CN111756593B - 时间同步系统的同步精度的自测方法以及测试方法 - Google Patents

时间同步系统的同步精度的自测方法以及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种时间同步系统的同步精度的自测方法，该方法包括：启动时间同步系统的同步功能，令所述时间同步系统产生PPS脉冲和/或输出同步脉冲；将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述时间同步系统的同步脉冲输入接口；调用所述时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。此外，本发明还提供了一种时间同步系统的同步精度测试方法。实施本发明提供的上述自测方法或测试方法，可以降低针对时间同步系统的精度测试的测试成本，以及提升测试效率。

Description

时间同步系统的同步精度的自测方法以及测试方法
技术领域
本发明涉及计算机设备的时钟同步领域，尤其涉及一种时间同步系统的同步精度的自测方法，同时还涉及一种时间同步系统的同步精度的测试方法。
背景技术
在例如自动驾驶、即时定位与地图构建的具体应用中，需要对多传感器(摄像头、激光雷达、惯性测量单元)的传感器数据进行融合，所述融合通常依赖于时间同步系统来实现，所述时间同步系统能够解决因传感器数据传输延时造成的数据融合误差，以达到更好的融合效果。
对于所述时间同步系统而言，时间同步的精度是其重要的评估指标，对所述精度的评估涉及所述时间同步系统的秒脉冲(Pulse Per Second，PPS) 授时精度、同步脉冲授时精度等，更具体而言，例如在对时间同步系统的时间同步精度进行测试时，需要关注如下方面：其产生的PPS脉冲产生的时间是否是系统时间中的整秒时刻；用于授时的NMEA消息是否与操作系统时间保持一致；其产生的同步脉冲的间隔值是否与理论值一致；捕获的同步脉冲的时间延迟是否足够小等。
现有针对所述时间同步系统的测试方法中，常见是使用示波器测量和统计PPS脉冲或其他同步脉冲的脉冲间隔，以及使用波形发生器将高精度的周期性脉冲接入所述时间同步系统的脉冲接收接口，通过读取所述脉冲接收接口的时间戳进行精度统计。基于上述方法，现有技术的缺点在于：一方面，测量两个脉冲之间的精确时间间隔时，需要将示波器的时间尺寸设定为微秒级或纳秒级，再通过操作人员手动移动光标测试出所述时间间隔，并且单次测量并不能得到准确的结果，更常见的做法是多次测量后进行统计计算以得到统计学上的统计结果来进行评估，整个过程需要大量的人工行为参与，不仅操作步骤重复繁琐，而且效率较低，受人为因素影响较大；另一方面，对于高精度的时间同步系统，例如精度为微秒级或以上的，相适用的示波器的采样频率需达到GHz级别，此类型的示波器十分昂贵，导致针对所述高精度的时间同步系统的测试需要付出高额的成本。此外，现有技术中针对时间同步系统中一些特定项目的精度测试无法通过示波器测试所得，例如无法通过示波器测试PPS脉冲的产生时刻是否为系统时间中的整秒时刻。由于上述缺陷的存在，针对时间同步系统的精度测试一直难以达到预期的理想精度。
发明内容
为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种时间同步系统的同步精度的自测方法，该方法包括：
启动时间同步系统的同步功能，令所述时间同步系统产生PPS脉冲和/ 或输出同步脉冲；
将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述时间同步系统的同步脉冲输入接口；
调用所述时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。
根据本发明的一个方面，该方法中对所述PPS脉冲进行采样和计算，以判断所述所述PPS脉冲是否满足预定的同步精度包括：捕获所述PPS脉冲携带的多个PPS触发信号，并分别读取每一所述PPS触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳；分别根据每一所述时间戳计算出该时间戳对应的整秒误差，得到多个所述整秒误差；根据多个所述整秒误差计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差；判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中对输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度包括：捕获输出同步脉冲携带的多个同步触发信号，并分别记录每一所述同步触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，得到多个所述时间戳；分别计算相邻的两个所述时间戳的实测间隔值，直至遍历所述多个时间戳；分别计算每一所述实测差值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差；根据多个所述偏移误差计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差；判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，当所述时间同步系统产生所述PPS脉冲时，该方法还包括：所述时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个NMEA消息；所述NMEA消息接入所述时间同步系统的串口；调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度包括：分别计算每一所述NMEA消息与所述时间同步系统的系统时间的时间误差，得到多个所述时间误差；根据多个所述时间误差计算所述多个NMEA消息的最大误差；判断所述最大误差是否小于预定阈值，若是则判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中所述时间同步系统的时钟精度不低于10-5秒。
此外，本发明提供了一种时间同步系统的同步精度测试方法，该方法包括：
同步第一时间同步系统和第二时间同步系统的系统时间；
