CN109617641A - 一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中:PPC处理器接收由GPS接收机发出的UTC时间信息,进行解算后获得与GPS同步的时、分、秒数据;PPC处理器生成精度信息,将解算后获得的时、分、秒及秒以下数据和精度信息传递给FPGA时钟获取单元;FPGA时钟获取单元从本地时钟源接收本地时钟信号并从GPS接收机接收PPS信号,对接收到的时、分、秒及秒以下数据进行校准;FPGA时钟获取单元通过LBC总线将校准后的时、分、秒及秒以下数据发送回PPC处理器,以实现秒以下数据的校准。本方法时间精度配置灵活、获取时间精准度高。
Description
技术领域
本发明涉及航空设备***时钟同步技术领域,具体涉及一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法。
背景技术
航空机载设备之间的***时间同步尤为重要,***时间同步是保证设备间正常通信和协同工作的基础。整个***中,设备端机可通过接收GPS信号或者B码的方式获取高精度时钟,并以此时钟为基准向其他设备授时。端机以RS422格式输出的UTC时间帧精度虽然可以达到1us甚至更高,但是由于端机内部的串并转换时延、数据线的传输时延以及授时设备的串并转换时延,授时设备获取的UTC时间并不准确。例如端机以115200bps的波特率向授时设备发送UTC时间帧,该帧长度为:帧头4Byte,帧识别码2Byte,帧长度2Byte,时间有效性2Byte,年2Byte,月2Byte,日2Byte,时2Byte,分2Byte,秒2Byte,校验和2Byte,帧尾4Byte,总共28Byte,考虑RS422采用的8b/10b编码技术,该帧的串并转换时延约为2.43ms。因此通过UTC时间帧获得的时间精度仅能达到秒级。
授时设备通常采用UTC时间帧和PPS信号相结合的方发获取高精度时间数据。在FPGA内部利用PPS信号对本机晶振时钟的修正技术,可以在不增加硬件电路的基础上,获得精准度较高的时间信息。但是该技术存在无法对秒以下时钟精度灵活调整的问题。该技术由FPGA设计人员根据授时设备的实际使用需求,设置固定的秒以下时钟精度,在使用过程中该精度无法调整。当授时设备由于需求的变化需要使用更高精度的时间时,需要FPGA设计人员根据新需求重新设计逻辑电路,这给授时设备功能的升级和扩展带来极大的不便。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,该方法可以在不增加额外电路的情况下,实现:(1)PPC处理器可灵活设置FPGA时钟获取单元的最小精度;(2)FPGA时间获取单元将获取时间的误差控制在一个较小的范围之内,消除使用时长增加导致的误差累加现象。
本方法的技术方案如下:
通过本发明的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法实现上述目的,其中:PPC处理器接收由GPS接收机发出的UTC时间信息,对UTC时间信息进行解算后获得与GPS同步的时、分、秒数据;PPC处理器生成精度信息,并将解算后获得的时、分、秒及秒以下数据和精度信息传递给FPGA时钟获取单元;FPGA时钟获取单元从本地时钟源接收本地时钟信号并从GPS接收机接收PPS信号,并根据本地时钟信号、PPS信号和精度信息对接收到的时、分、秒及秒以下数据进行校准;FPGA时钟获取单元将校准后的时、分、秒及秒以下数据发送回PPC处理器,以实现秒以下数据的校准。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,所述秒以下数据的校准可以包括毫秒、微秒或纳秒数据的校准。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,(1)所述UTC时间信息以RS422的格式进行传输;(2)所述UTC时间信息中包含年、月、日、时、分、秒以及微秒级数据。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,PPC处理器可以接收UTC时间信息并对其进行解算,从而获取所述UTC时间信息中包含的年、月、日、时、分和秒数据;并且PPC处理器将年、月、日数据以万年历格式保存,将时、分、秒数据和精度信息通过LBC总线传递给FPGA时钟获取单元。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,FPGA时钟获取单元可以设置有时初始化配置寄存器、分初始化配置寄存器、秒初始化配置寄存器和精度信息配置寄存器,以用于配置FPGA时钟获取单元的初始化时、分、秒数据和秒以下数据精度。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,FPGA时钟获取单元可以设置有时数据寄存器、分数据寄存器、秒数据寄存器和秒以下数据寄存器,以用于向PPC处理器输出精确的时、分、秒和秒以下数据。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,FPGA时钟获取单元可以通过本地时钟源判断PPS信号的状态;当FPGA时钟获取单元通判断PPS信号无效时,FPGA时钟获取单元根据本地时钟信号和精度信息进行校准,并将PPS信号无效状态发送回PPC处理器;当FPGA时钟获取单元通判断PPS信号有效时,FPGA时钟获取单元根据本地时钟信号、PPS信号和精度信息进行校准,并将PPS信号有效状态发送回PPC处理器。
