CN112291028A - 一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法及装置，包括获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。本发明实现基于时间精度低准确性高的时钟系统将时间精度高准确性低的待驯服时钟系统驯服为时间精度较高的准确性高的时钟系统，且可满足不同预设驯服时间精度要求。

Description

一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法及装置
技术领域
本发明涉及时间同步技术领域，具体涉及一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法及装置。
背景技术
随着网络技术的快速发展，人们对时间精度的要求越来越高，现有技术中实现时间同步方法中，第一种、通过NTP服务器或PTP协议在分布式系统中实现时间同步。基于协议的时间同步方案，多通过协议报文的交互对分布系统中各节点与服务器之间的延迟时间进行测量，然后根据测量值对主时钟和从属时钟之间的差值进行修正，并根据修正值和统计计数完成主时钟和从属时钟的精确同步。NTP协议时钟同步精度较低，一般在10ms左右，而PTP虽然精度较高，但需要专用的网卡硬件支持，会增加系统复杂度。第二种、以外部时钟源为基准，通过控制外部时钟与本地时钟的相位关系进行时间对齐，然后依靠本地时钟的精度来确保同步精度。该方案无法处理随系统运行时间的推移和环境变化导致的频率偏移。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，包括如下步骤：
获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1；
基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。
作为上述方案的进一步优化，所述基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，具体包括：
基于标准时钟的时间进行计时，获取预设时间周期T；
通过测量获取所述预设时间周期内第二时钟脉冲信号的实际个数m；
通过计算获取所述预设时间周期内第二时钟脉冲信号的理论个数M＝T/A2；
理论值和实际值的误差
Figure BDA0002747828700000021
作为上述方案的进一步优化，所述在下一预设时间周期内均匀补偿计数，包括：
获取预设时间周期T内第三时钟脉冲信号个数的理论值Q；
将预设时间周期T内第二时钟脉冲信号均分为Q个分段；
将误差ε0均匀补偿在Q个分段中。
作为上述方案的进一步优化，所述将误差ε0均匀补偿在Q个分段中，具体为：
将Q个分段均匀分成ε0份，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1。
作为上述方案的进一步优化，所述在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1，包括基于实际计数增加1或减小1，当理论值和实际值的误差ε0为正数时，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数增加1，当理论值和实际值的误差ε0为负数时，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数减小1。
作为上述方案的进一步优化，所述基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号，方法为：基于脉冲计数修正后的第二时钟脉冲信号进行计数，每隔M/Q个第二时钟脉冲信号输出一个第三时钟脉冲信号。
作为上述方案的进一步优化，所述标准时钟系统，采用授时系统输出的B码时间。
本发明还提供了一种基于预设时间精度要求的时钟驯服装置，包括：
第一、第二时钟脉冲信号获取单元，用于获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1；
第二时钟脉冲信号计数误差获取及补偿单元，用于基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
第三时钟脉冲信号获取单元，基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
预设时间精度要求的时间获取单元，将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。
本发明还提供了应用上述基于预设时间精度要求的时钟驯服方法的高速相机，所述高速相机的预设时间精度要求为1微秒，
所述高速相机通过外接授时系统获取时间精度为秒的B码时间，并获取1pps的第一时钟脉冲信号；
所述高速相机内部的待驯服时钟通过本地晶振经过锁相环产生时间精度为纳秒的第二时钟脉冲信号。
本发明的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法及装置，具备如下有益效果：
1.本发明通过以标准时钟系统给出的时间精度为A1的高准确性的时间为基础，利用时间精度为A2的待驯服时钟系统实时统计授时系统提供的时间，并将统计误差在下一时间周期进行修正，实现修正后的待驯服时钟系统的时间误差不超过A2精度级别，从而实现驯服后可以输出达到A3精度级别的时间，其中时间精度量级从高到低为A2、预设时间精度要求A3、A1，实现了以低精度高准确性的标准时间为基准，将高精度但低准确性的时钟系统驯服输出高精度且高准确性的时间，而且本发明能够基于预设时间精度要求，灵活选择符合时间精度条件的两个时钟系统进行驯服，实现驯服结果能够满足不同时间精度要求。
2.本发明通过将标准时钟系统和待驯服时钟系统的时间基于不同时间精度产生不同脉冲宽度的计时脉冲，并通过获取脉冲计数的误差作为待驯服时钟系统的时间误差，即实现了根据脉冲个数的实际值与理论值之间的差异跟踪本地时钟因外部因素导致的频率偏移，并通过将计数误差均匀补偿在下一时间周期内待驯服时钟系统的脉冲计数中，通过将时间同步的误差转变为计数误差的方式，便于计算和实现误差精度小于预设时间精度要求。