启动所述第二时间同步系统的同步功能，令所述第二时间同步系统产生PPS脉冲和/或输出同步脉冲；
将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述第一时间同步系统的同步脉冲输入接口；
调用所述第一时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。
根据本发明的一个方面，该方法中对所述PPS脉冲进行采样和计算，以判断所述所述PPS脉冲是否满足预定的同步精度包括：捕获所述PPS脉冲携带的多个PPS触发信号，并分别读取每一所述PPS触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳；分别根据每一所述时间戳计算出该时间戳对应的整秒误差，得到多个所述整秒误差；根据多个所述整秒误差计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差；判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中对输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度包括：捕获输出同步脉冲携带的多个同步触发信号，并分别记录每一所述同步触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，得到多个所述时间戳；分别计算相邻的两个所述时间戳的实测间隔值，直至遍历所述多个时间戳；分别计算每一所述实测差值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差；根据多个所述偏移误差计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差；判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，当所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲时，该方法还包括：所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个 NMEA消息；所述NMEA消息接入所述第一时间同步系统的串口；调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度包括：分别计算每一所述NMEA消息与所述时间同步系统的系统时间的时间误差，得到多个所述时间误差；根据多个所述时间误差计算所述多个NMEA消息的最大误差；判断所述最大误差是否小于预定阈值，若是则判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度。
根据本发明的另一个方面，该方法中所述第一时间系统和所述第二时间系统的时钟精度不低于10-5秒。
根据本发明的另一个方面，该方法中所述第一时间系统的时钟精度大于所述第二时间系统的时钟精度。
相应地，本发明还提供了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的时间同步系统的同步精度的自测方法。
相应地，本发明还提供了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的时间同步系统的同步精度的测试方法。
本发明提供的时间同步系统的同步精度的自测方法，通过将时间同步系统产生的PPS脉冲和/或输出同步脉冲接入该时间同步系统的同步脉冲输入接口进行精度计算，在无需额外的示波器和波形发生器的情况下即能实现所述时间同步系统的时间精度的自测试，相比现有技术大大降低了针对所述时间同步系统的测试成本，本发明提供的时间同步系统的同步精度的测试方法，利用第一时间同步系统和第二时间同步系统构成的测试系统进行精度互测，该测试过程同样无需额外的示波器和波形发生器，相比现有技术同样大大降低了多套时间同步系统进行时间精度测试时所需的测试成本。上述自测方法或测试方法，相比现有技术均具有更好的测试便利性、更低的测试难度以及更高的测试效率，并可以实现PPS脉冲与系统时间的整秒时刻的这一特定项目的误差测试。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本发明的时间同步系统的同步精度的自测方法的一个具体实施方式的流程示意图；
图2是根据本发明的时间同步系统的同步精度的自测方法的一个可选具体实施方式中的额外步骤的流程示意图；
图3是用于说明实现图1或图2示出的具体实施方式的时间同步系统的结构示意图；
图4是根据本发明的时间同步系统的同步精度的测试方法的一个具体实施方式的流程示意图；
图5是根据本发明的时间同步系统的同步精度的自测方法的一个可选具体实施方式中的额外步骤的流程示意图；
图6是用于说明实现图4或图5示出的具体实施方式的第一时间同步系统和第二时间同步系统的结构示意图；
图7是图1示出的步骤S103中和图4示出的步骤S204中有关于对PPS 脉冲进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图；
图8是图1示出的步骤S103中和图4示出的步骤S204中有关于对输出同步脉冲进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图；
图9是图2示出的步骤S106中和图5示出的步骤S207中有关于对 NMEA消息进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明提供了一种时间同步系统的同步精度的自测方法，请参考图1，图1是根据本发明的时间同步系统的同步精度的自测方法的一个具体实施方式的流程示意图，该方法包括：
步骤S101，启动时间同步系统的同步功能，令所述时间同步系统产生 PPS脉冲和/或输出同步脉冲；
步骤S102，将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述时间同步系统的同步脉冲输入接口；
步骤S103，调用所述时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和 /或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。
