CN110928176A - 一种支持多种授时技术的多功能授时设备 - Google Patents

一种支持多种授时技术的多功能授时设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持多种授时技术的多功能授时设备，包括：FPGA包括：IRIGB解码单元、自守时单元、秒脉冲解码单元以及用户接口单元；嵌入式处理器向FPGA提供时间数据和秒脉冲；自守时单元包括秒脉冲同步模块、时间自守时模块和输出自守时秒脉冲模块；自守时单元根据从B码提取的时间数据和秒脉冲信号维护时间，用户接口模块实现PCIe总线接口，从自守时单元获取时间信息并向用户提供时间服务；秒脉冲解码模块包括秒脉冲提取模块和秒脉冲合法性检查模块；秒脉冲合法性检查模块根据脉冲宽度和时间间隔为判断准则，过滤干扰脉冲和非法秒脉冲，由秒脉冲提取模块在秒脉冲上升沿时刻，产生脉冲有效信号，外部时钟源通过串口传递时间数据。

Description

一种支持多种授时技术的多功能授时设备
技术领域
本发明属于授时技术领域，具体涉及一种支持IRIGB、PTP、NTP和秒脉冲四种授时技术以及不同授时技术转换的多功能授时设备。
背景技术
授时技术广泛应用于航空、航天、通信、电力、工业装备等众多领域，系统之间的时间同步精度很大程度影响整个系统的运行状态。多数应用领域采用GPS或北斗授时系统进行时间同步和授时。同时可将GPS或北斗作为授时的标准时钟源，采用其他授时技术对目标系统设备进行授时，如IRIGB、PTP、NTP和秒脉冲等等技术。
随着授时技术的日趋成熟，为灵活处理不同应用场景可采用不同的技术方案。针对服务器内多主板授时需求，现在尚缺少对应的设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持多种授时技术的多功能授时设备，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其中，包括：FPGA和嵌入式处理器；FPGA包括：IRIGB解码单元、自守时单元、秒脉冲解码单元以及用户接口单元；嵌入式处理器向FPGA提供时间数据和秒脉冲；自守时单元包括秒脉冲同步模块、时间自守时模块和输出自守时秒脉冲模块；秒脉冲同步模块包括自守时一秒时间计数器和同步计数器，自守时一秒计数器计时长度一秒，满一秒后计数器清零并产生秒进位标志，然后继续计时；同步计数器在秒脉冲同步功能模块检测到合法秒脉冲上升沿后，清零并启动计数，当同步计数器计时到一定数值时，将修正后的一定数值写入自守时一秒时间计数器；时间自守时模块接收时间数据，并根据自守时一秒时间计数器产生的秒进位标志维护时间，输出自守时秒脉冲模块根据自守时一秒时间计数器秒进位标志产生一个秒脉冲信号，用来以外部时钟源的秒脉冲为时间基准，测量同步精度；IRIGB解码单元包括B码转换模块、B码时间解码模块和B码时间连续性检查模块；B码转换模块提取B码信号的码元信息，判断码元类型为0码元、1码元、P码元或非法码元；B码时间解码模块根据B码转换模块提供的码元信息解析时间数据，提取B码整秒时刻产生秒脉冲；若出现非法码元，丢弃该秒时间数据；B码时间连续性检查模块，根据记录存储上一秒时间数据判断当前解析出的时间数据是否连续，若连续，将该时间数据传递给自守时单元，否则当前时间数据被丢弃；自守时单元根据从B码提取的时间数据和秒脉冲信号维护时间，用户接口模块实现PCIe总线接口，从自守时单元获取时间信息并向用户提供时间服务；秒脉冲解码模块包括秒脉冲提取模块和秒脉冲合法性检查模块；秒脉冲合法性检查模块根据脉冲宽度和时间间隔为判断准则，过滤干扰脉冲和非法秒脉冲，由秒脉冲提取模块在秒脉冲上升沿时刻，产生脉冲有效信号，外部时钟源通过串口传递时间数据。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，多功能授时设备的PTP授时模式工作在PTP从时钟模式，嵌入式处理器包括PTP和/或NTP协议栈、秒脉冲产生模块和时间数据接收模块。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，当PTP和/或NTP协议栈与外部NTP服务器同步精度满足要求且时钟已稳定收敛后，输出自守时秒脉冲模块产生携带整秒信息的秒脉冲信号。