CN109039515A - 一种b码同步的高精度实时时间源生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，包括如下步骤：程序启动，等待B码信号启动；找到B码信号的信号头；记录秒同步信号，并对计数器清零；B码解码模块采用B码解码进行秒以上时间的译码；当外界无B码信号后，时钟管理模块进行秒以下时间的计数；将秒以上时间和秒以下时间结合得到当前解码的日期和时间值。本发明采用B码解码进行秒以上时间的译码，采用数晶振脉冲的方式进行秒以下时间的计算，通过秒以下时间和秒以上时间的结合可以得到准确的时间。从而可以用于打时间戳、均匀发包或者主机读取时间。

Description

一种B码同步的高精度实时时间源生成方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体来说，涉及一种B码同步的高精度实时时间源生成方法。

背景技术

IRIG是英文Inter Range Instrumentation Group的缩写，是美国靶场司令委员会的下属机构，由美国各靶场的代表、三军代表、国防部、国家航空航天局和国家标准局的代表组成。它的职责是负责靶场间的信息交换，制订标准、协调设备的研制和协调靶场间的相互配合。它所制定的IRIG标准，已成为国际上通用标准，在西欧、日本、澳大利亚等处得到了广泛的应用。

IRIG的时间标准有两大类:一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，远不如串行格式广泛;另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码。B型码的时帧速率为1帧/秒;可传递100位的信息。作为应用广泛的时间码，B型码具用以下主要特点:携带信息量大，经译码后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息;高分辨率;调制后的B码带宽，适用于远距离传输;分直流、交流两种;具有接口标准化，国际通用等特点。

IRIG-B(直流DC)码的接口通常采用TTL接口和RS422(V.11)接口。IRIG-B(交流AC)码的接口采用平衡接口。IRIG-B(DC)码的同步精度可达几十纳秒量级，IRIG-B(AC)码的同步精度一般为10~20us(微秒)。

通过对IRIG-B码编码格式进行解析就可以得到实时时钟的秒以上值，包括：年月日时分秒，并且B码的发送频率是一秒一次，可以作为时标，以此同步。附图2列出了B码的部分编码。

每秒一帧的时间串码，每个码元宽度为10ms，一个时帧周期包括100个码元，为脉宽编码。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度为8ms；每10个码元有一个位置识别标志：P1,P2,P3，…，P9,P0，它们均为8ms宽度；PR为帧参考点；二进制“1”和“0”的脉宽为5ms和2ms。

一个时间格式帧从帧参考标志开始，简称“信号头”。连续两个8ms宽脉冲表明秒的开始，从第二个8ms开始对码元进行编码，分别为第0，1，2，…，99个码元。在B码时间格式中含有天、时、分、秒。时序为秒-分-时-天，所占信息位为秒7位、分7位、时6位、天10位，其位置在P0～P5之间。P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息：第1，2，3，4，6，7，8码元；“分”信息：第10，11，12，13，15，16，17码元；“时”信息：第20，21，22，23，25，26，27码元；第5，14，24码元为索引标志，宽度为2ms。时、分、秒均用BCD码表示，低位在前，高位在后；个位在前，十位在后。

秒值和分值最大为59，用BCD码表示为101 1001B，长度为7位。时值最大为23，用BCD码表示为10 0011B，长度6位。天值最大为365，BCD码为11 0110 0101B，长度10位。 天值表示在一年中的序号，查万年历可以转换成月、日值。2001年至2099年之间的年值被4整除就是闰年，简单转换即可。

IRIG-B码数据的发布者是时统设备，这些设备接收来自北斗导航卫星、GPS卫星、原子钟、授时台、PTP校时等一种或多种来源的报时信号，综合后发布实时时钟，是绝对准确的时间，通常与协调世界时UTC（英文Coordinated Universal Time的缩写，又称世界统一时间，世界标准时间，国际协调时间）完全一致，是国际通用的时间。

上位机上的软件需要将B码时间转换为本地时，即北京时间，加8个小时。

与B码时间校时的意义在于，所有的采集卡、时间标准都是统一的。不同设备之间的数据可以横向比较，计算时间差。

通常秒以下的时间数值来源于晶体振荡器，例如：频率1MHz的晶振震荡周期是1微秒，通过计数器统计脉冲数量，计数值满1百万就是1秒。要获得更高精度，需要更高频率的晶振。频率100MHz的晶振震荡周期是10纳秒。