具体地，在步骤S101中，所述时间同步系统可实施为包含同步芯片的设备或电路，该同步芯片上具备多个合适的通用性输入/输出 (General-purpose input/output，GPIO)引脚，用来接收或发送脉冲。所述同步芯片经过预编程，令其不同的GPIO引脚具有相应的PPS输出、同步脉冲输出(sync_out)或同步脉冲输入(sync_in)等功能，其中，该同步芯片中涉及产生所述PPS脉冲或所述输出同步脉冲的部分可以使用例如直接数字式频率合成器或类似结构来实现，涉及接收外部脉冲的部分可以使用例如模数转换器或类似结构来实现。步骤S101执行时，所述同步芯片可以配置为并行或串行地产生所述PPS脉冲和所述输出同步脉冲，并通过编程为具有PPS输出功能的GPIO引脚(以下简称PPS引脚)输出所述PPS脉冲，以及通过编程为具有sync_out功能的GPIO引脚(以下简称sync_out 引脚)输出所述输出同步脉冲(所述输出同步脉冲例如是频率为25Hz的脉冲信号)。本领域技术人员可以理解，所述PPS脉冲或所述输出同步脉冲均是用于时钟同步的脉冲信号。
在步骤S102中，将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述时间同步系统的同步脉冲输入接口，具体而言，由于所述时间同步系统通常用同步芯片来实现，该同步芯片上一个或多个具有sync_in功能的GPIO引脚 (以下简称sync_in引脚)即所述同步脉冲输入接口，相应地步骤S102中将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述同步脉冲输入接口指的是将所述PPS脉冲和所述输出同步脉冲接入这一类型的sync_in引脚，其具体设置方法例如是：当所述PPS脉冲和所述输出同步脉冲单独产生或在时间上离散地产生时，所述PPS引脚和所述sync_out引脚可以复用地连接至同一所述sync_in引脚；当所述PPS脉冲和所述输出同步脉冲并行产生时，或优选地设计为不同的sync_in引脚接收不同类型的脉冲信号时，则可以将 PPS引脚与第一sync_in引脚相连，并将sync_out引脚与第二sync_in引脚相连。需要特别说明的是，前文中所述的将所述同步芯片上不同的引脚相连，并不是严格意义上的一定将两个引脚直接通过例如集成电路板走线这一类的电介质进行直连，相反，在一些实施场景中，所述同步芯片上的引脚可以配置为通过合适的总线与外部设备的接口相连，甚至所述引脚需要进行合适的电平转换(例如从芯片输出的1.8V转换为电压更高的3.3V)后才通过所述总线引出到外部设备的接口上，因此，前文所述的引脚相连包括间接连接这一类型的数据连接方式。
在步骤S103中，调用所述时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS 脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。更具体而言，所述计算资源可以由所述时间同步系统中负责运算的设备或电路提供，例如运行了操作系统的片上系统(SOC)，该SOC内运行合适的软件/硬件逻辑，用于执行上述的采样和计算任务。执行步骤S103可以检测出所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲的时间间隔精度，进而判断出所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足所述预定的同步精度。所述软件/硬件逻辑检测所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲的时间间隔精度的过程可以使用合适的算法来实现，例如基于统计学的统计算法，本发明并不对具体的算法实现进行限定，任意一种可以检测出所述时间间隔精度的算法均可用于本具体实施方式内。
进一步地，本领域技术人员可以理解，根据PPS授时的原理，所述PPS 脉冲中整秒时刻脉冲同步产生的NMEA消息包含了所述整秒时刻脉冲产生时刻的时间信息，该NMEA消息用于向同步对象进行授时，因此通过检测该NMEA消息的误差可以测试出PPS脉冲的产生时刻是否与系统时间中的整秒时刻相对应。根据此原理，本发明提供的另一可选具体实施方式中还考虑了对所述NMEA消息进行相应测试，请参考图2，图2是根据本发明的时间同步系统的同步精度的自测方法的一个可选具体实施方式中的额外步骤的流程示意图，该可选具体实施方案中包含图1示出的步骤S101至步骤S103，当所述时间同步系统产生所述PPS脉冲时，其额外步骤包括：
步骤S104，所述时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个NMEA消息；
步骤S105，所述NMEA消息接入所述时间同步系统的串口；
步骤S106，调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
具体地，在步骤S104中，所述PPS脉冲可能包含多个在所述时间同步系统的系统时间的整秒时刻产生的PPS触发沿，每一所述PPS触发沿对应生成一包含所述PPS触发沿产生时间的NMEA消息，所述NMEA消息例如是按照NMEA0183协议封装的数据包。在步骤S105中，所述NMEA消息被接入所述时间同步系统的串口，所述串口例如是通用异步收发器 (UART)接口，且所述串口与所述时间同步系统中的同步芯片相连。与前文中针对步骤S103的说明相同，步骤S106中的所述计算资源同样由所述时间同步系统中负责运算的设备或电路提供，例如所述运行在所述SOC中的软件/硬件逻辑，该软件/硬件逻辑运行合适的算法对步骤S104中的所述多个NMEA消息进行采样和计算，其具体方式是通过解析所述NMEA消息获得其包含的时间信息，并相应获得接收所述NMEA消息同时所述操作系统的系统时间，将所述时间信息与所述系统时间进行比较以判断出所述 NMEA消息是否在系统时间的整秒时刻被接收到，以此进一步判断所述PPS 脉冲中的PPS触发沿是否是在整秒时刻被触发。相应地，所述算法例如是基于统计学的统计算法，本发明对此不做限定。特别说明的是，步骤S104 至步骤S106通常在步骤S101之后执行，但是可以与步骤S102和步骤S103 并行执行。