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，还包括：高稳晶振，用于提供晶振信号。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，所述FPGA实现IRIGB协议信号解码功能，根据IRIGB信号协议提取码元特征、解码时间数据并提取整秒时刻产生秒脉冲，判断时间正确性后将时间数据和秒脉冲同步至自守时单元，通过用户接口模块向上层应用提供时间服务。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，FPGA对秒脉冲信号的解析，采用脉冲宽度和秒时间长度测量的方法滤除干扰信号，将秒脉冲的整秒时刻同步至自守时单元。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，可编程逻辑器件FPGA型号为Xilinx spartan6系列XC6SLX45T，嵌入式处理器为TI AM4377芯片。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，还包括：接口电路，用于与外部进行通信。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，还包括：DDR和FLASH存储器。
根据本发明的一种支持多种授时技术的多功能授时设备的一实施例，其中，FPGA与嵌入式处理器之间通过两路串口和2个GPIO引脚相连。
针对不同现场对授时技术需要的不同，本发明提出了一种支持多种授时技术的多功能授时设备。该多功能授时设备采用同一硬件平台实现不同授时技术，同时实现了不同授时技术之间的转换，提供了灵活度较大并保持较高同步精度的授时技术的实现方法。
附图说明
图1为多功能授时设备原理架构；
图2为自守时原理图；
图3为IRIGB解码和同步原理图；
图4为PTP从模式授时原理图；
图5为NTP客户端模式授时原理图；
图6为秒脉冲解码和同步原理图；
图7为IRIGB转PTP或NTP原理图；
图8为秒脉冲转PTP或NTP原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1所示为本发明一种支持多种授时技术的多功能授时设备原理架构示意图，如图1所示，本发明实例提供的多功能授时设备包括：可编程逻辑器件FPGA和嵌入式处理器两种芯片为核心构成。可编程逻辑器件FPGA型号为美国Xilinx spartan6系列XC6SLX45T，嵌入式处理器为美国TI AM4377芯片。
其中可编程逻辑器件FPGA上电启动时从配置芯片PROM读取固件程序；高稳晶振具有较高的温度稳定性和频率稳定性，频率稳定性为1ppm，向FPGA提供稳定准确的工作时钟；接口电路采用Linear公司LTM2881芯片，将采用442电平的IRIGB信号和秒脉冲信号至TTL电平的IRIGB信号和秒脉冲信号。其他电路包括电源、JTAG、指示灯和对外调试串口电路等。
其中以嵌入式处理器为核心形成一个嵌入式系统，存储系统由DDR和FLASH两种构成；以太网物理层芯片与AM4377的内部MAC引脚连接，构成支持PTP协议的以太网物理链路。
同时可编程逻辑器件C6SLX45T与嵌入式处理器AM4377之间通过两路串口和2个GPIO引脚相连，分别在不同授时模式下向另一端芯片发送接时间数据和秒脉冲。两芯片通过专用引脚输出本地秒脉冲。
本实施例所述支持多种授时技术的多功能授时设备实现的授时模式包括IRIGB、秒脉冲授时、NTP、PTP和IRIGB转NTP/PTP和秒脉冲转NTP/PTP，每个授时模式均包含在可编程逻辑FPGA中实现的自守时单元。该功能单元为外部授时源的时间信息准确传递至用户的核心中间环节。
