自校准方法，其特征还在于：步骤五中M的取值范围为3次到10次。