CN112098720A - 利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置及方法，属于数据通信技术领域，包括***，用于向FPGA发送时间信息；FPGA，用于接入待测时钟和接收主控命令，并根据***发送的时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；主控CPU，用于向FPGA发送测试时长，计算得到时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率；待测时钟模块，用于将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度，并根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。本发明解决了对时钟频率测试精度的问题。

Description

利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置及方法
技术领域
本发明属于数据通信技术领域，尤其涉及一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置及方法。
背景技术
在数据通信领域，时钟是必不可少的一环，目前很多技术都对时钟的精度和老化有着很高的要求，而对时钟精度和漂移的测试也是随之而来技术要求，常用的频率测量方法有两种：频率测量法和周期测量法。频率测量法是在时间t内对被测信号的脉冲数N进行计数，然后求出单位时间内的脉冲数，即为被测信号的频率。周期测量法是先测量出被测信号的周期T，然后根据频率f＝1/T求出被测信号的频率。但是上述两种方法都会产生±1个被测脉冲的误差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置及方法解决了对时钟频率测试精度的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置，包括FPGA以及分别与所述FPGA连接的***、主控CPU以及待测时钟模块；
所述***，用于向FPGA发送时间信息；
所述FPGA，用于接入待测时钟和接收主控命令，并根据***发送的时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；
所述主控CPU，用于向FPGA发送测试时长，并利用测试时间节点和测试的时间长度分别计算得到时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率；
所述待测时钟模块，用于将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度，并根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。
本发明的有益效果是：本发明解决了对时钟频率测试精度的问题，测试精度可以达到ns级；实验测试步骤更加灵活，测试时间节点可由主控自由配置，可以设置为任意时间点，如xx时xx分xx秒，测试时间长度可由主控自由配置，可以设置为任意时间长度；根据卫星授时***，可以接收非常准确的时间信息，这有利于准确掌握测试的时间跨度；FPGA的工作时钟较为准确，这有利于提高时钟频率测试的精度；同时将整个实验架构也可以运用于其他工程中，如守时测量等实验中。
作为优先，还包括分别与FPGA连接的外设以及LED，所述外设与LED均用于显示时钟精度与漂移的测试状态。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过外设与LED能直观地显示实验状态，通过LED指示卫星授时的连接状态，如卫星接收模块是否有效地与卫星连接上，通过LED也可以直观地输出实验数据以及测试的时钟精度与漂移曲线等实验结果。
基于上述装置，本发明还公开了一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，包括以下步骤：
S1、接收卫星发出的时间信息，并将时间信息发送至FPGA，通过FPGA解析出时间信息和1pps守时信息；
S2、接入待测时钟和接收主控CPU的命令，并根据所述时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；
S3、在每一个1pps守时信息的上升沿和待测时钟的上升沿之间对FPGA的工作时钟进行计数，将FPGA的工作时钟频率记为P0，并记录测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'；
S4、在测试开始时间节点和测试结束时间节点之间，对待测时钟的上升沿采样计数，记为DATA；
S5、根据测试时间节点与待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值，计算得到时钟上升沿的理论频率；
S6、根据FPGA的工作时钟的频率P0、待测时钟的上升沿采样个数、测试时间节点、测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'计算得到时钟上升沿的测试频率；
S7、将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度；
S8、采样待测时钟的单位时间节点；
S9、根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。
本发明的有益效果是：本发明解决了对时钟频率测试精度的问题，测试精度可以达到ns级；实验测试步骤更加灵活，测试时间节点可由主控自由配置，可以设置为任意时间点，如xx时xx分xx秒，测试时间长度可由主控自由配置，可以设置为任意时间长度；根据卫星授时***，可以接收非常准确的时间信息，这有利于准确掌握测试的时间跨度；FPGA的工作时钟较为准确，这有利于提高时钟频率测试的精度；同时将整个实验架构也可以运用于其他工程中，如守时测量等实验中。
