CN109765583A - 一种基于gnss接收机秒脉冲的时钟同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法，将GNSS接收机秒脉冲1PPS信号输入到消除抖动和约束预处理电路，产生1PPS防抖信号，防止1秒内出现多个秒脉冲；对1PPS防抖信号利用第一计数器进行计数，结果为***时钟信号实际频率值，将所述结果输入到定点除法器，通过公式运算得到第二计数器的累加步长；将***时钟信号通过第二计数器分频产生采样工作时钟，其中，保持第二计数器的位数不变，通过改变所述第二计数器的累加步长delta的大小来改变采样工作时钟信号的频率；对所述采样工作时钟进行相位补偿，在每个1PPS防抖信号到来时，将采样工作时钟强制拉高，使采样工作时钟与1PPS防抖信号对齐；对所述采样工作时钟进行时延补偿。本发明很好解决了低频采样工作时钟的累积误差造成实时***的计算结果与实际不同步的问题。

Description

一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法
技术领域
本发明涉及微电子集成电路时钟同步领域，特别是涉及一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法。
背景技术
集成电路设计中的主工作采样时钟经由外部时钟晶振输入再经过FPGA内部PLL或MMCM等专用时钟管理模块倍频或分频产生，当需要的工作时钟频率在低于1MHz的情况下，这时FPGA内部的专用时钟管理资源则无法满足需求。在某些高精度低频时钟特定要求的应用中，一般的时钟分频电路不能提供高质量和无累积误差的高可靠性时钟。时钟抖动、漂移和时钟延迟的误差积累致使长航时高精度高可靠性要求的实时***中引入的计算误差无法满足***指标要求，本发明提供了一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法，以解决低频采样工作时钟的累积误差造成实时***的计算结果与实际不同步的问题。
发明内容
为了克服上述现有时钟分频电路的不足，本发明提供了一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法，包括：
将GNSS接收机秒脉冲1PPS信号输入到消除抖动和约束预处理电路，产生1PPS防抖信号，防止1秒内出现多个秒脉冲；
对1PPS防抖信号利用第一计数器进行计数，结果为***时钟信号实际频率值，将所述结果输入到定点除法器，通过公式运算得到第二计数器的累加步长；
将***时钟信号通过第二计数器分频产生采样工作时钟，其中，保持第二计数器的位数不变，通过改变所述第二计数器的累加步长delta的大小来改变采样工作时钟信号的频率；
对所述采样工作时钟进行相位补偿，在每个1PPS防抖信号到来时，将采样工作时钟强制拉高，使采样工作时钟与1PPS防抖信号对齐；
对所述采样工作时钟进行时延补偿。
可选地，所述消除抖动和约束预处理电路利用采样工作时钟信号对所述1PPS秒脉冲信号进行连续采样，将每一次的采样结果送入到移位寄存器，如果连续采样结果都是1就认为真实信号就是1，反之则为0。
可选地，所述公式为：
delta＝2n*fc/fs，其中n为计数器的位数，fc为采样工作时钟频率，fs为***时钟信号实际频率值。
可选地，所述定点除法器为64位字长，40位定点，即小数部分有40位，整数部分为24位，小数转换为二进制的方式为乘2取整法。
可选地，所述时延补偿方法包括如下步骤：
记录下1PPS至除法器完成计算，累加次数为n；
定义累加步长差值Δ＝delta(k)-delta(k-1)；
在除法器完成计算后，计算n·Δ，向第二计数器加上n·Δ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是提高了分频时钟电路输出采样工作时钟的时钟精度和改善了输出采样工作时钟的长期积累误差和稳定性，使之与GNSS接收机的秒脉冲输出严格精同步，有效避免输出采样工作时钟的长时间漂移造成的计算误差，本发明所述时钟同步方法适用于对长航时高精度低频采集时钟有严格实时同步要求的***应用。
附图说明
图1为本发明的一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明进一步说明。
1PPS秒脉冲消除抖动和约束预处理电路原理是利用时钟信号对输入的1PPS秒脉冲信号进行连续n次采样，将每一次的采样结果送入到移位寄存器，如果n次采样结果都是1就认为真实信号就是1，反之则为0。GNSS接收机在正常情况下，每1秒输出1次1PPS秒脉冲信号，1PPS信号的精度在±20ns，为防止接收机出现故障时，在1秒内1PPS信号多次出现，使用约束预处理电路模块用于监测1PPS信号。检测的方法是：在某个秒脉冲的下跳沿启动计数，对当前***时钟进行计数，若在计数值未达到(99％****时钟频率)前，出现了新的秒脉冲，则不将此异常秒脉冲送入***，并以此异常秒脉冲的下跳沿开始新的计数，采用此方法防止1秒内出现多个秒脉冲对***采样时钟生成造成影响。
本地采样工作时钟生成和测量电路的实现主要基于加法器电路和定点除法器电路。使用本地***工作时生成和测量电路模块产生采样工作时钟。假设***时钟为100MHz，要产生所需的采样工作时钟，其基本原理是：在***时钟驱动下，第二计数器由初始值零开始计数，每一个时钟周期递增1，在初始阶段累加还不够多，因此计数器的第一位为0，随着不断地累加计数器的第一位终会置1，且由于计数器的位数是有限的，在累加导致计数器溢出后清零，之前的累加过程循环下去，所以计数器的第一位输出的就是一个周期方波，即我们需要的采样工作时钟信号。
本地采样工作时钟生成和测量电路的设计思路是保持计数器的位数不变，通过改变累加步长delta的大小来改变采样工作时钟信号的频率，这样的设计思路更灵活。假设现在我们需要的采样工作时钟频率是4KHz,这个频率是时钟周期的4K/100M＝0.00004倍，即采样工作时钟信号的周期应是时钟周期的25000倍，即要累加25000次才能把整个计数器计满，而程序中计数器的大小为48位，因此每次累加步长delta的大小就是：
48位计数器为div200_counter，在每个***时钟的上升沿，计数器累加delta以实现上述的基于加法器的分频，delta就是定点除法器电路输出的结果(quotient[47：0])。
***时钟的实际频率与其标称频率存在差异，必须要有准确的***时钟频率才能得到准确的4KHz时钟。1PPS信号是基于卫星授时的由接收机产生的脉冲信号，该信号1秒产生1次，因此称为“秒脉冲信号”(one pulse per second，1pps)将其作为时间基准测量本地***时钟频率，即使用第一计数器记录下两次1PPS之间的***时钟个数，以此获得本地时钟测量值。获取本地时钟后，根据计算公式
delta-2n*fc/fs(其中n为计数器的位数，为采样工作时钟频率，为***时钟信号实际频率值)将本地时钟送入到定点除法器中进行计算。
由于***时钟与生成采样工作时钟不一定是整数倍关系，其倍数关系带小数，但是累加的时候是按整数倍累加，定点除法器的位数有限，求出的商存在截断误差。因为这两个误差的存在，因此需要进行相位补偿。为了强制生成采样工作时钟与1PPS对齐，在每个1PPS到来时，将生成采样工作时钟强制拉高，使第二计数器div200_counter的初值为0x8000 0000 0000，则输出时钟为1(高电平)。然而由于上述两个误差的存在，使得经过1秒的累加后，div200_counter小于0x8000 0000 0000，即存在相位差，因此需要在新的1秒周期时消除上1秒累积的相位误差，即在1PPS到来时，计算当前累加计数器值0x8000 00000000相差多少，这个差值就是相位误差，在新的累加周期开始时补偿掉这个相位误差。通过采样工作时钟相位补偿电路，可以保证累积误差不会超过1秒，且只要累积的误差不超过1个累加步长，就不会影响生成工作时钟的生成精度。
在1PPS到来时，使用本次测量的本地时钟重新计算累加步长delta，但由于除法器计算需要时间，因此在1PPS到了至除法器完成计算的这一段时间，实际使用的是上个1秒计算得到的delta；在除法器计算完成后，才使用新的delta进行累加，为了补偿除法器时延带来的影响，采样工作时钟时延补偿电路的解决思路如下：
记录下1PPS至除法器完成计算，累加次数为n；
定义累加步长差值Δ＝delta(k)-delta(k-1)；
在除法器完成计算后，计算n·Δ，向累加寄存器加上n·Δ；
实现上述补偿的具体方法为：
使用寄存器div_cnt，在使能信号div_cnt_en的控制下，对1PPS到来至除法器完成计算期间，第二计数器累加的次数进行计数以得到n。在除法器完成计算后，将此次计算结果与上次计算结果作差以得到Δ，在计算时首先比较大小，保证总是用大的减去小的，避免出现负数的情况。在计算完Δ后，锁存本次计算的delta，以便下次求差使用。使用XilinxIP核构建乘法器，将n与Δ相乘以得到补偿量n·Δ，并补偿到第二计数器中。