为了更好地说明步骤S101至步骤S103，以及步骤S104至步骤S106 的执行过程，请参考图3，图3是用于说明实现图1或图2示出的具体实施方式的时间同步系统的结构示意图，如图3所示的优选具体实施例中，时间同步系统100包括如下接口：PPS脉冲输出接口110、第一同步脉冲输入接口120、同步脉冲输出接口130、第二同步脉冲输入接口140、第二串口 150和第一串口160，上述所有的接口都通过合适的连接方式引入到时间同步系统100包含的同步芯片的引脚上，使得所述同步芯片可以向外发出数据或接收外部数据。与执行步骤S101至步骤S103相对应，PPS脉冲输出接口110与第一同步脉冲输入接口相连并向外发送PPS脉冲，该PPS脉冲被输入至第一同步脉冲输入接口120内；同步脉冲输出接口130与第二同步脉冲输入接口140相连并向外发送输出同步脉冲，该输出同步脉冲被输入至第二同步脉冲输入接口140内。与执行步骤S104至步骤S106相对应，第一串口160与第二串口150相连并向外发送NMEA消息，该NMEA消息被输入至第二串口150内。时间同步系统100提供的计算资源对通过对应接口输入的所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA消息进行采样和计算。本领域技术人员可以理解，图3示出的时间同步系统100的结构可以兼容并行对所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA消息进行采样和计算的要求，也可以在时间上离散地分别对所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲、所述NMEA消息进行采样和计算。由图3示出的时间同步系统100的结构可知，该时间同步系统100将自身产生的脉冲或消息重新输入至其内部，利用自身的计算能力对同步的时间精度进行评估，实现了时间精度的自测。
优选地，考虑到进一步提升步骤S101至步骤S103中，以及步骤S104 至步骤S106中对于所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA消息的采集和计算过程中数据融合算法的精度，可以将时间同步系统100的时钟精度设定为不低于10-5秒。
基于图1或图2示出的具体实施例的发明构思，可将本发明提供的时间同步系统的同步精度的自测方法推广至多套时间同步系统互测的应用场景中，尤其是在例如一个定位系统中，可能涉及该定位系统内包含的多套时间同步系统共同工作，可以从所述多套时间同步系统中选择一套时间同步系统作为基准评估系统，用来测试其自身的同步的时间精度以及其他时间同步系统的同步的时间精度，这样能确保所述多套时间同步系统的评估基准一致。
相应地，本发明提供了一种时间同步系统的同步精度测试方法，请参考图4，图4是根据本发明的时间同步系统的同步精度的测试方法的一个具体实施方式的流程示意图，该方法包括：
步骤S201，同步第一时间同步系统和第二时间同步系统的系统时间；
步骤S202，启动所述第二时间同步系统的同步功能，令所述第二时间同步系统产生PPS脉冲和/或输出同步脉冲；
步骤S203，将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述第一时间同步系统的同步脉冲输入接口；
步骤S204，调用所述第一时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS 脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度。
具体地，在步骤S201中，为了使第一时间同步系统和第二时间同步系统的系统时间保持一致，先对两者的系统时间进行同步，例如使用PPS同步的方式进行同步。与前文中对于步骤S101中的时间同步系统的说明相同，所述第一时间同步系统和所述第二时间同步系统可实施为包含同步芯片的设备或电路，该同步芯片上具备多个合适的通用性输入/输出 (General-purpose input/output，GPIO)引脚，用来接收或发送脉冲。所述同步芯片经过预编程，令其不同的GPIO引脚具有相应的PPS输出、同步脉冲输出(sync_out)或同步脉冲输入(sync_in)等功能，其中，该同步芯片中涉及产生所述PPS脉冲或所述输出同步脉冲的部分可以使用例如直接数字式频率合成器或类似结构来实现，涉及接收外部脉冲的部分可以使用例如模数转换器或类似结构来实现。实质上，本具体实施方式中的所述第一时间同步系统和所述第二时间同步系统与前文所述的时间同步系统具有相同的工作原理和实现方法。
由于本具体实施方式中是使用所述第一时间同步系统对所述第二时间同步系统进行同步的时间精度的测试，在步骤S202中，是令所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲，并进一步在步骤S203 中将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述第一时间同步系统的同步脉冲输入接口，相应地，所述第一时间同步系统包含的同步芯片上一个或多个具有sync_in功能的GPIO引脚(以下简称sync_in引脚)即所述同步脉冲输入接口，也即所述同步脉冲输入接口可能是多个sync_in引脚的统称。
在步骤S204中，调用所述第一时间同步系统提供的计算资源对所述 PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，典型地，所述计算资源可以由所述第一时间同步系统中负责运算的设备或电路提供，例如SOC内运行的软件/硬件逻辑用于执行上述的采样和计算任务。执行步骤S204可以检测出所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲的时间间隔精度，进而判断出所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足所述预定的同步精度。所述软件/硬件逻辑检测所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲的时间间隔精度的过程可以使用合适的算法来实现，例如基于统计学的统计算法，本发明并不对具体的算法实现进行限定，任意一种可以检测出所述时间间隔精度的算法均可用于本具体实施方式内。
