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

一种基于秒脉冲的可调精度时间获取方法
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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