一种分布式时钟同步系统设计

赵永发，周　磊

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225000)



一种分布式时钟同步系统设计

赵永发，周磊

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225000)

分布式时钟同步系统是分布式系统协同工作的基础，在时间同步技术基础上，设计了一种分布式时钟同步系统。该系统以IRIG-B(InterRange Instrumentation Group)时间基准信号为时间同步源，不仅可以为机器提供高精度时钟信号，在一段时间内保持高精度，而且可以以较小的体积嵌入到产品中，提高便捷性。实验结果表明，该系统可以为机器在不同温度条件下提供高精度时钟信号，而且具有较高的时钟稳定度。

分布式时间同步；时间守时；时钟稳定度；恒温晶体

0　引言

随着信息技术的不断发展，对信息采集的速度和精度要求越来越高，机器之间的时钟同步要求也越来越高。因此，分布式时钟同步系统应运而生，该系统可以协调分布式网络中的节点时间，为网络中的节点提供准确时钟。但是由于分布式网络环境的复杂性，时钟本身温漂、网络延时和成本因素等影响，系统有时不能为机器长时间提供高精度的时钟。因此，设计高精度、稳定、低成本的同步系统是必要的。

目前，时钟同步主要有2类方法，一类方法是通过Network Time Protocol(NTP)服务器来提供时间信息，如文献[1-7]中都采用了网络时间来同步机器的时间，再通过补偿算法来矫正网络时间，以此来减少网络延时误差。但是，此方法得到的时间因为线路长短，电脑时间分辨率和环境等原因，误差有随机性，同步精度只能达到几十ms左右，对于实时性同步性很高的信息采集机器来说精度是不够的。而且机器必须接入网络才可以得到时间，这也大大限制了机器使用的范围。另一类方法是通过解析GPS(Global Positioning System)的时间信息，来实时同步机器时间，GPS可以提供精度很高的时间信息，可以达到ns级别。通过解析GPS的时钟同步系统精度也可以达到μs级别，如文献[8-12]都是先通过同步GPS的时间信息来产生对应的时间码，再使用时间码来同步机器时钟。这样可以得到高精度的时间信息，但是随着机器数量的增加，使用此方法每一台机器必须配备一台GPS时间同步机器产生时间码，成本大大增加。由于机器使用的流动性，GPS时间同步机器需要一起移动，但是必须是可以接收到GPS信号的地方，这样又限制了机器的使用，机器的便捷性减弱。

为解决以上问题，本文从第2类方法思路出发，通过同步GPS源的基准时间信号，得到高精度的时间信号。为提高便捷性和降低成本，提出了一种同步GPS源的IRIG-B码的方法。在此方法的基础上使用FPGA器件，51单片机和恒温晶体完成了多机器时间同步系统的硬件实现。该系统可以以很小的体积和较低的成本嵌入到产品中，为机器提供同步时钟源，从而达到在便捷性的基础上提高精度且降低成本的目的。

1　系统设计原理

系统接收IRIG-B时钟信号来同步时间。时钟同步系统同步之后需要进入守时状态，守时状态影响时钟精度的因素主要是本地时钟的精度，首先本地时钟精度需要满足要求。

1.1时钟误差分析

时钟同步系统要在系统同步完成后保持精度，首先系统内部时钟源精度需要满足要求。同步GPS时间同步系统的IRIG-B码为几十ns的误差，误差可以忽略。同步时钟按照1 kHz输出、连续工作8h、误差不大于0.5个时钟周期计算，时钟输出精度为：

(1)

式(1)的时间误差为一个时钟周期的误差要小于3.47*10-8s，机器信息采集一般误差要小于0.5个时钟周期，那么误差为：

(2)