晶振分为商用级、工业级、军品级、航天级等，越往上价格越贵，而且是数倍至几十倍。因此，不同厂家在生产产品时，首先考虑成本因素，会选用商用级。石英晶体的震荡频率受温度影响很大，随着温度的上升，震荡频率不断升高变快，相应的时间刻度变窄，从而影响了实时时钟的准确性，由此得到的“时间戳”就变快了。由于网络数据采集卡插在机箱内长时间运行，封闭环境散热有限，温度自然会升高，如果没有温度控制，那么就会变快。

在我们的高精度数据采集卡中，秒以上部分和秒以下部分，是分别存储的。我们曾经测试过，如果拆除温度控制电路，运行3个小时后，曾经出现过110万微秒的数值，表明计数器统计了110万个脉冲了还没有到一秒，说明震荡频率大约加快了10%以上。所以必需设置温度控制电路。

从网络上捕获数据包后，需要读取当前的实时时间，称之为打“时间戳”。有些纯软件，例如Winpcap是从计算机取时间，秒以下的微秒值是调用特殊的函数，根据计算机的晶振频率（也称为“主频”）反算出来的，准确度不够。

在Windows操作系统中，函数QueryPerformanceCounter可以返回Windows启动时刻到当前时刻的滴答数（计数器Counter值），再除以函数QueryPerformanceFrequency返回的频率值（频率Frequency，它表示高性能计时器1秒钟的计数次数），就得到了Windows从启动以来的时间值，精度可以到微秒值。注意，这里得到的还是相对时间，再找一个基准，记录基准点的计数器Counter值以及基准点的年月日时分秒值。用差值换算得到“时间戳”。操作流程如下：

（1）调用函数QueryPerformanceFrequency，得到频率值Freq；

（2）定义基准点，读取计算机时间作为基准时间T0，包含了年月日时分秒及毫秒值；

（3）在基准点调用QueryPerformanceCounter得到基准计数值Counter0；

（4）抓到一个数据包，调用QueryPerformanceCounter得到抓包时刻的计数器值Counter1；

（5）计算计数器差，换算成时间差。

DCnt = Counter1 - Counter0

DTime = DCnt / Freq

此时，时间差的位数可以到微秒，甚至是纳秒。

（6）加上基准时间，得到了抓包“时间戳”

Tcap = T0 + DTime

从这个流程中发现了三个问题：

（1）频率值Freq是不准确的，随着温度会漂移。

（2）基准时间T0，只能到毫秒。这是受制于校时标准，NTP校时只能到毫秒。除非是用GPS卡等硬件卡可以提高计算机的精度。

（3）基准时间T0必须与基准计数值Counter0同时获取，但实际上计算机难以做到。

由于存在这些问题，虽然两个计数器的值是准确的，但是“时间戳”仍然是不准确的。有些厂家研发了硬件采集卡，也选用了高精度晶振，也不惜工本添加了温控电路，但是因为没有B码同步，只能提供震荡频率的计数器值作为“时间戳”，然后由上位机解析再转换成时间值。整个过程中，仍然缺乏统一的绝对时间，使得转换的时间有问题。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，包括如下步骤：

S1：程序启动，等待B码信号启动；

S2：找到B码信号的信号头；

S3：记录秒同步信号，并对计数器清零；

S4：B码解码模块采用B码解码进行秒以上时间的译码，具体包括：

S4.1：采用B码解码进行秒值、分值、时值和天值的译码；

S4.2：天值译码结束后，调用转换子程序，将天值转换成年、月和日值；

S5：当外界无B码信号后，时钟管理模块进行秒以下时间的计数；

S6：将秒以上时间和秒以下时间结合得到当前解码的日期和时间值。

进一步的，步骤S2具体为：解码模块判断当前码元的宽度是否是8ms，如果不是，则等待对下一码元的判断，如果是，则判断该码元与下一码元是否是连续的两个8ms，如果是连续的两个8ms，则B码信号的信号头就是P0信号和帧参考点PR信号。

进一步的，步骤S4.1中，秒值译码具体为：2ms码元宽度代表“0”，5ms码元宽度代表“1”，低位在前，高位在后，BCD码格式，采用移位计算方式进行译码。

进一步的，在秒值译码中，解码模块判断码元宽度是否为8ms，如果不是，则继续移位计算秒值，如果是，则表示秒值传输完毕，程序记录秒值，开始转入分值译码。

进一步的，分值的译码与秒值的译码相同，且分值译码中遇到码元宽度为8ms，则表示分值译码结束；时值译码和天值译码的步骤与分值译码相同。

进一步的，步骤S4.2中，在转换中要注意闰月问题，以及跨年处理。

进一步的，步骤S5中，秒以下时间的计数采取的是计数器读取晶体振荡器脉冲的方式得到，当计时器的值达到一秒后，时钟的秒值进位，如果秒到60后，分钟值进位，秒位清零；同样，分钟值到60后，小时值进位，分钟值清零；小时值到24后，小时值清零，年月日按照万年历进位。