图2自守时原理图，如图2所示，本实施例中采用时间数据与秒脉冲组合的方式向自守时单元传递时间信息，自守时单元包括秒脉冲同步模块、时间自守时模块和自守时秒脉冲模块。秒脉冲同步模块包括两个重要计数器：自守时一秒时间计数器和同步计数器。自守时一秒计数器计时长度一秒，满一秒后计数器清零并产生秒进位标志，然后继续计时。同步计数器在秒脉冲同步功能模块检测到合法秒脉冲上升沿后，清零并启动计数。当同步计数器计时到100ms数值时，将修正后的100ms数值写入自守时一秒时间计数器，实现自守时一秒计数器与外部时钟源的同步。修正的方向和大小由处理秒脉冲引起的误差决定，主要包括解析秒脉冲引入的延时，中间计数器同步自守时一秒时间计数器引入的延时等。时间自守时模块接收包含年月日时分秒的时间数据，并根据自守时一秒时间计数器产生的秒进位标志维护该时间。同时，自守时秒脉冲模块根据自守时一秒时间计数器秒进位标志产生一个宽度为30ms的秒脉冲信号，该信号用来以外部时钟源的秒脉冲为时间基准，测量同步精度。
图3IRIGB解码和同步原理图，如图3所示，IRIGB授时由IRIGB解码功能单元、自守时单元和用户接口单元组成，通过PCIe接口向用户提供时间服务，该授时模式关键功能由可编程逻辑器件FPGA实现。IRIGB解码单元包括B码转换、B码时间解码和B码时间连续性检查模块。B码转换模块提取B码信号的码元信息，判断码元类型为0码元、1码元、P码元或非法码元。B码时间解码模块根据B码转换模块提供的码元信息解析时间数据，同时提取B码整秒时刻产生秒脉冲。若出现非法码元，该秒时间数据将被丢弃，不会将该秒的时间数据传递给自守时单元。B码时间连续检查模块，根据记录存储上一秒时间数据判断当前解析出的时间数据是否连续。若连续，将该时间数据传递给自守时单元，否则当前时间数据被丢弃。自守时单元根据从B码提取的时间数据和秒脉冲信号维护时间。用户接口模块实现PCIe总线接口，从自守时单元获取时间信息并向用户提供时间服务。
图4PTP从模式授时原理图，如图4所示，秒脉冲授时由秒脉冲解码模块、自守时模块和用户接口模块组成，通过PCIe接口向用户提供时间服务，该授时模式关键功能由可编程逻辑器件FPGA实现。秒脉冲解码模块包括秒脉冲提取模块和秒脉冲合法性检查模块组成。秒脉冲合法性检查模块根据脉冲宽度和时间间隔为判断准则，过滤干扰脉冲和非法秒脉冲。然后由秒脉冲提取模块在秒脉冲上升沿时刻，产生脉冲有效信号。外部时钟源通过串口传递时间数据，FPGA实现串口接口接收该数据并传递给自守时模块。用户接口模块实现PCIe总线接口，从自守时单元获取时间信息并向用户提供时间服务。
本实施例中多功能授时设备的PTP授时模式工作在PTP从时钟模式。图5NTP客户端模式授时原理图，如图5所示。嵌入式处理安装开源Linux系统，基于系统基础实现PTP协议栈、秒脉冲功能模块和时间数据发送功能模块。PTP协议栈遵守并实现PTP协议，提供工作状态和时间信息。当协议栈与外部PTP主时钟同步精度满足要求且时钟已稳定收敛后，秒脉冲模块产生携带整秒信息的秒脉冲信号。嵌入式处理器向可编程逻辑器件FPGA提供时间数据和秒脉冲，因此在PTP授时模式下，FPGA实现的功能与秒脉冲授时模式下相同，并最终通过PCIe接口向用户提供时间服务。
本实施例中多功能授时设备的NTP授时模式工作在客户端模式，与外部NTP时间服务器保持同步。图6为秒脉冲解码和同步原理图，如图6所示，在嵌入式处理器中，基于linux系统基础开发NTP协议栈、秒脉冲功能模块和时间数据发送功能模块。NTP协议栈遵守并实现NTP协议，向秒脉冲功能模块和时间数据发送功能模块提供工作状态和时间信息。当协议栈与外部NTP服务器同步精度满足要求且时钟已稳定收敛后，秒脉冲模块产生携带整秒信息的秒脉冲信号。嵌入式处理器向可编程逻辑器件FPGA提供时间数据和秒脉冲，同样在NTP授时模式下，FPGA实现的功能与秒脉冲授时模式下相同，并最终通过PCIe接口向用户提供时间服务。
本实施例中多功能授时设备的IRIGB转PTP/NTP授时模式，实现将IRIGB授时转PTP或NTP授时，同一时间只工作在一种授时模式；其中PTP工作在主时钟模式，NTP工作在时间服务器模式。图7为IRIGB转PTP或NTP原理图，如图7所示。其中可编程逻辑器件FPGA实现的IRIGB授时功能的工作原理与上述多功能授时设备IRIGB授时模式工作原理一致，向嵌入式处理器提供秒脉冲和时间数据。嵌入式处理器安装linux系统，运行NTP或PTP协议栈，其中秒脉冲单元在检测到有效秒脉冲后产生中断，系统响应中断后将时间数据更新至协议栈。同时通过测量嵌入式处理器输出的秒脉冲，测量与IRIGB时钟源误差，修正由中断响应、时间数据更新等操作引入的延时。