在上述基于秒脉冲的可调精度时间获取方法中,FPGA时钟获取单元可以经由如下过程判断PPS信号的状态:FPGA时钟获取单元根据本地时钟源的时钟频率设置阀值;当FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数值超过阀值时,判断PPS信号无效;当FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数值不超过阀值时,判断PPS信号有效;其中,FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数频率为本地时钟源的时钟频率。
附图说明
图1示出本发明方法的架构图;
图2示出本发明方法的流程图。
具体实施方式
本发明的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法基本原理是:本地晶振提供时钟信号用于产生高精度时间,PPC处理器控制初始化时间信息和确定时间精度,FPGA使用PPS信号校正时间误差。
图1示出本发明方法的架构图。如图1所示,PPC处理器接收由GPS接收机发出的UTC时间信息,对UTC时间信息进行解算后获得与GPS同步的时、分、秒数据;PPC处理器生成精度信息,并将解算后获得的时、分、秒及秒以下数据和精度信息传递给FPGA时钟获取单元;FPGA时钟获取单元从本地时钟源接收本地时钟信号并从GPS接收机接收PPS信号,并根据本地时钟信号、PPS信号和精度信息对接收到的时、分、秒及秒以下数据进行校准;FPGA时钟获取单元将校准后的时、分、秒及秒以下数据发送回PPC处理器,以实现秒以下数据的校准。
图2示出本发明方法的流程图。如图2所示,本发明的方法通过如下步骤实现:
步骤(1):PPC处理器设置时、分、秒初始值和需要的秒以下时间精度;FPGA根据PPC处理器设置对应参数。步骤(1)结束后行进至步骤(2)。
步骤(2):FPGA判断是否开始计时。如果判断结果为是,则行进到步骤(3);如果判断结果为否,则返回并再次由FPGA判断是否开始计时。
步骤(3):FPGA启动晶振计数器,开始计时。步骤(3)结束后行进至步骤(4)。
步骤(4):判断PPS信号是否到来。如果判断结果为是,则行进至步骤(5);如果判断结果为否,则行进至步骤(6.a)和(6.b)。
步骤(5):秒数加1;晶振技术器1和2清零。步骤(3)结束后返回至步骤(3)。
步骤(6.a):判断晶振计数器2是否等于设置值。如果判断结果为是,则行进至步骤(7.a);如果判断结果为否,则返回并再次判断晶振计数器2是否等于设置值。
步骤(6.b):判断晶振计数器1是否超时。如果判断结果为是,则行进至步骤(7.b);如果判断结果为否,则返回并再次判断晶振计数器1是否超时。
步骤(7.a):计时单位(tick)数加1;晶振计数器2清零。步骤(7.a)结束后返回至步骤(6.a)。
步骤(7.b):秒数加1;晶振计数器1和2清零;PPS状态异常。步骤(7.b)结束后返回至步骤(3)。
如上所述,基于秒脉冲的可调精度时间获取方法包括如下方面:
1)PPC处理器通过LBC总线向FPGA设置秒以下时间精度,以确定可从FPGA获取的tick数的最小精度。
2)FPGA向PPC处理器反馈hour、minute、second和tick四个数据,分别代表FPGA通过PPS修正法计算出的高精度***同步时钟的时、分、秒和秒以下数据。
3)FPGA内部设置2个计数器timer1和timer2,分别用来判读PPS信号是否丢失和计算秒以下tick值。
4)FPGA时钟获取单元开始工作后,timer1和timer2以本地晶振所产生的时钟信号为节拍开始计时,每1节拍timer1和timer2分别加1;
5)当timer2达到PPC初期器设置的秒以下精度门限时,tick值加1,timer2清零,并重新以晶振时钟信号为节拍开始累加。
6-1)当PPS信号到来时,second值加1,tick值保持不变,timer1和timer2同时清零,并重新以晶振时钟信号为节拍开始累加,FPGA时钟获取单元状态为PPS有效。
6-2)FPGA时钟获取单元开始工作后,初始状态为PPS有效。若timer1的数值等于1s+1ms的总和计数时,例如本地晶振选用66MHz,timer1的数值为66066000时,FPGA时钟获取单元进入PPS丢失状态,second值加1,tick值保持不变,timer1和timer2同时清零,并重新以晶振时钟信号为节拍开始累加。
6-3)FPGA时钟获取单元处于PPS丢失状态,若timer1的数值等于1s的计数时,FPGA时钟获取单元进入PPS丢失状态,second值加1,tick值保持不变,timer1和timer2同时清零,并重新以晶振时钟信号为节拍开始累加。
7)当second等于60时,minute加1,second清零;当minute等于60时,hour加1,second清零;当hour等于24时,hour清零,并产生日满中断。
本方法产生的高精度时间误差源于晶振的频率误差,如果使用常用的频率偏差为75ppm的晶振,所产生的最大时间误差为百万分之七十五;如果选用1ppm的温控晶振,时间误差可低于百万分之一。