优选的，晶体振荡器带有温度控制电路，温度控制电路获知当前晶振温度，如果偏高，则用半导体制冷降温；如果未达到温度范围，则加温，使得晶振处于正常温度范围，保证其频率稳定性。

本发明的有益效果：本发明采用B码解码进行秒以上时间的译码，采用数晶振脉冲的方式进行秒以下时间的计算，通过秒以下时间和秒以上时间的结合可以得到准确的时间。从而可以用于打时间戳、均匀发包或者主机读取时间。

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是根据本发明实施例所述的B码解码模块的流程图；

图2是B码编码格式的局部示意图。

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，根据本发明实施例所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，包括如下步骤：

S1：程序启动，等待B码信号启动；

S2：找到B码信号的信号头；

S3：记录秒同步信号，并对计数器清零；

S4：B码解码模块采用B码解码进行秒以上时间的译码，具体包括：

S4.1：采用B码解码进行秒值、分值、时值和天值的译码；

S4.2：天值译码结束后，调用转换子程序，将天值转换成年、月和日值；

S5：当外界无B码信号后，时钟管理模块进行秒以下时间的计数；

S6：将秒以上时间和秒以下时间结合得到当前解码的日期和时间值。

在一具体实施例中，步骤S2具体为：解码模块判断当前码元的宽度是否是8ms，如果不是，则等待对下一码元的判断，如果是，则判断该码元与下一码元是否是连续的两个8ms，如果是连续的两个8ms，则B码信号的信号头就是P0信号和帧参考点PR信号。

在一具体实施例中，步骤S4.1中，秒值译码具体为：2ms码元宽度代表“0”，5ms码元宽度代表“1”，低位在前，高位在后，BCD码格式，采用移位计算方式进行译码。

在一具体实施例中，在秒值译码中，解码模块判断码元宽度是否为8ms，如果不是，则继续移位计算秒值，如果是，则表示秒值传输完毕，程序记录秒值，开始转入分值译码。

在一具体实施例中，分值的译码与秒值的译码相同，且分值译码中遇到码元宽度为8ms，则表示分值译码结束；时值译码和天值译码的步骤与分值译码相同。

在一具体实施例中，步骤S4.2中，在转换中要注意闰月问题，以及跨年处理。

在一具体实施例中，步骤S5中，秒以下时间的计数采取的是计数器读取晶体振荡器脉冲的方式得到，当计时器的值达到一秒后，时钟的秒值进位，如果秒到60后，分钟值进位，秒位清零；同样，分钟值到60后，小时值进位，分钟值清零；小时值到24后，小时值清零，年月日按照万年历进位。

在一具体实施例中，晶体振荡器带有温度控制电路，温度控制电路获知当前晶振温度，如果偏高，则用半导体制冷降温；如果未达到温度范围，则加温，使得晶振处于正常温度范围，保证其频率稳定性。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

根据本发明所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，包括秒以上信号的生成和秒以下信号的生成，秒以上信号的生成采用FPGA逻辑编程，按照B码规范提取时间BCD编码数值，记录下来，从而得到统一时间年月日时分秒。利用识别到的信号头，作为秒同步信号，输送给时钟管理模块，以便对计时模块的计数器清零。B码解码模块程序流程如附图所示，程序启动后，等待B码信号启动，判断当前码元的宽度是否为8ms，未找到则等待，找到了再继续查找，判断是否为连续2个8ms。如果是，则找到了信号头，就是P0信号和帧参考点PR信号。然后记录秒同步信号，对计数器清零。随后开始秒值译码，2ms码元宽度代表“0”，5ms码元宽度代表“1”，低位在前，高位在后，BCD格式，采用移位计算方式进行译码。判断码元宽度是否为8ms，如果不是，则继续移位计算秒值。如果是，则表示秒值传输完毕，程序记录秒值，开始转入分值译码，译码过程与秒值相同。接着是时值和天值。天值后面遇到码元宽度为8ms的，表示天值传输结束。调用转换子程序，将天值转换成年、月、日值。在转换中要注意闰月问题，以及跨年处理。至此本次解码结束，保存当前解码的日期和时间值。再次等待B码信号的启动，循环往复。B码传输的时间来自于外部的世界标准时间，为统一时间，所以解码得到的时间就是当前这一秒的绝对时间和统一时间。不同设备之间，这个时间是唯一的，绝对的。另外，利用解码过程中获得的1ms标准信号，对晶振频率进行检查，验证频率漂移幅度是否超标，如果发现超过预定值，则设置错误标志，通知上位机做相应的处理。