根据PPS授时的原理，也即利用NMEA消息的测试实现对PPS脉冲的产生时刻的测试，在优选的具体实施方式中，图4示出的具体实施方式还可以包含如图5示出的额外步骤，请参考图5，图5是根据本发明的时间同步系统的同步精度的测试方法的一个可选具体实施方式中的额外步骤的流程示意图，该可选具体实施方式中包含图4示出的步骤S201至步骤S204，当所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲时，其额外步骤包括：
步骤S205，所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个NMEA 消息；
步骤S206，所述NMEA消息接入所述第一时间同步系统的串口；
步骤S207，调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
由于前文中已经阐述过所述PPS脉冲的多个PPS触发沿相应产生 NMEA消息的原理，本领域技术人员可以理解，由于所述第一时间同步系统与所述第二时间同步系统已经在步骤S201实现系统时间同步，因此所述第一时间同步系统对所述NMEA消息的采集和计算的结果可以用于直接判断出所述NMEA消息是否在第一时间同步系统或第二时间同步系统的系统时间的整秒时刻被接收到，由此判断出所述第二时间同步系统产生的所述 PPS脉冲中的PPS触发沿是否是在整秒时刻被触发。相应地，所述采集和计算时所涉及的算法例如是基于统计学的统计算法，本发明对此不做限定。特别说明的是，步骤S205至步骤S207通常在步骤S102之后执行，但是可以与步骤S203和步骤S204并行执行。典型地，所述第一时间同步系统的串口例如是UART接口。
为了更好地说明步骤S201至步骤S204，以及步骤S205至步骤S207 的执行过程，请参考图6，图6是用于说明实现图4或图5示出的具体实施方式的第一时间同步系统和第二时间同步系统的结构示意图，如图6示出的优选具体实施例中，第一时间同步系统200包括第一同步脉冲输入接口 220、第二同步脉冲输入接口240和第二串口250，上述接口通过合适的连接方式引入到第一时间同步系统200包含的同步芯片的引脚上；第二时间同步系统300包括PPS脉冲输出接口310、同步脉冲输出接口320和第一串口330，上述接口通过合适的连接方式引入到第二时间同步系统300包含的同步芯片的引脚上。与执行步骤S201至步骤S204相对应，PPS脉冲输出接口310与第一同步脉冲输入接口220相连并向外发送PPS脉冲，该PPS脉冲被输入至第一同步脉冲输入接口220内，也即被第一时间同步系统200 的同步芯片所获得；同步脉冲输出接口320与第二同步脉冲输入接口240 相连并向外发送输出同步脉冲，该输出同步脉冲被输入至第二同步脉冲输入接口240内，也即被第一时间同步系统200的同步芯片所获得。与执行步骤S205至步骤S207相对应，第一串口330与第二串口250相连并向外发送NMEA消息，该NMEA消息被输入至第二串口250内，也即被第一时间同步系统200的同步芯片所获得。第一时间同步系统200提供的计算资源对通过对应接口输入的所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA 消息进行采样和计算。本领域技术人员可以理解，根据图6示出的第一时间同步系统200和第二时间同步系统300的结构及其彼此之间的连接关系，可用于实现将第一时间同步系统200用作对第二时间同步系统300产生的各路同步信号进行测试，且所述第一时间同步系统200可以兼容并行对所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA消息进行采样和计算的要求，也可以在时间上离散地分别对所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲、所述 NMEA消息进行采样和计算。在更多的实施例中，若考虑将第一时间同步系统200设计为仅具有测试功能，则相应地可以省去如图6所示第一时间同步系统200包含的同步脉冲输出接口230、PPS脉冲输出接口210和第一串口260。
优选地，考虑到提升步骤S201至步骤S204中，以及步骤S205至步骤 S207中对于所述PPS脉冲、所述输出同步脉冲和所述NMEA消息的采集和计算过程中数据融合算法的精度，可以将第一时间同步系统200和第二时间同步系统300的时钟精度设定为不低于10-5秒。更优选地，为了进一步减小时钟精度偏低带来的误差，可以考虑实施为令第一时间同步系统200时钟精度大于第二时间同步系统300的时钟精度，例如将第一时间同步系统 200的时钟精度设定为大于或等于第二时间同步系统300的时钟精度的10 倍，这可以大大降低第一时间同步系统200的自身时钟精度的误差对测试结果的影响。
由于图1示出的自测方法的步骤S103中和图4示出的测试方法的步骤 S204中均涉及了对PPS脉冲和/或输出同步脉冲进行采样和计算的过程，以及图2示出的步骤S106中和图5示出的步骤S207中涉及了对NMEA消息进行采样和计算的过程，虽然本发明不对实现上述采样和计算的具体算法进行限定，但后文中将结合附图对所述具体算法的优选实施例进行说明，以便于更好地阐述本发明的构思。
请参考图7，图7是图1示出的步骤S103中和图4示出的步骤S203中有关于对PPS脉冲进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图，该优选实施例包括如下步骤：
步骤S301，捕获所述PPS脉冲携带的多个PPS触发信号，并分别读取每一所述PPS触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳；
步骤S302，分别根据每一所述时间戳计算出该时间戳对应的整秒误差，得到多个所述整秒误差；
步骤S303，根据多个所述整秒误差计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差；
步骤S304，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则执行步骤S305；
步骤S305，判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度。
