CN113014350A - 一种基于pmc接口的仿真设备间时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，包括：将时钟同步装置发出的时钟同步信号通过授信总线发送至仿真设备内各计算节点，各计算节点均包括基于PMC接口的时钟板卡；各计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差；根据所述相对频率偏差对本地晶振进行频率修正后，基于PMC接口的时钟板卡得到与时钟同步信号无偏差的本地频率基准信号；根据基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步；仿真设备内各计算节点通过光纤连接。本发明解决了目前仿真设备组成的时间同步网络存在时间误差以及适应性需求问题。
Description
技术领域
本发明涉及半实物仿真技术领域，尤其涉及一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法。
背景技术
在半实物仿真试验中，同时参与仿真试验的不同设备间的时间一致性指标对仿真试验结果的真实性和仿真系统的可靠性会产生显著影响。为保证仿真试验顺利进行，确保仿真结果真实可信，需要对不同设备的时间一致性指标进行控制。
采用设备本身的晶振守时，守时精度及设备间时间一致性受限于晶振频率误差。由于无反馈控制设计，累计误差无法去除，长时间累积会导致不同设备间时间存在较大时间误差甚至错帧，严重影响仿真结果的真实性及仿真系统的可靠性。需构建时间同步网络，通过基准时钟源对仿真设备进行授时。
采用同一时钟源与仿真设备物理连接组成时间同步网络，时钟源定时向所有物理连接的仿真设备授时，仿真设备接收到授时信号后调节本地压控晶振的振荡频率，可以实现不同仿真设备间的高精度时钟同步。但同时引入以下若干问题：基于反馈控制的高精度时间同步方法，由于物理连接的传输线距离不同引入时间误差；仿真设备多样，试验状态多变导致时间同步设备接口适应性需求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，以解决目前仿真设备组成的时间同步网络存在上述的部分或全部问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，包括以下步骤：
将时钟同步装置发出的时钟同步信号通过授信总线发送至仿真设备内各计算节点，各所述计算节点均包括基于PMC接口的时钟板卡；
各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差；
根据所述相对频率偏差对本地晶振进行频率修正后，所述基于PMC接口的时钟板卡得到与时钟同步信号无偏差的本地频率基准信号；
根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步；
其中，仿真设备内各计算节点通过光纤连接。
进一步地，所述基于PMC接口的时钟板卡的接口包括PMC接口、光纤接口、调试接口、PPS输出接口和预留接口；
所述PMC接口，用于板卡与各计算节点通信；
所述光纤接口外接授时设备，用于输入时钟源的基准信号；
所述调试接口外接调试设备，用于板卡调试；
所述PPS输出接口外接需授时或测试设备，用于输出时钟信号；
所述预留接口，用于扩展定制功能输出；
所述基于PMC接口的时钟板卡上设置运行状态指示灯。
进一步地，所述PMC接口通过PCI/PCIE/CPCI接口协议的通信实现半实物仿真设备的时间同步。
进一步地，各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差，包括：
各所述计算节点通过本地晶振的秒信号对所述时钟同步信号进行时差测量，并根据时差测量结果对所述时钟同步信号进行去抖；
各所述计算节点根据所述时差测量结果输出本地晶振的秒信号的同步相位及时间间隔，同时控制时钟的电压值，并调整所述同步相位的偏差使得频率达到一致后得到相对频率偏差。
进一步地，通过卡尔曼滤波算法对输入的时钟同步信号与本地晶振的秒信号的相位差进行滤波，滤去大于设定阈值的抖动，再通过PID算法控制时钟的电压值。
进一步地，根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步，包括：
利用光纤时延在线监测测量出光纤时延值，并采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值，对所述光纤时延变化值采用零时延可程控进行光纤时延均衡补偿，使得仿真设备间的时间同步。
进一步地，所述往返对比锁相环由计算节点上的FPGA程序实现，通过控制时钟同步信号的相位差及光纤时延变化值实现信号同步。
进一步地，所述采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值包括：
根据光纤时延值选择适当的标称化的时延环测量值及相对应的时间间隔码进行相关锁定，锁相完成频率同步，并建立1PPS初始原点；
