CN110908272A - 一种1pps脉冲信号校时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种1pps脉冲信号校时方法，属于无线通信网络技术领域。本发明主要在STM32F407平台上，实现NMEA‑0183+1pps的高精度定时功能。在同步***中主要运用1pps脉冲(1 PULSE PER SECOND每秒一个脉冲输出)，该脉冲是标准的TTL逻辑输出形式，当导航输出有效时，该脉冲的上升沿与时间相对应。此处1pps脉冲的作用是将其上升沿作为UTC时间的对时信号，再通过对NMEA‑0183协议的解析来实现时间同步。
Description
技术领域
本发明涉及一种1pps脉冲信号校时方法，属于无线通信网络技术领域。
背景技术
时钟通常是为低成本而设计的，而保持精确的时间却成了次要的,即使是相当精确的计算机时钟也可能因为制造缺陷、温度变化、电磁干扰、石英晶体的年龄甚至***负载的变化而变化。此外，即使误差再小的时间***，误差也可能在经过很长一段时间而显著增加。
二十世纪初期，美国首次实施短波无线电广播，在不断的试验下，最终解决了大部分地区的时间同步问题，精度也不断突破高度，现在已经达到了毫秒级。在之后的几十年内，时间同步的主要手段一直是短波无线电广播未曾改变。在时间同步技术发展变化地几十年内，时钟的特性发生了多达几个数量级的进化。显而易见，短波正时不能满足时钟发展的要求。二十世纪中叶，随着时间同步技术地不断改进，一种名为-c长波导航***逐渐走上历史舞台。运用这种长波作为时间同步技术所能达到的精度已经进入了微秒级，但是由于***的精度以及其所能够覆盖到的范围是十分有限地，这对于进一步发展生产和研究的需要是远远不够的。二十世纪八十年代，美国率先建立了全球定位***，随后前苏联建立了格洛纳斯全球导航卫星***。上个世纪末期卫星双向比较结果正式进入国际原子时(TAI)计算这为了提高时间同步的精度而去解决路径延迟问题。
二十世纪八十年代，美国率先建立了全球定位***，随后前苏联建立了格洛纳斯全球导航卫星***。上个世纪末期卫星双向比较结果正式进入国际原子时(TAI)计算，这为提高时间同步的精度，解决路径延迟问题引出新思路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种1pps脉冲信号校时方法，以用于解决STM32内部时钟存在走时误差等现象，增加内部时钟的高效准确性。
本发明的技术方案是：一种1pps脉冲信号校时方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、首先判断GPS数据接收是否有效：通过NMEA-0183协议中的有关GPS数据定位成功与否的特殊语句来判断；
Step2、判断1pps脉冲是否存在：通过示波器显示观察1pps脉冲是否输入并且有效，如是则说明1pps脉冲存在，若否则说明1pps脉冲不存在；
Step3、进行RTC时间的毫秒级同步：当1pps脉冲上升沿到来时，认为此时它就是UTC时间，在一个1pps脉冲上升沿时刻开始计时，在此时运用1pps脉冲上升沿对***时钟时间进行毫秒级清零，从而实现***时钟的毫秒级的同步；
Step4、进行RTC时间的毫秒级守时：具体的守时方法主要分为两种情况，详细叙述如下：
(1)当1pps脉冲信号从未同步过STM32的情况下，如果计数器的计数值大于等于1000时，便给计数器清零，从而实现时间的守时；
(2)当GPS同步过STM32，但此时信号丢失，没有1pps的脉冲信号，在计数器此时的值大于等于之前给计数器同步过的值的情况下，计数器清零；
Step5、判断GPS数据接收完成：GPS数据通过串口进行接收，在进行串口数据接收的过程中，数据以字节的形式进行逐个的接收，每收到一个字节，全局时间都会对上次数据接收时间进行一次赋值，即在这种不断赋值的过程中认为全局时间与数据接收时间是同步的，而当串口无数据接收，或者数据接收停止时，由于全局时间一直在进行累加，在某一时刻时，全局时间必定会大于上一次数据接收时间的值时，如果当全局时间大于了上次数据接收时间，这就说明数据在这一时刻不再接收，那么此时认为这一段的数据接收已经结束；
Step6、进行RTC时间的秒级同步：GPS数据接收时会存在空隙时间，于是利用时间空隙进行校时，通过实验，根据示波器显示的数据接收的时序图，在示波器上直观看出时间空隙为220ms至230ms之间，则在此时，如果全局时间减去上次数据接受时间小于225ms，并且当前时刻存在1pps脉冲信号，那么就对***时间取整，以此实现校时，如果全局时间减去上次数据接受时间大于等于225ms，等待下一次数据接收空隙。
所述Step1的具体步骤为：利用字符串搜索函数，搜索协议$GPGSA,A,下一指定位置所对应的字符，查看定位情况，用以判断定位效果，如果相应字符小于3，认为定位精度不足或没有定位成功，即GPS数据接收无效，如果相应字符大于等于3，认为定位成功，即GPS数据接收有效。