具体地，在步骤S301中，根据所述时间戳，所述PPS触发信号被捕获时的时间记为PPS_ts，在步骤S302中，所述整秒误差记为PPS_ts_error，若系统时间的精度可以达到纳秒级，则所述整秒误差的计算公式为：
PPS_ts_error＝|(PPS_ts％1000000000)–1000000000|；
其含义是将PPS_ts对109纳秒取余数，将得到的结果与109纳秒计算差值并取绝对值，以得到PPS_ts_error。由于针对所述PPS脉冲的采样持续进行，可计算得到n个所述PPS触发信号及其对应的多个整秒误差，即 (PPS_ts_error)1至(PPS_ts_error)n。
接下来在步骤S303中计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差，若将所述最大误差记为PPS_ts_error_max，将所述标准差记为PPS_ts_std，则所述最大误差计算公式为：
PPS_ts_error_max＝MAX((PPS_ts_error)1：(PPS_ts_error)n)；
其中MAX是取样本集的最大值的函数，也即PPS_ts_error_max是 (PPS_ts_error)1至(PPS_ts_error)n中的最大值。
所述标准差的计算公式为：
PPS_ts_std＝STDEV((PPS_ts_error)1：(PPS_ts_error)n)；
其中STDEV基于样本估算标准差的常见函数，也即PPS_ts_std是 (PPS_ts_error)1至(PPS_ts_error)n这一组样本集统计学意义上的标准差。
在步骤S304中，判断PPS_ts_error_max和PPS_ts_std是否小于预定阈值，若是则执行步骤S305，判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度。其中所述预定阈值可以根据所述同步精度预先设定。通过执行包含步骤 S301至步骤S305的算法，可以判断出所述PPS脉冲的整秒时刻偏移量是否满足同步的时间精度需求。
请参考图8，图8是图1示出的步骤S103中和图4示出的步骤S203中有关于对输出同步脉冲进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图，该优选实施例包括如下步骤：
步骤S310，捕获输出同步脉冲携带的多个同步触发信号，并分别记录每一所述同步触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，得到多个所述时间戳；
步骤S320，分别计算相邻的两个所述时间戳的实测间隔值，直至遍历所述多个时间戳；
步骤S330，分别计算每一所述实测差值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差；
步骤S340，根据多个所述偏移误差计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差；
步骤S350，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则执行步骤S360；
步骤S360，判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。
具体地，在步骤S301中，根据所述时间戳，所述同步触发信号被捕获的时间记为sync_out_ts，由于存在多个时间戳，可得到n+1个时间信息，记录为(sync_out_ts)1至(sync_out_ts)n+1。
将所述实测间隔值记为Sync_out_diff，则步骤S320的计算公式为：
(sync_out_diff)i＝(sync_out_ts)i+1-(sync_out_ts)i，其中i＝1…n。
接下来在步骤S330中分别计算每一所述实测差值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差，若将所述偏移误差记为sync_out_error，则步骤S330中多个sync_out_error的计算公式为：
(sync_out_error)i＝(sync_out_diff)i-sync_out_period；
其中i＝1…n，sync_out_period是所述输出同步脉冲的理论周期，例如所述输出同步脉冲是25Hz的脉冲信号，则sync_out_period取值为40ms。
进一步地，在步骤S340中根据多个sync_out_error计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差，若将所述最大误差记为sync_out_error_max，将所述标准差记为sync_out_ts_std，则所述最大误差的计算公式为：
sync_out_error_max＝MAX((sync_out_error)1：(sync_out_error)n)；
所述标准差的计算公式为：
sync_out_ts_std＝STDEV((sync_out_error)1：(sync_out_error)n)。
其中MAX和STDEV的含义在前文中已经说明。
在步骤S350中，判断sync_out_error_max和sync_out_ts_std是否小于预定阈值，若是则执行步骤S360，判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。同样，其中所述预定阈值可以根据所述同步精度预先设定。通过执行包含步骤S310至步骤S360的算法，可以判断出所述输出同步脉冲的脉冲间隔误差是否满足同步的时间精度需求。
请参考图9，图9是图2示出的步骤S106中和图5示出的步骤S207中有关于对NMEA消息进行采样和计算的一个优选实施例的流程示意图，该优选实施例包括如下步骤：
步骤S601，分别计算每一所述NMEA消息与所述时间同步系统的系统时间的时间误差，得到多个所述时间误差；
步骤S602，根据多个所述时间误差计算所述多个NMEA消息的最大误差；
步骤S603，判断所述最大误差是否小于预定阈值，若是则执行步骤 S604；
步骤S604，判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度。