采用所述时间间隔码往返比对实现每秒1000次的重复测量，得到光纤时延变化值。
进一步地，所述光纤时延变化值包括光纤时延随温度变化产生的波动和老化漂移；
所述往返对比锁相环将所述光纤时延变化值剥离分割后，滤除光纤传递过程中引入的对时间频率同步的抖动噪声，使得所述光纤时延变化值恒定控制在极小的范围内。
进一步地，所述基于PMC接口的时钟板卡的预留接口PMC_Pn4包括50个GPIO信号，其中，PMC_Pn4_49、PMC_Pn4_50为CLK1_P时钟线，其它信号为LV_CMOS_3.3V标准的IO接口；
所述IO接口预定义A0～A7为8bit位宽地址线、D0～D15为16bit位宽数据线、REQ/ACK/RW为读写控制线、A8/A9为两根中断控制线，用于时钟板卡间的通信交互数据，其余GPIO信号为系统预留。
本技术方案有益效果如下：本发明公开了一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，该方法利用锁相环，并通过光纤构建时间同步网络，使用光纤授时及光纤时延补偿以及PMC高精度时间同步板卡动态调节晶振振荡频率，实现半实物仿真试验环境下不同仿真设备间的高精度时钟同步。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整4个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法流程图；
图2为本发明实施例的PMC高精度时钟卡实物图；
图3为本发明实施例的仿真试验环境示意图；
图4为本发明实施例的时统设备示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，包括以下步骤：
S1，将时钟同步装置发出的时钟同步信号通过授信总线发送至仿真设备内各计算节点，各所述计算节点均包括基于PMC接口的时钟板卡；
S2，各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差；
S3，根据所述相对频率偏差对本地晶振进行频率修正后，所述基于PMC接口的时钟板卡得到与时钟同步信号无偏差的本地频率基准信号；
S4，根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步；
其中，仿真设备内各计算节点通过光纤连接。
与现有技术相比，本发明通过光纤构建时间同步网络，并使用光纤授时及光纤时延补偿以及PMC高精度时间同步板卡动态调节晶振振荡频率，实现半实物仿真试验环境下不同仿真设备间的高精度时钟同步。
本发明的一个具体实施例，如图2所示，所述基于PMC接口的时钟板卡的接口包括PMC接口1、光纤接口2、调试接口3、PPS输出接口4和预留接口5；
所述PMC接口1，用于板卡与各计算节点通信；
所述光纤接口2外接授时设备，用于输入时钟源的基准信号；基于该时钟源的基准信号对仿真设备间进行高精度时钟同步后产生时钟同步信号。
所述调试接口3外接调试设备，用于板卡调试；
所述PPS输出接口4外接需授时或测试设备，用于输出时钟信号；
所述预留接口5，用于扩展定制功能输出；
所述基于PMC接口的时钟板卡上设置运行状态指示灯6。
本发明的一个具体实施例，结合图2所示，所述PMC接口1通过PCI/PCIE/CPCI接口协议的通信实现半实物仿真设备的时间同步。
本发明的一个具体实施例，各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差，包括：
各所述计算节点通过本地晶振的秒信号对所述时钟同步信号进行时差测量，并根据时差测量结果对所述时钟同步信号进行去抖；
各所述计算节点根据所述时差测量结果输出本地晶振的秒信号的同步相位及时间间隔，同时控制时钟的电压值，并调整所述同步相位的偏差使得频率达到一致后得到相对频率偏差。
具体地，通过接收时钟源的基准信号与晶振的秒信号进行时差测量，计算得到晶振与时钟源的基准信号的相对频率偏差，根据频率偏差对晶振的频率进行频率修正，得到与时钟源的基准信号无偏差的本地信号，晶振信号鉴相、滤波、压控(PLL环路)，解决了时钟源的基准信号去抖动、输出秒信号的相位同步、高精度时间间隔测量等三个技术难点，使输出信号有了很好的频率准确度和频率短期稳定度。在时钟源的基准信号有效时，由时钟源的基准信号驯服晶振频率，以获得本地高精度的频率基准信号；在时钟源的基准信号丢失或故障时，则由晶振进行短期频率精度维持，并根据和时钟源的基准信号驯服时的频率调整量，在一定时间内进行频率补偿，以保证系统内部频率有足够好的频率精度。
如图3所示仿真试验环境示意图，时钟同步信号由时钟同步装置发出，通过授时总线连接到各计算节点，计算节点内部包含基于PMC接口的高精度时钟板卡。计算节点接收到时钟同步信号后，产生本地的高精度同步时钟。整个仿真系统在统一的同步时钟下工作。
本发明的一个具体实施例，通过卡尔曼滤波算法对输入的时钟同步信号与本地晶振的秒信号的相位差进行滤波，滤去大于设定阈值的抖动，再通过PID算法控制时钟的电压值。
也即，通过kalman滤波算法对输入相位差进行滤波，滤去大的抖动，然后通过PID算法控制时钟的电压值，以稳定本地晶振的振荡频率。