附图说明
图1为本发明的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法的流程框图；
图2为本发明的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，可以获取满足多种时间精度要求的驯服时钟，该方法包括如下步骤：
(a1)获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1，在本实施例中，标准时钟系统采用授时系统输出的B码时间，该授时系统可以为北斗授时、GPS授时等；
即本申请实施例提供的方法为以低精度高准确性的标准时间为基准，将高精度但低准确性的时钟系统驯服输出高精度且高准确性的时间。
(a2)基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差；
该步骤中，具体方法为：
基于标准时钟的时间进行计时，获取预设时间周期T，其中，为了计算的简单，该预设时间周期T可取值一个第一时钟脉冲信号的周期A1；
通过测量获取预设时间周期内第二时钟脉冲信号的实际个数m；
通过计算获取预设时间周期内第二时钟脉冲信号的理论个数M＝T/A2；
理论值和实际值的误差
Figure BDA0002747828700000041
(a3)基于误差数值，在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
该步骤中，具体方法为：
获取预设时间周期T内第三时钟脉冲信号个数的理论值Q；
将预设时间周期T内第二时钟脉冲信号均分为Q个分段；
将误差ε0均匀补偿在Q个分段中，在本实施例中，补偿方法为将Q个分段均匀分成ε0份，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1。其中，Q/ε0取整数，可以理解的是，当Q/ε0为小数时，最后一份与其它份的分段个数不同。
在实际应用中，补偿计数1可能为基于实际计数增加1也可能为基于实际计数减小1，具体的，当理论值和实际值的误差ε0为正数时，依次在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数增加1，当理论值和实际值的误差ε0为负数时，依次在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数减小1，这样可保证满足每个补偿计数为一个整数，同时误差均匀补偿在Q个分段中，以实现误差补偿后的每个分段的时间误差不超过1个第二时钟脉冲信号的周期，又因为第二时钟脉冲信号的每个分段会输出一个第三时钟脉冲信号，也就实现了每个第三时钟脉冲信号的时间误差不超过1个第二时钟脉冲信号的周期，即每个第三时钟脉冲信号的时间精度高于第二时钟脉冲信号，以获取满足预设时间精度要求的时钟脉冲信号。
(a4)基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
该步骤的具体方法为：基于脉冲计数修正后的第二时钟脉冲信号进行计数，每隔M/Q个第二时钟脉冲信号输出一个第三时钟脉冲信号。
(a5)将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间，其中标准时钟时间为A1精度的时间，再加上第三时钟脉冲进行A3时间精度级的的计时，结合形成A3精度级的标准时间。
可以理解的是，为了便于计算和方法的实现，上述计算过程中涉及的数值均取整数，预设时间时间周期的设置满足使得在该周期内第一时钟脉冲信号和第二时钟脉冲信号的个数均为整数。
本申请实施例还提供了一种基于预设时间精度要求的时钟驯服装置，包括：
第一、第二时钟脉冲信号获取单元，用于获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1；
第二时钟脉冲信号计数误差获取及补偿单元，用于基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
第三时钟脉冲信号获取单元，基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
预设时间精度要求的时间获取单元，将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。
关于基于预设时间精度要求的时钟驯服装置的具体限定可以参见上文中对于基于预设时间精度要求的时钟驯服方法的限定，在此不再赘述。上述时钟驯服装置中的各个单元可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述时钟驯服装置可以分别与待驯服时钟系统和标准时钟系统连接，也可以嵌入待驯服时钟系统内部，上述各单元可以硬件形式内嵌于或独立于处理器中，也可以以软件形式存储于存储器中，以便于处理器调用执行以上各个单元对应的操作。
本申请实施例还提供了应用上述基于预设时间精度要求的时钟驯服方法的高速相机，具体的，
所述高速相机的预设时间精度要求为1微秒，
所述高速相机通过外接授时系统获取时间精度为秒的B码时间，并获取1pps的第一时钟脉冲信号；
所述高速相机内部的待驯服时钟通过本地晶振经过锁相环产生时间精度为为纳秒的第二时钟脉冲信号。
现有技术中，多台相机组成的图像采集系统在执行任务时需要进行高精度的拍摄时间同步，尤其是高帧率的高速相机，需要将时间同步到us量级才能满足拍摄时间精度的要求，基于此要求，本申请实施例中：
高速相机的预设时间精度要求设为1微秒；
各高速相机通过专用接口接收授时系统发送的B码授时信息，在高速相机内部通过FPGA的B码解析模块解析出时间信息并产生1pps的第一时钟脉冲信号；