具体地，串口接收所述NMEA消息时，可以同时获得操作系统的系统时间，若将所述NMEA消息携带的时间记为NMEA_time，将所述系统时间记为System_time，将步骤S601中的所述时间误差记为NMEA_error，根据步骤S601和步骤S602，所述时间误差的计算公式为：
NMEA_error＝System_time–(NMEA_time+offset)；
其中，offset为NMEA消息发送时刻与PPS脉冲的固定延迟时间，该 offset的取值是根据同步芯片的性能或设计而确定的固定值，例如PPS脉冲在1秒时刻产生，NMEA消息在1.1秒时发出，则offset为0.1s。由于持续进行采样，NMEA_error的个数为多个，例如n个，将所述多个NMEA消息的最大误差记为NMEA_error_max，则所述最大误差的计算公式为：
NMEA_error_max＝MAX((NMEA_error)1：(NMEA_error)n)。
也即NMEA_error_max是(NMEA_error)1至(NMEA_error)n中的最大值。
在步骤S603中判断NMEA_error_max是否小于预定阈值，若是则执行步骤S604，判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度，同样，其中所述预定阈值可以根据所述同步精度预先设定。通过执行包含步骤S601至步骤S604的算法，可以判断出所述NMEA消息是否满足同步的时间精度需求。
以上是采集和计算中涉及算法的一些优选实施例，上述实施例均是按照统计学的原理进行设计的，本领域技术人员可以理解，其他可替代性的算法也可用于实现本发明的更多实施例。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
相应地，本发明还公开了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的时间同步系统的同步精度的自测方法，例如图1 和图2示出的自测方法。所述计算机可读介质可以是可由计算机设备访问的任何可用介质，且包括用任何方法和技术实现以存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。计算机可读介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并且可由计算设备访问的任何其它介质。上述的任意组合也应包含在计算机可读介质的范围内。
相应地，本发明还公开了一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如前文所述的时间同步系统的同步精度的测试方法，例如图4 和图5示出的测试方法。所述计算机可读介质可以是可由计算机设备访问的任何可用介质，且包括用任何方法和技术实现以存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。计算机可读介质包括但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并且可由计算设备访问的任何其它介质。上述的任意组合也应包含在计算机可读介质的范围内。
本发明提供的时间同步系统的同步精度的自测方法或时间同步系统的同步精度的测试方法中涉及软件逻辑的部分可以使用可编程逻辑器件来实现，也可以实施为计算机程序产品，该程序产品使计算机执行用于所示范的方法。所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该介质上包含计算机程序逻辑或代码部分，用于实现上述涉及软件逻辑的部分的各个步骤。所述计算机可读存储介质可以是被安装在计算机中的内置介质或者可从计算机主体拆卸的可移动介质(例如可热拔插的存储设备)。所述内置介质包括但不限于可重写的非易失性存储器，例如RAM、ROM和硬盘。所述可移动介质包括但不限于：光存储媒体(例如CD-ROM和DVD)、磁光存储媒体(例如MO)、磁存储媒体(例如磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写的非易失性存储器的媒体(例如存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如 ROM盒)。
本领域技术人员应当理解，任何具有适当编程装置的计算机系统都能够执行包含在计算机程序产品中的本发明的方法的诸步骤。尽管本说明书中描述的多数具体实施方式都侧重于软件程序，但是以硬件方式实现本发明提供的方法的替代实施例同样在本发明要求保护的范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。
本发明提供的时间同步系统的同步精度的自测方法，通过将时间同步系统产生的PPS脉冲和/或输出同步脉冲接入该时间同步系统的同步脉冲输入接口进行精度计算，在无需额外的示波器和波形发生器的情况下即能实现所述时间同步系统的时间精度的自测试，相比现有技术大大降低了针对所述时间同步系统的测试成本，本发明提供的时间同步系统的同步精度的测试方法，利用第一时间同步系统和第二时间同步系统构成的测试系统进行精度互测，该测试过程同样无需额外的示波器和波形发生器，相比现有技术同样大大降低了多套时间同步系统进行时间精度测试时所需的测试成本。上述自测方法或测试方法，相比现有技术均具有更好的测试便利性、更低的测试难度以及更高的测试效率，并可以实现PPS脉冲与系统时间的整秒时刻的这一特定项目的误差测试。
以上所披露的仅为本发明的一些较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种时间同步系统的同步精度的自测方法，该方法包括：
启动时间同步系统的同步功能，令所述时间同步系统产生PPS脉冲和/或输出同步脉冲；
将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述时间同步系统的同步脉冲输入接口，所述时间同步系统是包含同步芯片的设备或电路，所述同步脉冲输入接口是所述同步芯片上的引脚；
调用所述时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度；
