CN111970080A

CN111970080A - 一种主从设备的对时方法

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Publication number: CN111970080A
Application number: CN202010887159.5A
Authority: CN
Inventors: 高军利; 王强; 刘海涛; 吴纳磊; 徐少雄; 翟志国; 王琳; 贾海旭; 李英春; 张春豪; 胡金路
Original assignee: Shijiazhuang Kelin Electric Co Ltd
Current assignee: Shijiazhuang Kelin Electric Co Ltd
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: CN111970080B

Abstract

一种主从设备的对时方法，属于计算机应用领域，涉及采样数据的同步方法，尤其涉及主从设备根据同一时间源的对时方法，应用于暂态录波型故障指示器。对时主站每隔T毫秒广播对时命令，对时命令中包含当前时间戳。对时主站根据连续的时间戳之差和发送时间戳的本地时间之差，调节本地的定时器中的计数值；从设备接收对时命令，并根据连续接收到的时间戳之间的间隔和本地时间间隔，计算两者之差，并据此调节本地的定时器中的计数值，达到实时动态跟踪的对时的目的。采用本发明提出的方案，根据时间戳作为参考，调整一定时间内的晶振震荡计数，精细调整从设备的本地时钟与主机同步，实现多个从设备的时钟同步，从设备之间的时间差在±2微秒内。

Description

一种主从设备的对时方法

技术领域

本发明属于计算机应用领域，涉及采样数据的同步方法，尤其涉及主从设备根据同一时间源的对时方法。

背景技术

随着科学技术及经济的不断发展，不管是企业还是人民生活对电的需求有了进一步的提高，国网公司已经将停电时间作为考核标准。为了减少停电时间，迅速查找故障源，国网公司广泛应用了暂态录波型故障指示器，暂态录波型故障指示器具有安装方便，判断故障准确率高，用户是使用方便等特点，其最主要的特点是将线路发生故障时刻的三相波形录下来并上传至主站，供主站对故障进一步分析。这就要求三相波形的同步性要高，并且是越高越好。

由于三相的数据由不同的设备分别采集，为了满足三相波形的同步性，就要保证三相的设备在同一时刻对线路电流电压进行采样。这就需要在整套故障指示器系统中设计一套精确稳定的时间系统。

为了保证不同的设备同步，需要使用同一个时钟源下发同步时钟，一般采用具有卫星授时功能的主站将获得的授时时钟下发给各设备，各设备根据收到同步时钟的时间以及估算的发送、接收间隔进行本地设置。该技术已经比较成熟且广泛应用。

可以认为，每个从设备收到对时指令，设置本地时间，此时所有从设备的时间是一致的。但在两次对时指令之间，各从设备的时间精度完全依赖各自的晶振。

输电线路上出现故障的时刻是不确定的，随时都可能发生，这就要求各从设备的时间系统必须长时间处于稳定状态。由于晶振本身的偏差会使得设备的时间系统随着时间的推移误差逐渐变大，如果通过频繁对时来解决这个问题，通信信道就没有能力传输业务数据，需要再增加信道。

如何保证设备在对时后进行稳定计时，时间系统保持在一定的精度，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的，是提供一种对时方法，实时调整设备的计时体系，保证时间系统的精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种主从设备的对时方法，基于对时主站和多个从设备完成，对时主站中设置卫星授时设备；对时主站每隔T毫秒广播对时命令，对时命令中包含当前时间戳，从设备接收对时命令，其特征在于：

对时主站执行的步骤包括：

MA、设置T毫秒中断，

MB、产生中断时，从卫星获取时间戳，

MC、判断是否首次广播对时命令，如果是，广播对时命令，否则执行步骤MD，

MD、计算当前获取的时间戳和上次广播的时间戳之间的差t1，计算当前本地时间和上次广播对时命令是时的本地时间之间的差t2，如果abs(t2-t1)>T1，结束本次中断，将下次广播对时命令设置为首次发送，否则，广播对时命令，执行步骤ME，