本发明的一个具体实施例，根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步，包括：
利用光纤时延在线监测测量出光纤时延值，并采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值，对所述光纤时延变化值采用零时延可程控进行光纤时延均衡补偿，使得仿真设备间的时间同步。
具体来说，目前采用精密的测量仪表可将光纤传输时延变化值测量的比较精确并一次性补偿，达到通信网络的基本要求。但是随着时间、温度、老化等极其缓慢的变化，光纤传输时延值会发生随机变化，它会使光通信网络的从站同步设备单元在较长时间的运行后，产生错误的时间频率偏差，恶性循环的漂移累积，会使时间同步误差超限，造成光传输网络不稳定、通信故障告警等。因此，光纤时延是影响时间同步的重要因素之一，必须想方设法对它进行补偿和控制。
传统时统信号交换机，如图4所示，一般只能起到时统信号的分发作用，且在分发过程中会引起较大误差，误差在微秒级。时统信号在光纤中传输时存在着时延，基本时延参数为5ns/m，并且此时延受温度影响比较大，其时延变化的温度稳定性为40ps/℃.m，随着距离的增加，时延影响会越大，因此传统的时统设备很难做到高精度的多级传输和远距离传输。
上述方法在现有的光纤传输设备中，利用光纤时延在线监测技术精准测量出光纤的时延，用往返对比锁相技术测出时钟源和设备间的光纤时延值变化值，用零时延可程控光纤时延均衝补偿技术，补偿光纤时延随温度变化产生的波动和老化漂移，采用硬件和软件相结合的方法进行准平稳随机过程收敛处理，克服缓慢时延漂移和漂移累积给时间频率同步的不良影响，实现光纤传输时延自动测量锁定和均衡补偿。
本发明方法运用高精度的光纤传输时延自动测量、锁定及均衡补偿技术，复用往返对比锁相技术将光纤时延值的变化剥离分割开，去除它对时间频率同步的负面影响，精确测量算法将光纤时延的变化恒定地控制在极小的范围之内，从而实现了各计算节点之间的高精度传递。
本发明的一个具体实施例，所述往返对比锁相环由计算节点上的FPGA程序实现，通过控制时钟同步信号的相位差及光纤时延变化值实现信号同步。
本发明的一个具体实施例，所述采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值包括：
根据光纤时延值选择适当的标称化的时延环测量值及相对应的时间间隔码进行相关锁定，锁相完成频率同步，并建立1PPS初始原点；
采用所述时间间隔码往返比对实现每秒1000次的重复测量，得到光纤时延变化值。
具体地，通过在光纤时延在线监测系统上加装零时延可程控光纤时延均衡补偿网络，根据光纤时延值选择适当的标称化的时延环测量值以及相对应的时间间隔码进行相关锁定，锁相完成频率同步，建立1PPS初始原点，采用时间间隔码往返比对，实现每秒钟1000次的重复测量，滤除光纤传递过程中引入的抖动噪声。光纤时延控制采用使三个时间测量参考点趋于一点的方法，并以三个时间测量参考点分别为共同的参考点、过零平衝点以及基准点，实现延时控制。
本发明的一个具体实施例，所述光纤时延变化值包括光纤时延随温度变化产生的波动和老化漂移；
所述往返对比锁相环将所述光纤时延变化值剥离分割后，滤除光纤传递过程中引入的对时间频率同步的抖动噪声，使得所述光纤时延变化值恒定控制在极小的范围内。
本发明的一个具体实施例，所述基于PMC接口的时钟板卡的预留接口PMC_Pn4包括50个GPIO信号，其中，PMC_Pn4_49、PMC_Pn4_50为CLK1_P时钟线，其它信号为LV_CMOS_3.3V标准的IO接口；
所述IO接口预定义A0～A7为8bit位宽地址线、D0～D15为16bit位宽数据线、REQ/ACK/RW为读写控制线、A8/A9为两根中断控制线，用于时钟板卡间的通信交互数据，其余GPIO信号为系统预留。
具体来说，设备总线遵守PMC总线约束；板卡的PMC_Pn4预留50个GPIO信号，其中PMC_Pn4_49、PMC_Pn4_50为CLK1_P时钟线，其他信号为LV_CMOS_3.3V标准的IO接口，预定义了A0～A7共8bit位宽地址线、D0～D15共16bit位宽数据线、REQ/ACK/RW等读写控制线、A8/A9两根中断控制线，可用于板间的通信交互数据，剩余GPIO信号系统预留。信号定义及寄存器定义详见表1和表2。
表1时统板信号定义表
表2数据传输对应寄存器列表
综上所述，本发明公开了一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，包括以下步骤：将时钟同步装置发出的时钟同步信号通过授信总线发送至仿真设备内各计算节点，各所述计算节点均包括基于PMC接口的时钟板卡；各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差；根据所述相对频率偏差对本地晶振进行频率修正后，所述基于PMC接口的时钟板卡得到与时钟同步信号无偏差的本地频率基准信号；根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步；其中，仿真设备内各计算节点通过光纤连接。本发明利用锁相环，并通过光纤构建时间同步网络，使用光纤授时及光纤时延补偿以及PMC高精度时间同步板卡动态调节晶振振荡频率，实现半实物仿真试验环境下不同仿真设备间的高精度时钟同步。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PMC接口的仿真设备间时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