本发明的有益效果是：本发明运用1pps脉冲的上升沿作为UTC时间的对时信号，再通过对NMEA-0183协议的解析来实现时间同步。本发明与现有技术相比，主要解决了STM32内部时钟出现走时误差的现象，增加内部时钟的时间准确性，做到了时间的毫秒级同步，消除了走时误差。
附图说明
图1是本发明总流程图；
图2是GPS秒脉冲同步计时原理时序图；
图3是秒级同步守时时序图1；
图4是秒级同步守时时序图2；
图5是同步与守时整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。
实施例1：如附图1-5所示，一种1pps脉冲信号校时方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、首先判断GPS数据接收是否有效：通过NMEA-0183协议中的有关GPS数据定位成功与否的特殊语句来判断；
Step2、判断1pps脉冲是否存在：通过示波器显示观察1pps脉冲是否输入并且有效，如是则说明1pps脉冲存在，若否则说明1pps脉冲不存在；
Step3、进行RTC时间的毫秒级同步：当1pps脉冲上升沿到来时，认为此时它就是UTC时间，在一个1pps脉冲上升沿时刻开始计时，在此时运用1pps脉冲上升沿对***时钟时间进行毫秒级清零，从而实现***时钟的毫秒级的同步；
Step4、进行RTC时间的毫秒级守时：具体的守时方法主要分为两种情况，详细叙述如下：
(1)当1pps脉冲信号从未同步过STM32的情况下，如果计数器的计数值大于等于1000时，便给计数器清零，从而实现时间的守时；
(2)当GPS同步过STM32，但此时信号丢失，没有1pps的脉冲信号，在计数器此时的值大于等于之前给计数器同步过的值的情况下，计数器清零；
Step5、判断GPS数据接收完成：GPS数据通过串口进行接收，在进行串口数据接收的过程中，数据以字节的形式进行逐个的接收，每收到一个字节，全局时间都会对上次数据接收时间进行一次赋值，即在这种不断赋值的过程中认为全局时间与数据接收时间是同步的，而当串口无数据接收，或者数据接收停止时，由于全局时间一直在进行累加，在某一时刻时，全局时间必定会大于上一次数据接收时间的值时，如果当全局时间大于了上次数据接收时间，这就说明数据在这一时刻不再接收，那么此时认为这一段的数据接收已经结束；
Step6、进行RTC时间的秒级同步：GPS数据接收时会存在空隙时间，于是利用时间空隙进行校时，通过实验，根据示波器显示的数据接收的时序图，在示波器上直观看出时间空隙为220ms至230ms之间，则在此时，如果全局时间减去上次数据接受时间小于225ms，并且当前时刻存在1pps脉冲信号，那么就对***时间取整，以此实现校时，如果全局时间减去上次数据接受时间大于等于225ms，等待下一次数据接收空隙。
进一步地，所述Step1的具体步骤为：利用字符串搜索函数，搜索协议$GPGSA,A,下一指定位置所对应的字符，查看定位情况，用以判断定位效果，如果相应字符小于3，认为定位精度不足或没有定位成功，即GPS数据接收无效，如果相应字符大于等于3，认为定位成功，即GPS数据接收有效。
进一步地，所述步骤Step4中进行毫秒级守时是由于：
GPS同步定时功能在实际应用中会受到许多外界不可避免的因素的影响而产生时间上的误差，这些导致时间误差的外界因素有很多，例如GPS卫星信号方位有所变化、GPS信号接收天线受到干扰、GPS接收***因常年工作发生老化或者故障等等的问题都会导致卫星解锁，而这也将导致GPS接收机无法接收信号，在短时间内失去了时间的同步。因此，在这种情况下，有必要去建立一个基于GPS接收机的稳定性高并且精度也高的GPS时间服务***
进一步地，所述步骤Step6中在GPS数据接收空隙校时是由于：
所述RTC时间为STM32内部时钟时间，UTC时间为GPS数据中所携带的标准时间。在同步RTC秒级时间时，具体在GPS数据传输间隙进行校时是由于在进行数据处理的过程中，校时这个动作并不是瞬间就能实现的，也需要一个过程，即使这个过程时间通过人眼的判别几乎察觉不到，但是这个时间却是实实在在存在的，总而概之，就是同步这个过程也需要一定的时间，而在GPS数据接收工程中，***的工作主要在于进行GPS数据的接收，留给校时的时间区域想多来说比较少，如果要进行校时工作，那么就只能在GPS数据接收空隙中才能开始校时工作，这样一来就保证在下一个1pps脉冲上升沿时刻完成整个的校时工作，保证了校准时间的准确性。
具体图3，图4的时序图操作解释如下：
1.在T1时刻进行的步骤为：
T1时刻记录Globaltimer定时器在此刻的时间值，清除GPS数据接收串口，防止混叠。清除毫秒级计数器。之后等待数据接收结束。
2.若在m1时刻时本段GPS数据的接收正好结束，而在该情况下GPS数据接收空隙包涵下一个pps脉冲的上升沿即T2时刻。利用该上升沿对8563时钟时间进行秒级同步。之前，首先要测量GPS数据解析的时间与同步校时所需要的时间。假设数据解析时间为k，校时所需时间为s，具体时间长短需要测量。在T3之前s秒开始校时工作，在T3时刻完成校时工作。