ME、基准时间T-base=t1，调整时间T-adj=t2，调整量AdjustValue= t2-t1，执行实时动态跟踪对时；

从设备执行的步骤包括：

A、接收到对时命令，

B、判断是否首次收到对时命令，如果是，将收到的当前时间戳作为系统时间写入本地，否则执行步骤C，

C、如果距上次收到对时命令的时间超过T+△T，将收到的当前时间戳作为系统时间写入本地，否则执行步骤D，

D、根据当前收到的时间戳和上次收到的时间戳Tz1和Tz0，计算出在此间隔内主机走过的时间PassTimeZ，PassTimeZ= Tz1―Tz0；

根据当前和上次收到对时命令的本地时刻Tc1和Tc0，计算出在此间隔内从设备走过的时间PassTimeC，PassTimeC= Tc1―Tc0；

基准时间T-base=PassTimeZ，调整时间T-adj=PassTimeC，时间差△t= PassTimeC― PassTimeZ；调整量AdjustValue=△t，执行实时动态跟踪对时；

所述实时动态跟踪对时执行以下步骤：

本地的晶振频率为Fclock，经过T-adj晶振震荡次数为T-adj/(1/Fclock)，设置本地计数器，使之后晶振震动次数为T-adj/(1/Fclock)时，经过的时间为T-base。

进一步地：步骤D中，计算：△k _n =△t+ AdjustValue _n-1

AdjustValue _n=α△k _n +(1-α) AdjustValue _n-1

其中，n为一共收到连续对时命令的数量，△k _n为本次调整量的中间值，AdjustValue _i为连续第i次收到对时命令后的调整量，1<= i <=n，AdjustValue ₁₌ 0，AdjustValue ₂₌ △t2；α为调整系数。

调整量AdjustValue= AdjustValue _n。

所述实时动态跟踪对时具体执行的步骤包括：

F1、每毫秒调整1次晶振震荡作为调整的基础值，计算在T时间内，以基础值为基准，可以调整的总时间为：PerTime=T*1/Fclock，T的单位为毫秒。

F2、计算在T时间内完成调整量的调整，每毫秒需要调整的晶振震荡次数：

TickValue0=[AdjustValue/PerTime]，[AdjustValue/PerTime]代表取整。

F3、计算将TickValue0分配到每毫秒后，剩余的需要调整的时间：

TickValue1=AdjustValue%PerTime，AdjustValue%PerTime代表取余数。

F4、如果TickValue1≠0，计算调整范围：

TickTime=TickValue1/(1/Fclock))。

F5、设置计数器：

在前TickTime毫秒内，每毫秒的计数为：当前计数+ TickValue0+an，

之后的每毫秒的计数为：当前计数+ TickValue0，

其中，如果AdjustValue>0，an=1，否则，an=―1。

CPU使用计数器完成定时功能，晶振参数及定时器的工作频率确定后，每个时间单位的晶振震荡次数是一定的。如定时器的工作频率为12MHZ，定时器的TOP值设为（12000-1），也就是说定时器的计数器从0计数到TOP值时所经过的时间是1ms。

本发明依据绝对的时间参考，将定时器中的计数作为一个变量进行调整，可以精细调整本地时钟精度。

采用本发明提出的方案，根据收到卫星时间作为参考，调整一定时间内的本地晶振震荡计数，精细调整主机和从设备的本地时钟，实现主机和多个从设备的时钟同步，从设备之间的时间差在±2微秒内。主机以精确的时间发送对时命令，减轻从设备对时的资源消耗。

附图说明

图1是实施例的设备分布示意图，

图2是主机给从机下发对时命令的时序图。

具体实施方式

一种主从设备的对时方法，基于对时主站和多个从设备完成，对时主站中设置卫星授时设备；对时主站每隔T毫秒广播对时命令，对时命令中包含当前时间戳，从设备接收对时命令。本实施例中，T=120毫秒。

参看图1，本实施例为配电产品故障定位装置：暂态录波型故障指示器，该产品的一个核心功能就是对输电线路发生故障的瞬间对ABC三相进行录波，并且对三相同步性有要求，以便主站收到波形后进行故障判断。

该产品要求在故障时刻录下的波形的三相故障同步误差不超过100us。为了满足这一技术指标，一般采用的方式是尽可能的让三相采集单元在同一时刻对线路上的电压和电流进行采样计算。

主机具有卫星授时功能，下发的对时命中的时间戳从星上获取。从机A、B、C分别对三相线路进行录波。

对时主站执行的步骤包括：

MA、设置T毫秒中断，

MB、产生中断时，从卫星获取时间戳，

MD、计算当前获取的时间戳和上次广播的时间戳之间的差t1，计算当前本地时间和上次广播对时命令是时的本地时间之间的差t2，如果abs(t2-t1)>T1，结束本次中断，将下次广播对时命令设置为首次发送，否则，广播对时命令，执行步骤ME。