Claims (5)

1.一种基于GNSS接收机秒脉冲的时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
将GNSS接收机秒脉冲1PPS信号输入到消除抖动和约束预处理电路，产生1PPS防抖信号，防止1秒内出现多个秒脉冲；
对1PPS防抖信号利用第一计数器进行计数，结果为***时钟信号实际频率值，将所述结果输入到定点除法器，通过公式运算得到第二计数器的累加步长；
将***时钟信号通过第二计数器分频产生采样工作时钟，其中，保持第二计数器的位数不变，通过改变所述第二计数器的累加步长delta的大小来改变采样工作时钟信号的频率；
对所述采样工作时钟进行相位补偿，在每个1PPS防抖信号到来时，将采样工作时钟强制拉高，使采样工作时钟与1PPS防抖信号对齐；
对所述采样工作时钟进行时延补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消除抖动和约束预处理电路利用采样工作时钟信号对所述1PPS秒脉冲信号进行连续采样，将每一次的采样结果送入到移位寄存器，如果连续采样结果都是1就认为真实信号就是1，反之则为0。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述公式为：
delta＝2n·fc/fs，其中n为计数器的位数，fc为采样工作时钟频率，fs为***时钟信号实际频率值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定点除法器为64位字长，40位定点，即小数部分有40位，整数部分为24位，小数转换为二进制的方式为乘2取整法。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述时延补偿方法包括如下步骤：
记录下1PPS至除法器完成计算，累加次数为n；
定义累加步长差值Δ＝delta(k)-delta(k-1)；
在除法器完成计算后，计算n·Δ，向第二计数器加上n·Δ。
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