本实施例中多功能授时设备的秒脉冲转PTP/NTP授时模式，实现将秒脉冲授时转以太网下的PTP或NTP授时；同一时间内，多功能授时设备只工作在一种授时模式；其中PTP工作在主时钟模式，NTP工作在时间服务器模式。图8为秒脉冲转PTP或NTP原理图，如图8所示。其中可编程逻辑器件FPGA实现的秒脉冲授时功能的工作原理与上述多功能授时设备秒脉冲授时模式工作原理一致，最后向嵌入式处理器提供秒脉冲和时间数据。嵌入式处理器的linux系统运行NTP或PTP协议栈，其中秒脉冲单元在检测到有效秒脉冲后产生中断，系统响应中断将时间数据更新至协议栈。同时通过测量嵌入式处理器输出的秒脉冲，测量与秒脉冲时钟源误差，修正由中断响应、时间数据更新等操作引入的延时。
本发明实施例提供的支持多种授时模式的授时设备，除受协议固有实现原理限制的NTP授时模式外，其他授时模式的授时同步精度均优于5us，NTP授时同步精度在500us至1ms。以上内容中未细述部分为现有技术，故不做展开细述。
本发明的所述多功能授时设备由FPGA系统和嵌入式微处理器系统两个核心系统组成，所述FPGA系统由FPGA、PROM芯片、高稳晶振、电源电路和IRIGB及秒脉冲信号转换电路等组成，所述嵌入式处理器系统由嵌入式微处理器、DDR芯片、FALSH芯片、电源电路、支持PTP以太网物理层芯片等组成。
所述多功能授时设备支持的工作模式包括IRIGB模式、PTP模式、NTP模式、秒脉冲模式、IRIGB转PTP/NTP模式和秒脉冲转PTP/NTP模式。
所述多功能授时设备FPGA的自守时单元包括同步计数器和自守时整秒计数器，自守时一秒计数器计时长度一秒并循环计时。同步计数器将自守时一秒时间计数器与外部时钟源整秒时刻保持同步，通过调整同步计数器的同步参数修正自守时一秒时间计数器与外部时钟源的同步精度；所述多功能授时设备的FPGA实现的自守时模块接收UTC或其他格式时间，并维护该时间。所述自守时模块使用所述多功能授时设备上高稳晶振，在外部秒脉冲丢失或故障后一定时间内保持时间的稳定和精确度。
在所述多功能授时设备FPGA的自守时模块输出自守时秒脉冲，实现对自守时模块与外部时钟源同步精度的测量和监测。
所述多功能授时设备的FPGA实现IRIGB协议信号解码功能，根据IRIGB信号协议提取码元特征、解码时间数据并提取整秒时刻产生秒脉冲，判断时间正确性后将时间数据和秒脉冲同步至自守时单元。所述IRIGB授时模式通过自守时单元的用户接口向上层应用提供时间服务。
所述多功能授时设备的FPGA实现对秒脉冲信号的解析功能，采用脉冲宽度和秒时间长度测量的方法滤除干扰信号，将秒脉冲的整秒时刻同步至自守时单元。时间数据通过串口、网络或其他通信方式传递给自守时单元。所述秒脉冲授时模式通过自守时单元的用户接口向上层应用提供时间服务。
所述多功能授时设备的嵌入式处理器运行嵌入式操作系统并实现PTP协议，支持PTP主时钟或从时钟两种模式。作为PTP主时钟时，所述多功能授时设备通过PTP协议对外提供授时服务；作为PTP从时钟时，所述多功能授时设备与外部PTP主时钟保持同步，向FPGA自守时模块提供秒脉冲和时间数据，并通过自守时模块的用户接口向上层应用提供时间服务。
所述多功能授时设备的控制器运行嵌入式操作系统并实现NTP协议，可配置为NTP服务器或客户端模式。作为NTP服务器时，所述多功能授时设备通过NTP协议对外提供授时服务；作为NTP客户端时，所述多功能授时设备与外部NTP服务器报保持同步，向FPGA自守时模块提供精确时间信息，并通过自守时模块的用户接口向上层应用提供时间服务。
外部授时源为IRIGB码时，所述多功能授时设备中编程逻辑器件将时间数据与秒脉冲两种信息传递给嵌入式微处理器，获取准确时间的所述多功能授时设备嵌入式微处理器对外提供PTP授时或NTP授时服务。
外部授时源为秒脉冲时，所述多功能授时设备的FPGA通过串口时间数据与秒脉冲中断组合的方式将时间信息传递给嵌入式微处理器，获取准确时间的嵌入式微处理器对外提供PTP授时或NTP授时服务。
本发明的优点在于：提供了一种支持多种授时技术的授时设备，为不同工业场景的授时需求提供了高效灵活的技术方法，同时各授时模式具有较高的授时精度。本发明实现IRIGB、PTP、NTP和秒脉冲等授时技术，向用户提供可靠稳定的时间服务；同时实现不同授时技术之间的转换，并保证转换后的时间精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，包括：FPGA和嵌入式处理器；