如果两次广播发送对时命令的时间间隔忽然产生跳变，有可能系统出现问题，或者本地调节不当，此时停止跟踪对时。并且在此情况下，发送对时命令会给从设备带来问题，因此放弃本次对时命令的广播发送。本实施例中，T1=30微秒。

如果是本地调节不当，后续的跟踪对时会连续产生上述情况。为了杜绝这种现象的发生，本实施例中，重置本地计数器为初值，恢复初始状态。

ME、基准时间T-base=t1，调整时间T-adj=t2，调整量AdjustValue= t2-t1，执行实时动态跟踪对时。

各从设备对时执行的步骤包括：

A、接收到对时命令。

B、判断是否首次收到对时命令，如果是，将收到的当前时间戳作为系统时间写入本地，否则执行步骤C。

本发明提出的方法依赖于连续收到的对时命令，首次收到对时命令无法进行调整。

C、如果距上次收到对时命令的时间超过T+△T，放弃本次对时命令，否则执行步骤D。

如果两次收到对时命令的时间间隔过长，有可能系统出现问题，此时停止跟踪对时，本次收到的对时命令视为首次收到。本实施例中，△T=10毫秒。

以上情况下，从设备不进行实时动态跟踪对时。

参看图2，Tz0、Tz1等为主站发送对时命令中时间戳中的时间，Tc0、Tc1等为从站接收对时命令的本地时刻。BC0、BC1为发送、传输和处理延时，如何处理延时不是本发明的主题。

D、根据当前收到的时间戳和上次收到的时间戳Tz1和Tz0，计算出在此间隔内主机走过的时间PassTimeZ，PassTimeZ= Tz1―Tz0。

根据当前和上次收到对时命令的本地时刻Tc1和Tc0，计算出在此间隔内从设备走过的时间PassTimeC，PassTimeC= Tc1―Tc0。

基准时间T-base=PassTimeZ，调整时间T-adj=PassTimeC，时间差△t= PassTimeC―PassTimeZ；调整量AdjustValue=△t，执行实时动态跟踪对时。

理想情况下，主机在两次中断的本地时钟时间差，与发送的两个时间戳之间的时间差应该一致；从设备连续收到的两个时间戳之间的时间差，与两次收到对时命令的本地时钟的时间差也应该一致。

即：本地的晶振频率为Fclock，经过T-adj晶振震荡次数为T-adj/(1/Fclock)。理想状态下，本地的计时与星上的计时完全同步，表现为T-adj=T-base。

本发明的核心，是将下一个等待周期T内设置为调整周期，在调整周期内，设置本地计数器，使晶振震动次数为T-adj/(1/Fclock)时，经过的时间为T-base。

对时主站和从设备采用相同的对时方法，下面通过从设备的对时过程进行说明。

本实施例通过以下步骤实现。

执行实时动态跟踪对时首先要确定需要调整的时间量。

计算：时间差△t= PassTimeC―PassTimeZ；调整量AdjustValue=△t。

以上是根据连续两次对时命令得到的调整量，可以以此进行对时。

主机和从设备在发送和接收对时命令时，都有可能发生时间的跳变。为了减小跳变的影响，提高时钟系统的鲁棒性，采用多个时间差实现滤波处理：

计算：△k _n =△t+ AdjustValue _n-1

AdjustValue _n=α△k _n +(1-α) AdjustValue _n-1。

其中，n为一共收到连续对时命令的数量，△k _n为本次调整量的中间值，AdjustValue _i为连续第i次收到对时命令后的调整量，1<= i <=n，AdjustValue ₁₌ 0，AdjustValue ₂₌ △t2，△t2为连续第二次收到对时命令后计算的时间差；α为调整系数；这里α =1/24。

上面两个公式合并，得到：

AdjustValue _n=α△t+ AdjustValue _n-1。

调整量AdjustValue= AdjustValue _n。

每次的调节量，以上次的调节量为基础，再以本次时间差作为微调，防止抖动。

第一次收到对时命令：△k ₁ =△t，AdjustValue ₁₌ △t。这时不进行动态跟踪对时。

第二次收到对时命令：△k ₂ =△t，AdjustValue ₂₌ △t，此时的△t即上述△t2。AdjustValue=△t。

第三次收到对时命令：△k ₃ =△t+ AdjustValue ₂ ，AdjustValue ₃ =α△t+ AdjustValue ₂ 。

第三次以后，以此类推。

以调整量AdjustValue为依据的对时过程。

F1、假设在一个调整周期内（T时间内），每毫秒只调整1个晶振震荡个数（时间为1/Fclock），则一个调整周期内总的可调节时间为：PerTime=T*1/Fclock，T的单位为毫秒。