进一步地，所述步骤S5中时钟上升沿理论频率的表达式如下：
Figure BDA0002604360850000041
其中，P表示时钟上升沿的理论频率，C表示待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值，T表示测试开始时间节点，T'表示测试结束时间节点。
再进一步地，所述步骤S6中时钟上升沿的测试频率的表达式如下：
Figure BDA0002604360850000042
C'＝DATA
其中，P'表示时钟上升沿测试频率，T表示测试开始时间节点，T'表示测试结束时间节点，CNT表示测试开始时间节点的工作时钟计数值，CNT'表示测试结束时间节点的计数值，P0表示FPGA的工作频率。
上述进一步方案的有益效果是：根据对FPGA的工作时钟采样计数，有效地消弱了对待测时钟在实验开始时刻和实验结束时刻的采样误差，而且由于FPGA的工作时钟经过内部锁相校准，时钟非常精确。
再进一步地，所述步骤S9中老化曲线的表达式如下：
S＝P'1,P'2,...,P'n
Figure BDA0002604360850000043
C'n＝DATAn
其中，S表示老化曲线，P'n表示第n次上升沿个数的测试频率，C'n表示第n次待测时钟在测试时长的上升沿个数实验值，P0表示FPGA的工作频率，CNTn表示第n次测试开始时间节点的工作时钟计数值，CNT'n表示第n次测试结束时间节点的计数值。
上述进一步方案的有益效果是：通过以上设计可以得到多个实验数据，再根据时间节点与得到的实验结果，可以得到待测时钟频率与时间的曲线，也就是老化曲线，本发明通过老化曲线能直观有效地反映时钟精度与漂移的测试状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置，包括FPGA以及分别与FPGA连接的***、主控CPU以及待测时钟模块；***，用于向FPGA发送时间信息；FPGA，用于接入待测时钟和接收主控命令，并根据***发送的时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；主控CPU，用于向FPGA发送测试时长，并利用测试时间节点和测试的时间长度分别计算得到时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率；待测时钟模块，用于将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度，并根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。作为优先，包括分别与FPGA连接的外设以及LED，所述外设与LED均用于显示时钟精度与漂移的测试状态。
本实施例中，FPGA在整个***中主要起到实现采样测试以及***管理的作用，为测试提供平台基础。如图1所示，FPGA使用高精度、高频率的时钟源作为FPGA的工作时钟，板卡上受控电源组的上下电控制，板卡上各芯片的复位控制，支持主控cpu的访问，访问***件，访问和采样待测时钟器件等等。外设与LED能直观的显示测试状态。
本实施例中，***通过天线接收卫星信号，卫星信号中携带有时间信息，***对信号进行解析后通过NMEA0183协议，将时间信息发送到FPGA，同时，还会发送1PPS准秒标志信号到FPGA。FPGA会对从***模块接收到的NMEA0183协议解析出年、月、日、时、分、秒等日历时间信息，并将1PPS信号上升沿作为准秒标志。
本实施例中，FPGA正常接收到***发送的时间信息后***开始工作，主控通过总线下发命令到FPGA的内部寄存器，测试开始时间节点可选择为某年某月某日某时某分某秒(国际标准时间)，记作T。通过控制测试结束时间节点来控制测试时长，测试结束时间节点同样可选择为某年某月某日某时某分某秒(国际标准时间)，记作T'。
本实施例中，FPGA在每一个1PPS信号的上升沿和待测时钟的上升沿之间，对FPGA的工作时钟(频率记为P0，单位Hz)进行计数，并记录下测试开始时间节点之后的第一个数值记作CNT，以及测试结束时间节点之前的第一个数值记作CNT'，这两个数据是为了避免在测试时间节点时刻，没有采样到待测时钟的上升沿，或者多采样了待测时钟的上升沿。FPGA在测试开始时间节点和测试结束时间节点之间，对待测时钟(频率记为P，单位Hz)的上升沿采样计数，记作DATA。
本实施例中，待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值记为C，理论频率记为P，单位Hz，T表示测试开始时间节点，T'表示测试结束时间节点，单位为s，则有：
Figure BDA0002604360850000071
待测时钟在测试时长内的上升沿个数实验值记为C’，实验频率记为P’，单位Hz，则有：
Figure BDA0002604360850000072
C'＝DATA
通过比较P与P'，可得出该待测时钟的精度。
本实施例中，将测试时间长度设置为单位时间，多次进行采样测试，可以在每秒、每分钟、每小时为单位时间对采样数据进行一次收集记录，这里以每小时记录作为单位时间为例，对FPGA的工作时钟进行计数，并记录测试开始时间节点之后的第一个数值，以及测试结束时间节点之前的第一个数值，分别记作CNT0,CNT1,...,CNTn和CNT'0,CNT'1,...,CNT'n，FPGA在单位时间，对待测时钟的上升沿采样计数分别记作DATA0,DATA1,...,DATAn。
待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值记为C，理论频率记为P，单位Hz，则有：
1h＝C/P
待测时钟在测试时长内的上升沿个数实验值记为C'，测试频率记为P'，单位Hz，则有：
C'1＝DATA1
Figure BDA0002604360850000073
...