其中，对所述PPS脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲是否满足预定的同步精度的步骤包括，捕获所述PPS脉冲携带的多个PPS触发信号，并分别读取每一所述PPS触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，分别根据每一所述时间戳计算出该时间戳对应的整秒误差，得到多个所述整秒误差，根据多个所述整秒误差计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度；
其中，对所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度的步骤包括，捕获输出同步脉冲携带的多个同步触发信号，并分别记录每一所述同步触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，得到多个所述时间戳，分别计算相邻的两个所述时间戳的实测间隔值，直至遍历所述多个时间戳，分别计算每一所述实测间隔值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差，根据多个所述偏移误差计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。
2.根据权利要求1所述的自测方法，当所述时间同步系统产生所述PPS脉冲时，该方法还包括：
所述时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个NMEA消息；
所述NMEA消息接入所述时间同步系统的串口；
调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
3.根据权利要求2所述的自测方法，其中，对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度包括：
分别计算每一所述NMEA消息与所述时间同步系统的系统时间的时间误差，得到多个所述时间误差；
根据多个所述时间误差计算所述多个NMEA消息的最大误差；
判断所述最大误差是否小于预定阈值，若是则判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的自测方法，其中：
所述时间同步系统的时钟精度不低于10-5秒。
5.一种时间同步系统的同步精度测试方法，该方法包括：
同步第一时间同步系统和第二时间同步系统的系统时间；
启动所述第二时间同步系统的同步功能，令所述第二时间同步系统产生PPS脉冲和/或输出同步脉冲，所述第一时间同步系统和所述第二时间同步系统是包含同步芯片的设备或电路，所述同步脉冲输入接口是所述同步芯片上的引脚；
将所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲接入所述第一时间同步系统的同步脉冲输入接口；
调用所述第一时间同步系统提供的计算资源，对所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲和/或所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度；
其中，对所述PPS脉冲进行采样和计算，以判断所述PPS脉冲是否满足预定的同步精度的步骤包括，捕获所述PPS脉冲携带的多个PPS触发信号，并分别读取每一所述PPS触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，分别根据每一所述时间戳计算出该时间戳对应的整秒误差，得到多个所述整秒误差，根据多个所述整秒误差计算所述PPS脉冲的最大误差和标准差，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述PPS脉冲满足所述预定的同步精度；
其中，对所述输出同步脉冲进行采样和计算，以判断所述输出同步脉冲是否满足预定的同步精度的步骤包括，捕获输出同步脉冲携带的多个同步触发信号，并分别记录每一所述同步触发信号被捕获时所述同步脉冲输入接口对应的时间戳，得到多个所述时间戳，分别计算相邻的两个所述时间戳的实测间隔值，直至遍历所述多个时间戳，分别计算每一所述实测间隔值与所述输出同步脉冲的理论间隔值的偏移误差，得到多个所述偏移误差，根据多个所述偏移误差计算所述输出同步脉冲的最大误差和标准差，判断所述最大误差和所述标准差是否小于预定阈值，若是则判断为所述输出同步脉冲满足所述预定的同步精度。
6.根据权利要求5所述的测试方法，当所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲时，该方法还包括：
所述第二时间同步系统产生所述PPS脉冲对应的多个NMEA消息；
所述NMEA消息接入所述第一时间同步系统的串口；
调用所述计算资源对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其中，对所述多个NMEA消息进行采样和计算，以判断所述NMEA消息是否满足预定的同步精度包括：
分别计算每一所述NMEA消息与所述时间同步系统的系统时间的时间误差，得到多个所述时间误差；
根据多个所述时间误差计算所述多个NMEA消息的最大误差；
判断所述最大误差是否小于预定阈值，若是则判断为所述NMEA消息满足所述预定的同步精度。
8.根据权利要求5至7任一项所述的测试方法，其中：
所述第一时间同步系统和所述第二时间同步系统的时钟精度不低于10-5秒。
9.根据权利要求5至7任一项所述的测试方法，其中：
所述第一时间同步系统的时钟精度大于所述第二时间同步系统的时钟精度。
10.一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如权利要求1至4任一项所述的时间同步系统的同步精度的自测方法。
11.一个或多个存储计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令在由一个或多个计算机设备使用时使得一个或多个计算机设备执行如权利要求5至9任一项所述的时间同步系统的同步精度的测试方法。
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