同样，假设在一个调整周期内（T时间内），每毫秒调整m个晶振震荡个数（时间为1/Fclock），则一个调整周期内总的可调节时间为：PerTime=m*T*1/Fclock，T的单位为毫秒。

本实施例中，从机的时钟系统采用一个定时器来进行计时，定时器的工作频率为12MHz。

本实施例采用1/Fclock=1/12M=1/12微秒(us)为单位进行调整，主机给从机的对时间隔为120ms，可以计算得出在一个对时时间间隔内，如果按照每1ms只调整1/12us，则最多可调整120/12=10us。

假设计算出的调整量AdjustValue=12us，

TickValue0=[AdjustValue/PerTime]，[AdjustValue/PerTime]代表取整。

本实施例中，TickValue0=[12/10]=1。即每毫秒调整+1次。

通过每毫秒计数增加1次，在下个调整周期（T）中可以调整10us。

TickValue1=AdjustValue%PerTime，AdjustValue%PerTime代表取余数。

本实施例中，TickValue0=12%10=2。即还需要调整2us。

剩余的需调整的时间，如果在T周期内每毫秒都调整，会超出调整范围。本实施例中，在T周期内的前面，以毫秒为单位，每毫秒再调整+1次。

F4、如果TickValue1≠0，计算调整范围：TickTime=ABS(TickValue1/(1/ Fclock)))。

本实施例中，TickTime=ABS(TickValue1/(1/Fclock)))=ABS(2/(1/12))=24。

F5、设置计数器。

通过上面计算，在下一个T毫秒的时间内：

前24（TickTime）毫秒，每毫秒的计数为：当前计数+ TickValue0+an=当前计数+1+1。

后面120-24=96毫秒，每毫秒的计数为：当前计数+ TickValue0=当前计数+1。

本实施例中，由于AdjustValue>0，an=1，计数增加。如果AdjustValue<0，计数减小。

通过以上设置，在下一个T周期内，根据历史数据调整系统时间，实现实时动态跟踪对时。

Claims

1.一种主从设备的对时方法，基于对时主站和多个从设备完成，对时主站中设置卫星授时设备；对时主站每隔T毫秒广播对时命令，对时命令中包含当前时间戳，从设备接收对时命令，其特征在于：

对时主站执行的步骤包括：

MA、设置T毫秒中断，

MB、产生中断时，从卫星获取时间戳，

从设备执行的步骤包括：

A、接收到对时命令，

所述实时动态跟踪对时执行以下步骤：

2.根据权利要求1所述的对时方法，其特征在于：步骤D中，计算：

△k _n =△t+ AdjustValue _n-1

AdjustValue _n=α△k _n +(1-α) AdjustValue _n-1

其中，n为一共收到连续对时命令的数量，△k _n为本次调整量的中间值，AdjustValue _i为连续第i次收到对时命令后的调整量，1<= i <=n，AdjustValue ₁₌ 0，AdjustValue ₂₌ △t2；α为调整系数；

调整量AdjustValue= AdjustValue _n。

3.根据权利要求1或2所述的对时方法，其特征在于：所述实时动态跟踪对时包括以下步骤，

F1、每毫秒调整1次晶振震荡作为调整的基础值，计算在T时间内，以基础值为基准，可以调整的总时间为：PerTime=T*1/Fclock，T的单位为毫秒；

TickValue0=[AdjustValue/PerTime]，[AdjustValue/PerTime]代表取整；

TickValue1=AdjustValue%PerTime，AdjustValue%PerTime代表取余数；

F4、如果TickValue1≠0，计算调整范围：

TickTime=ABS(TickValue1/(1/Fclock)))；

F5、设置计数器：

之后的每毫秒的计数为：当前计数+ TickValue0，

其中，如果AdjustValue>0，an=1，否则，an=―1。

4.根据权利要求2所述的对时方法，其特征在于：α为12-64间的整数。

5.根据权利要求1所述的对时方法，其特征在于：T=120毫秒，△T=10毫秒。

6.根据权利要求1所述的对时方法，其特征在于：T1=30微秒。

7.根据权利要求6所述的对时方法，其特征在于：步骤MD中，如果abs(t2-t1)>T1，重置计数器为初值。