在另一个实施例中,本发明的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法包括如下步骤:
步骤1,将PPS信号作为中断源,接入PPS处理器中,并设置PPS信号中断响应标志pps_int_flag,初始值为false。
步骤2,在PPS信号到来后,PPC处理器进入PPS中断服务程序,该程序首先判断pps_int_flag值,若该值为true,则不响应该中断,直接退出服务程序;若该值为false,则完成如下工作:
a.接收UTC时间帧数据,并解析数据帧中的年、月、日、时、分、秒信息;
b.将年、月、日信息以万年历信息格式保存;
c.将时、分、秒信息通过LBC总线写入FPGA的hour_init_reg、minute_init_reg和second_init_reg寄存器中;
d.根据晶振频率,计算所设置时间精度的timer2门限值,该门限值计算公示为(时间精度÷1s)×晶振频率,并将该门限值通过LBC总线写入FPGA的tick_unit_reg寄存器;
e.PPC处理器设置pps_int_flag为true,并且控制FPGA时钟获取单元开始工作;
步骤3,PPC处理器周期性地通过LBC总线读取FPGA的hour_reg、minute_reg、second_reg、tick_reg寄存器。获取FPGA时钟获取单元的时、分、秒和秒以下信息。
步骤4,PPC处理器通过LBC总线读取FPGA的pps_status_reg寄存器,获取PPS状态信息,当PPS状态为丢失时,设置pps_int_flag为false。
步骤5,将FPGA日满中断作为中断源,接入PPC处理器中,当中断到来时,万年历中日加1。
Claims (8)
1.一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中:
PPC处理器接收由GPS接收机发出的UTC时间信息,对UTC时间信息进行解算后获得与GPS同步的时、分、秒数据;
PPC处理器生成精度信息,并将解算后获得的时、分、秒及秒以下数据和精度信息传递给FPGA时钟获取单元;
FPGA时钟获取单元从本地时钟源接收本地时钟信号并从GPS接收机接收PPS信号,并根据本地时钟信号、PPS信号和精度信息对接收到的时、分、秒及秒以下数据进行校准;
FPGA时钟获取单元将校准后的时、分、秒及秒以下数据发送回PPC处理器,以实现秒以下数据的校准。
2.根据权利要求1所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中所述秒以下数据的校准包括毫秒、微秒或纳秒数据的校准。
3.根据权利要求1所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,
(1)所述UTC时间信息以RS422的格式进行传输;
(2)所述UTC时间信息中包含年、月、日、时、分、秒以及微秒级数据。
4.根据权利要求3所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,PPC处理器接收UTC时间信息并对其进行解算,从而获取所述UTC时间信息中包含的年、月、日、时、分和秒数据;并且
PPC处理器将年、月、日数据以万年历格式保存,将时、分、秒数据和精度信息通过LBC总线传递给FPGA时钟获取单元。
5.根据权利要求4所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,FPGA时钟获取单元设置有时初始化配置寄存器、分初始化配置寄存器、秒初始化配置寄存器和精度信息配置寄存器,以用于配置FPGA时钟获取单元的初始化时、分、秒数据和秒以下数据精度。
6.根据权利要求5所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,FPGA时钟获取单元设置有时数据寄存器、分数据寄存器、秒数据寄存器和秒以下数据寄存器,以用于向PPC处理器输出精确的时、分、秒和秒以下数据。
7.根据权利要求1所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,FPGA时钟获取单元通过本地时钟源判断PPS信号的状态;
当FPGA时钟获取单元通判断PPS信号无效时,FPGA时钟获取单元根据本地时钟信号和精度信息进行校准,并将PPS信号无效状态发送回PPC处理器;
当FPGA时钟获取单元通判断PPS信号有效时,FPGA时钟获取单元根据本地时钟信号、PPS信号和精度信息进行校准,并将PPS信号有效状态发送回PPC处理器。
8.根据权利要求7所述的基于秒脉冲的可调精度时间获取方法,其中,FPGA时钟获取单元经由如下过程判断PPS信号的状态:
FPGA时钟获取单元根据本地时钟源的时钟频率设置阀值;
当FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数值超过阀值时,判断PPS信号无效;
当FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数值不超过阀值时,判断PPS信号有效;
其中,FPGA时钟获取单元的内部计数器的计数频率为本地时钟源的时钟频率。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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