FPGA包括：IRIGB解码单元、自守时单元、秒脉冲解码单元以及用户接口单元；嵌入式处理器向FPGA提供时间数据和秒脉冲；
自守时单元包括秒脉冲同步模块、时间自守时模块和输出自守时秒脉冲模块；秒脉冲同步模块包括自守时一秒时间计数器和同步计数器，自守时一秒计数器计时长度一秒，满一秒后计数器清零并产生秒进位标志，然后继续计时；同步计数器在秒脉冲同步功能模块检测到合法秒脉冲上升沿后，清零并启动计数，当同步计数器计时到一定数值时，将修正后的一定数值写入自守时一秒时间计数器；时间自守时模块接收时间数据，并根据自守时一秒时间计数器产生的秒进位标志维护时间，输出自守时秒脉冲模块根据自守时一秒时间计数器秒进位标志产生一个秒脉冲信号，用来以外部时钟源的秒脉冲为时间基准，测量同步精度；
IRIGB解码单元包括B码转换模块、B码时间解码模块和B码时间连续性检查模块；B码转换模块提取B码信号的码元信息，判断码元类型为0码元、1码元、P码元或非法码元；B码时间解码模块根据B码转换模块提供的码元信息解析时间数据，提取B码整秒时刻产生秒脉冲；若出现非法码元，丢弃该秒时间数据；B码时间连续性检查模块，根据记录存储上一秒时间数据判断当前解析出的时间数据是否连续，若连续，将该时间数据传递给自守时单元，否则当前时间数据被丢弃；自守时单元根据从B码提取的时间数据和秒脉冲信号维护时间，用户接口模块实现PCIe总线接口，从自守时单元获取时间信息并向用户提供时间服务；
秒脉冲解码模块包括秒脉冲提取模块和秒脉冲合法性检查模块；秒脉冲合法性检查模块根据脉冲宽度和时间间隔为判断准则，过滤干扰脉冲和非法秒脉冲，由秒脉冲提取模块在秒脉冲上升沿时刻，产生脉冲有效信号，外部时钟源通过串口传递时间数据。
2.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，多功能授时设备的PTP授时模式工作在PTP从时钟模式，嵌入式处理器包括PTP和/或NTP协议栈、秒脉冲产生模块和时间数据接收模块。
3.如权利要求2所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，当PTP和/或NTP协议栈与外部NTP服务器同步精度满足要求且时钟已稳定收敛后，输出自守时秒脉冲模块产生携带整秒信息的秒脉冲信号。
4.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，还包括：高稳晶振，用于提供晶振信号。
5.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，所述FPGA实现IRIGB协议信号解码功能，根据IRIGB信号协议提取码元特征、解码时间数据并提取整秒时刻产生秒脉冲，判断时间正确性后将时间数据和秒脉冲同步至自守时单元，通过用户接口模块向上层应用提供时间服务。
6.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，FPGA对秒脉冲信号的解析，采用脉冲宽度和秒时间长度测量的方法滤除干扰信号，将秒脉冲的整秒时刻同步至自守时单元。
7.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，可编程逻辑器件FPGA型号为Xilinx spartan6系列XC6SLX45T，嵌入式处理器为TI AM4377芯片。
8.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，还包括：接口电路，用于与外部进行通信。
9.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，还包括：DDR和FLASH存储器。
10.如权利要求1所述的一种支持多种授时技术的多功能授时设备，其特征在于，FPGA与嵌入式处理器之间通过两路串口和2个GPIO引脚相连。
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