高速相机内部的本地时钟主要包括本地晶振和锁相环，锁相环根据配置参数对本地晶振产生的时钟信号进行倍频，并输出适合于系统的本地时钟，本实施例中时间精度要求为微秒级，因此利用本地晶振经过锁相环产生纳秒级的第二时钟脉冲信号，高于预设时间精度要求一个数量级，在下面的计算过程中，以本地时钟的频率为200MHz，第二时钟脉冲信号的周期为n＝5纳秒为例。
开始进行时间驯服时，基于标准时钟的时间进行计时，获取预设时间周期T，T取值B码的一个秒脉冲周期1秒；
计算B码的1秒内，高速相机内本地时钟输出第二时钟脉冲信号的个数的理论值为
Figure BDA0002747828700000061
个；同时获取B码的1秒内，高速相机内本地时钟输出第二时钟脉冲信号的个数的实际值m；
接下来对第二时钟脉冲信号计数进行误差修正，方法为：
获取预设时间周期T内第三时钟脉冲信号个数的理论值Q，即1秒内1微秒的脉冲信号个数的理论值Q＝1*106；
将第二时钟脉冲信号均分为Q个分段，即分为1*106个分段，每个分段中理论上第二时钟脉冲信号个数为200个，在每个分段的第200个时钟脉冲信号时应该输出1个微秒脉冲信号即所需要的第三时钟脉冲信号，实际上第二时钟脉冲信号的个数存在误差ε0；
接下来，将误差ε0均匀补偿在Q个分段中，方法是，将Q个分段均匀分成ε0份，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1。以误差为理论值比实际值多3个为例，对将误差ε0均匀补偿在Q个分段中的方法进行说明。基于前面所列数据，在1*106个分段中，将该1*106个分段均分为3份，以Q/ε0向下取整为例，在第333333个分段的末尾基于实际脉冲计数数值增加1，然后继续计数，到第666666个分段的末尾再基于实际脉冲计数数值增加1，然后继续计数到第1*106个分段的末尾第3次基于实际脉冲计数数值增加1，完成3个误差的计数补偿。
基于计数修正后的第二时钟脉冲信号，每计数到第
Figure BDA0002747828700000071
个第二时钟脉冲信号输出第三时钟脉冲信号，作为微秒级时间计时，基于该计数修正后的第二时钟脉冲信号，进行计数输出第三时钟脉冲信号，输出的第三时钟脉冲信号误差不会超过n纳秒，也就达到了预设精度要求的输出1微秒的时钟脉冲信号；
当然，上述基于第二时钟脉冲信号进行误差个数补偿，以及基于计数修正后的第二时钟脉冲信号输出第三脉冲信号这两个步骤可以进行合并同时实现。
结合授时系统的秒精度级时间和第三时钟脉冲信号的微秒级时钟脉冲信号计时，获取驯服后的微秒级标准时间。
采集的高速图像使用驯服后的本地时间作为时间戳，为后续测量系统的信息提取和测量分析提供便利。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1；
基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，具体包括：
基于标准时钟的时间进行计时，获取预设时间周期T；
通过测量获取所述预设时间周期内第二时钟脉冲信号的实际个数m；
通过计算获取所述预设时间周期内第二时钟脉冲信号的理论个数M＝T/A2；
理论值和实际值的误差
Figure FDA0002747828690000011
3.根据权利要求2所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述在下一预设时间周期内均匀补偿计数，包括：
获取预设时间周期T内第三时钟脉冲信号个数的理论值Q；
将预设时间周期T内第二时钟脉冲信号均分为Q个分段；
将误差ε0均匀补偿在Q个分段中。
4.根据权利要求3所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述将误差ε0均匀补偿在Q个分段中，具体为：
将Q个分段均匀分成ε0份，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1。
5.根据权利要求4所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾补偿计数1，包括基于实际计数增加1或减小1，当理论值和实际值的误差ε0为正数时，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数增加1，当理论值和实际值的误差ε0为负数时，在每份Q/ε0个分段的最后一个分段的的末尾基于实际计数减小1。
6.根据权利要求5所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号，方法为：基于脉冲计数修正后的第二时钟脉冲信号进行计数，每隔M/Q个第二时钟脉冲信号输出一个第三时钟脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于预设时间精度要求的时钟驯服方法，其特征在于，所述标准时钟系统采用授时系统输出的B码时间。
8.一种基于预设时间精度要求的时钟驯服装置，其特征在于，包括：
第一、第二时钟脉冲信号获取单元，用于获取标准时钟系统的第一时钟脉冲信号和待驯服时钟系统的第二时钟脉冲信号，其中，标准时钟系统的时间精度量级A1、预设时间精度要求的量级A3和待驯服时钟系统的时间精度量级A2从高到低依次为A2、A3、A1；
第二时钟脉冲信号计数误差获取及补偿单元，用于基于标准时钟的时间进行计时，获取在预设时间周期内第二脉冲信号个数的理论值和实际值的误差，并在下一预设时间周期内均匀补偿计数；
第三时钟脉冲信号获取单元，基于脉冲计数修正后的第二脉冲信号进行计时，获取时间精度量级为A3的第三时钟脉冲信号；
预设时间精度要求的时间获取单元，将标准时钟系统的时间结合第三时钟脉冲信号获取A3精度级的标准时间。
9.应用权利要求1-7任一所述时钟驯服方法的高速相机，其特征在于，
所述高速相机的预设时间精度要求为1微秒，
所述高速相机通过外接授时系统获取时间精度为秒的B码时间，并获取1pps的第一时钟脉冲信号；
所述高速相机内部的待驯服时钟通过本地晶振经过锁相环产生时间精度为纳秒的第二时钟脉冲信号。
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