3.情况一：在GPS数据解析后恰遇到1pps脉冲上升沿时。如时序图3所示。
在T3之前s秒开始校时工作。具体方法如下所述：
在GPS数据的接收结束后，此时再次读取Globatimer定时器时间与之前提取的Globatimer时间进行对比，看它二者时间差是否在1秒以内。并且看在空隙中，解析完数据所剩的时间是否足够进行8563时钟的校时工作。
i.若所剩余时间足够那么在之后的脉冲上升沿之前s秒进行校时工作。
ii.若所剩余时间不够，那么将错过此次脉冲的上升沿，在下一次脉冲上升沿时刻进行校时工作
iii.若两次全局时间差在1秒内则直接将GPS时间加一赋值给8563时钟时间。
iv.若两次全局时间差大于1秒，那么将时间差向下取整后加GPS时间再加一赋值给8563时钟时间。
情况二：若GPS数据的解析过程中错过了1pps脉冲。如时序图4所示，则：在数据解析结束后再次提取Globatimer定时器时间与之前提取的Globatimer时间作差取整，所得数就是错过的pps脉冲数。在脉冲上升沿T3之间s秒开始校时工作，过程是将GPS时间加上错过的pps脉冲数再加1后在下次脉冲上升沿处对8563时钟时间进行赋值。从而完成全部的校时工作
4.在进行过一次数据同步后，需要进行验证来确定8563时钟的秒级同步工作是否成功，那么需要在下一次GPS数据接收空隙进行时间对比。如图4时序图所示，在m3时刻便是下次数据接收结束的开始，即下次数据接收空隙的开始。在m3时刻再次读取8563时钟时间与GPS时钟时间，之后进行秒级对比。若对比结果相同，在T4时刻标记结束，如果对比结果不相同，那么重复以上同步校时工作。
本发明主要在STM32F407平台上，实现NMEA-0183+1pps的高精度定时功能。在同步***中主要运用1pps脉冲(1PULSE PER SECOND每秒一个脉冲输出)，该脉冲是标准的TTL逻辑输出形式，当导航输出有效时，该脉冲的上升沿与时间相对应。此处1pps脉冲的作用是将其上升沿作为UTC时间的对时信号，再通过对NMEA-0183协议的解析来实现时间同步。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种1pps脉冲信号校时方法，其特征在于：包括如下步骤：
Step1、首先判断GPS数据接收是否有效：通过NMEA-0183协议中的有关GPS数据定位成功与否的特殊语句来判断；
Step2、判断1pps脉冲是否存在：通过示波器显示观察1pps脉冲是否输入并且有效，如是则说明1pps脉冲存在，若否则说明1pps脉冲不存在；
Step3、进行RTC时间的毫秒级同步：当1pps脉冲上升沿到来时，认为此时它就是UTC时间，在一个1pps脉冲上升沿时刻开始计时，在此时运用1pps脉冲上升沿对***时钟时间进行毫秒级清零，从而实现***时钟的毫秒级的同步；
Step4、进行RTC时间的毫秒级守时：具体的守时方法主要分为两种情况，详细叙述如下：
(1)当1pps脉冲信号从未同步过STM32的情况下，如果计数器的计数值大于等于1000时，便给计数器清零，从而实现时间的守时；
(2)当GPS同步过STM32，但此时信号丢失，没有1pps的脉冲信号，在计数器此时的值大于等于之前给计数器同步过的值的情况下，计数器清零；
Step5、判断GPS数据接收完成：GPS数据通过串口进行接收，在进行串口数据接收的过程中，数据以字节的形式进行逐个的接收，每收到一个字节，全局时间都会对上次数据接收时间进行一次赋值，即在这种不断赋值的过程中认为全局时间与数据接收时间是同步的，而当串口无数据接收，或者数据接收停止时，由于全局时间一直在进行累加，在某一时刻时，全局时间必定会大于上一次数据接收时间的值时，如果当全局时间大于了上次数据接收时间，这就说明数据在这一时刻不再接收，那么此时认为这一段的数据接收已经结束；
Step6、进行RTC时间的秒级同步：GPS数据接收时会存在空隙时间，于是利用时间空隙进行校时，通过实验，根据示波器显示的数据接收的时序图，在示波器上直观看出时间空隙为220ms至230ms之间，则在此时，如果全局时间减去上次数据接受时间小于225ms，并且当前时刻存在1pps脉冲信号，那么就对***时间取整，以此实现校时，如果全局时间减去上次数据接受时间大于等于225ms，等待下一次数据接收空隙。
2.根据权利要求1所述的一种1pps脉冲信号校时方法，其特征在于：所述Step1的具体步骤为：利用字符串搜索函数，搜索协议$GPGSA,A,下一指定位置所对应的字符，查看定位情况，用以判断定位效果，如果相应字符小于3，认为定位精度不足或没有定位成功，即GPS数据接收无效，如果相应字符大于等于3，认为定位成功，即GPS数据接收有效。
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