将时钟同步装置发出的时钟同步信号通过授信总线发送至仿真设备内各计算节点，各所述计算节点均包括基于PMC接口的时钟板卡；
各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差；
根据所述相对频率偏差对本地晶振进行频率修正后，所述基于PMC接口的时钟板卡得到与时钟同步信号无偏差的本地频率基准信号；
根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步；
其中，仿真设备内各计算节点通过光纤连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于PMC接口的时钟板卡的接口包括PMC接口、光纤接口、调试接口、PPS输出接口和预留接口；
所述PMC接口，用于板卡与各计算节点通信；
所述光纤接口外接授时设备，用于输入时钟源的基准信号；
所述调试接口外接调试设备，用于板卡调试；
所述PPS输出接口外接需授时或测试设备，用于输出时钟信号；
所述预留接口，用于扩展定制功能输出；
所述基于PMC接口的时钟板卡上设置运行状态指示灯。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述PMC接口通过PCI/PCIE/CPCI接口协议的通信实现半实物仿真设备的时间同步。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述计算节点根据接收到的时钟同步信号与本地晶振的秒信号进行时差测量，计算得到本地晶振与时钟同步信号的相对频率偏差，包括：
各所述计算节点通过本地晶振的秒信号对所述时钟同步信号进行时差测量，并根据时差测量结果对所述时钟同步信号进行去抖；
各所述计算节点根据所述时差测量结果输出本地晶振的秒信号的同步相位及时间间隔，同时控制时钟的电压值，并调整所述同步相位的偏差使得频率达到一致后得到相对频率偏差。
5.根据权利要求4述的方法，其特征在于，通过卡尔曼滤波算法对输入的时钟同步信号与本地晶振的秒信号的相位差进行滤波，滤去大于设定阈值的抖动，再通过PID算法控制时钟的电压值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述基于PMC接口的时钟板卡获得的所述本地频率基准信号，并通过光纤传输时延控制使得仿真设备间实现时间同步，包括：
利用光纤时延在线监测测量出光纤时延值，并采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值，对所述光纤时延变化值采用零时延可程控进行光纤时延均衡补偿，使得仿真设备间的时间同步。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述往返对比锁相环由计算节点上的FPGA程序实现，通过控制时钟同步信号的相位差及光纤时延变化值实现信号同步。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用往返对比锁相环测出时钟同步信号和仿真设备间的光纤时延变化值包括：
根据光纤时延值选择适当的标称化的时延环测量值及相对应的时间间隔码进行相关锁定，锁相完成频率同步，并建立1PPS初始原点；
采用所述时间间隔码往返比对实现每秒1000次的重复测量，得到光纤时延变化值。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述光纤时延变化值包括光纤时延随温度变化产生的波动和老化漂移；
所述往返对比锁相环将所述光纤时延变化值剥离分割后，滤除光纤传递过程中引入的对时间频率同步的抖动噪声，使得所述光纤时延变化值恒定控制在极小的范围内。
10.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述基于PMC接口的时钟板卡的预留接口PMC_Pn4包括50个GPIO信号，其中，PMC_Pn4_49、PMC_Pn4_50为CLK1_P时钟线，其它信号为LV_CMOS_3.3V标准的IO接口；
所述IO接口预定义A0～A7为8bit位宽地址线、D0～D15为16bit位宽数据线、REQ/ACK/RW为读写控制线、A8/A9为两根中断控制线，用于时钟板卡间的通信交互数据，其余GPIO信号为系统预留。
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