C'n＝DATAn
Figure BDA0002604360850000081
可以得出理论值P和实验值P'1,P'2,...,P'n，根据P'1,P'2,...,P'n值可以得到老化曲线S，即漂移状态。
如图2所示，本发明提供了一种利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，包括以下步骤：
S1、接收卫星发出的时间信息，并将时间信息发送至FPGA，通过FPGA解析出时间信息和1pps守时信息；
S2、接入待测时钟和接收主控CPU的命令，并根据所述时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；
S3、在每一个1pps守时信息的上升沿和待测时钟的上升沿之间对FPGA的工作时钟进行计数，将FPGA的工作时钟频率记为P0，并记录测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'；
S4、在测试开始时间节点和测试结束时间节点之间，对待测时钟的上升沿采样计数，记为DATA；
S5、根据测试时间节点与待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值，计算得到时钟上升沿的理论频率；
S6、根据FPGA的工作时钟的频率P0、待测时钟的上升沿采样个数、测试时间节点、测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'计算得到时钟上升沿的测试频率；
S7、将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度；
S8、采样待测时钟的单位时间节点；
S9、根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。
本发明通过以上设计，解决了对时钟频率测试精度的问题，测试精度可以达到ns级，测试时间节点可由主控自由配置，测试时间长度可由主控自由配置，根据卫星授时***，提高了时钟频率测试的精度，同时将整个实验测试步骤更加灵活化。

Claims (6)

1.利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置，其特征在于，包括FPGA以及分别与所述FPGA连接的***、主控CPU以及待测时钟模块；
所述***，用于向FPGA发送时间信息；
所述FPGA，用于接入待测时钟和接收主控命令，并根据***发送的时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；
所述主控CPU，用于向FPGA发送测试时长，并利用测试时间节点和测试的时间长度分别计算得到时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率；
所述待测时钟模块，用于将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度，并根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。
2.根据权利要求1所述的利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试装置，其特征在于，还包括分别与FPGA连接的外设以及LED，所述外设与LED均用于显示时钟精度与漂移的测试状态。
3.利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、接收卫星发出的时间信息，并将时间信息发送至FPGA，通过FPGA解析出时间信息和1pps守时信息；
S2、接入待测时钟和接收主控CPU的命令，并根据所述时间信息解析测试时间节点和测试的时间长度；
S3、在每一个1pps守时信息的上升沿和待测时钟的上升沿之间对FPGA的工作时钟进行计数，将FPGA的工作时钟频率记为P0，并记录测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'；
S4、在测试开始时间节点和测试结束时间节点之间，对待测时钟的上升沿采样计数，记为DATA；
S5、根据测试时间节点与待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值，计算得到时钟上升沿的理论频率；
S6、根据FPGA的工作时钟的频率P0、待测时钟的上升沿采样个数、测试时间节点、测试开始时间节点的工作时钟计数值CNT以及测试结束时间节点的工作时钟计数值CNT'计算得到时钟上升沿的测试频率；
S7、将时钟上升沿的理论频率和时钟上升沿的测试频率进行比较得到待测时钟的精度；
S8、采样待测时钟的单位时间节点；
S9、根据采样的待测时钟单位时间节点以及若干次待测时钟的精度计算得到老化曲线，并根据老化曲线得到时钟精度与漂移的测试状态。
4.根据权利要求3所述的利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中时钟上升沿理论频率的表达式如下：
Figure FDA0002604360840000021
其中，P表示时钟上升沿的理论频率，C表示待测时钟在测试时长内的上升沿个数理论值，T表示测试开始时间节点，T'表示测试结束时间节点。
5.根据权利要求2所述的利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，其特征在于，所述步骤S6中时钟上升沿的测试频率的表达式如下：
Figure FDA0002604360840000022
C'＝DATA
其中，P'表示时钟上升沿测试频率，T表示测试开始时间节点，T'表示测试结束时间节点，CNT表示测试开始时间节点的工作时钟计数值，CNT'表示测试结束时间节点的计数值，P0表示FPGA的工作频率，C'表示待测时钟的上升沿采样个数。
6.根据权利要求2所述的利用卫星守时实现时钟精度与漂移的测试方法，其特征在于，所述步骤S9中老化曲线的表达式如下：
S＝P′1,P′2,...,P′n
Figure FDA0002604360840000031
C′n＝DATAn
其中，S表示老化曲线，P′n表示第n次上升沿个数的测试频率，C′n表示第n次待测时钟在测试时长的上升沿个数实验值，P0表示FPGA的工作频率，CNTn表示第n次测试开始时间节点的工作时钟计数值，CNT′n表示第n次测试结束时间节点的计数值，DATAn表示第n次待测时钟在测试时长的上升沿个数实验值。
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