本发明的晶体振荡器采用工业级晶体振荡器，保证其精度达到要求。晶振频率为100MHz，时间分辨率可达10纳秒。在满足B码校时的情况下，可保证100纳秒的精度和准确度。晶体振荡器带有温度控制电路，温度控制电路包括温度传感器，温度传感器用于获知当前晶振温度，如果偏高，则用半导体制冷降温。如果未达到温度范围，则加温，使得晶振处于正常温度范围。保证其频率稳定性。

秒以下时间采用计时模块对晶振的脉冲信号进行计数，实现数字累加。当B码解码模块发现秒同步后，自动清零计时模块，保证了误差不累积。这是区别于其他厂家无B码校时的一个重要特点。外界无B码信号后，时钟管理模块自动进行计时，计时模块达到一秒后，时钟的秒值进位，如果秒到60后，分钟值进位，秒位清零。同样，分钟值到60后，小时值进位，分钟值清零。小时值到24后，小时值清零，年月日按照万年历进位。这样保证了采集卡能够正常工作。由于采用恒温的高精度晶振，可以准确运行相当长一段时间，直到外部B码信号恢复。

本发明生成的时间可以用于打时间戳、定时发包、上位机获取时间。每采集到一个数据包就需要打上时间戳，读取实时时钟，这个过程是随机的。定时发包是一个循环过程，实时读取当前时间，与预计发包时间进行比对，如果未到则等待；如果已经到达，则将数据包发送出去。这个过程要反复经常读取时间。由于计算机内部的时间是不准确的，上位机需要定时获取准确的实时时间作为后续工作的依据。

综上所述，本发明采用B码解码进行秒以上时间的译码，采用数晶振脉冲的方式进行秒以下时间的计算，通过秒以下时间和秒以上时间的结合可以得到准确的时间。从而可以用于打时间戳、均匀发包或者主机读取时间。

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 (8)

1.一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：程序启动，等待B码信号启动；

S2：找到B码信号的信号头；

S3：记录秒同步信号，并对计数器清零；

S4：B码解码模块采用B码解码进行秒以上时间的译码，具体包括：

S4.1：采用B码解码进行秒值、分值、时值和天值的译码；

S4.2：天值译码结束后，调用转换子程序，将天值转换成年、月和日值；

S5：当外界无B码信号后，时钟管理模块进行秒以下时间的计数；

S6：将秒以上时间和秒以下时间结合得到当前解码的日期和时间值。

2.根据权利要求1所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，步骤S2具体为：解码模块判断当前码元的宽度是否是8ms，如果不是，则等待对下一码元的判断，如果是，则判断该码元与下一码元是否是连续的两个8ms，如果是连续的两个8ms，则B码信号的信号头就是P0信号和帧参考点PR信号。

3.根据权利要求1所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，步骤S4.1中，秒值译码具体为：2ms码元宽度代表“0”，5ms码元宽度代表“1”，低位在前，高位在后，BCD码格式，采用移位计算方式进行译码。

4.根据权利要求3所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，在秒值译码中，解码模块判断码元宽度是否为8ms，如果不是，则继续移位计算秒值，如果是，则表示秒值传输完毕，程序记录秒值，开始转入分值译码。

5.根据权利要求4所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，分值的译码与秒值的译码相同，且分值译码中遇到码元宽度为8ms，则表示分值译码结束；时值译码和天值译码的步骤与分值译码相同。

6.根据权利要求5所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，步骤S4.2中，在转换中要注意闰月问题，以及跨年处理。

7.根据权利要求1所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，步骤S5中，秒以下时间的计数采取的是计数器读取晶体振荡器脉冲的方式得到，当计时器的值达到一秒后，时钟的秒值进位，如果秒到60后，分钟值进位，秒位清零；

同样，分钟值到60后，小时值进位，分钟值清零；

小时值到24后，小时值清零，年月日按照万年历进位。

8.根据权利要求7所述的一种B码同步的高精度实时时间源生成方法，其特征在于，晶体振荡器带有温度控制电路，温度控制电路获知当前晶振温度，如果偏高，则用半导体制冷降温；如果未达到温度范围，则加温，使得晶振处于正常温度范围，保证其频率稳定性。