现采用JKOC36-25.6M型号的恒温晶体，标称频率为 25.6MHz，工作温度为-40℃～70℃，在此范围内，它的短期频率稳定度优于 5E-12(阿伦方差)，频率温度稳定度<±5ppb(不带隐含参考温度，ppb为10-9)，日老化<±0.5ppb，年老化<±0.05ppm。工作电压为 5V，输出方波，高电平为 2.85V，低电平为 0.25V，占空比为 45%～55%。短期稳定度可以满足要求，现主要考虑频率温度稳定度：

u温度=5*10-9s，

(3)

u温度

(4)

由式(2)、式(3)和式(4)可得采用JKOC36-25.6M型号的恒温晶体可以满足时钟按照1 kHz输出、连续工作8 h、误差不大于0.5个时钟周期的要求(计算温度对恒温晶体的影响造成的累计误差，按照最大误差计算)。

1.2时钟同步方案

时钟同步方案结构图如图1所示，主要由协议解析模块，实时时间计数器模块，高精度时钟生成模块和内部时钟源模块组成。FPGA器件接收CT-TSS2000B时间同步系统输出的IRIG-B，解析IRIG-B得到标准秒脉冲PPS和时间信息。将PPS和时间信息分别送到高精度时钟生成模块和实时时间模块。JKOC36-25.6M 恒温晶体为FPGA器件提供外部时钟，再通过锁相环电路倍频到100MHz的频率为高精度时钟生成模块提供基准时钟。在同步时，高精度时钟生成模块通过PPS秒脉冲来同步本身的时钟，并调整输出时钟的参数，实时时间模块直接接收解析的时间信息。在守时时，高精度时钟生成模块根据同步时时钟调整后的参数输出时钟，实时时间模块通过接收高精度时钟生成模块输出的PPS秒脉冲来更新时间。在同步半小时后，可以断开时钟源，进入守时状态。系统除了可以生成kHz的时钟,还可以通过锁相环动态生成MHz的时钟，输出时钟频率可以通过STC12C5A60S2单片机来控制。

图1　时钟同步方案结构

1.3高精度时钟生成和守时模块设计

高精度时钟生成模块的主要作用是，实现高精度时钟的生成方案以及守时方案，它由同步整形电路、相位比较电路、启动电路、分频电路和分频系数控制电路组成。该模块的结构如图2所示。

PPS秒脉冲接入高精度时钟生成模块模块之后，先经过同步整形电路，输出一个系统时钟(100MHz)周期宽度的秒脉冲PPS_Pulse。启动电路接收到PPS_Pulse信号之后，在信号的的上升沿发送启动信号给分频电路。分频电路在启动信号的上升沿启动，以初始分频系数108-1生成PPS_C秒脉冲信号，并将PPS_C秒脉冲信号送给相位比较电路。相位比较电路接收PPS_Pulse信号和PPS_C信号，并以系统时钟为单位计数2个秒脉冲的相位差，并将相位差传递给启动模块。启动模块接收到相位差之后，在PPS_Pulse的上升沿判断相位差是否小于20，如果连续20次相位差小于20个系统时钟周期，表明恒温晶体已经稳定，则发送启动信号给分频系数控制电路。分频系数控制电路接收相位差信号，调整分频系数并传递给分频电路。分频电路使用新的分频系数生成PPS_C信号，并传递给相位比较电路。相位比较电路再将相位差传递给启动电路模块和分频系数电路模块。如此循环，不断调整分频系数，同步0.5 h后，分频系数基本收敛稳定，可以断开时钟源。此时，可得到高精度的秒脉冲信号，再用秒脉冲信号复位系统所需要的时钟信号，以此来消除时钟信号的累计误差，达到较长时间保持时钟精度的目的。

在此过程中，启动电路一共有3个状态来控制其他电路的启动。启动信号模块在PPS_Pulse脉冲的上升沿发送启动信号给分频电路，分频电路启动之后，启动电路获取相位差，若相位差连续20次小于20，发送启动信号给分频系数控制电路。启动电路的策略如图3所示。

图3　启动电路状态转换

相位比较电路共有3个状态，来计数2个秒脉冲的相位差，为启动电路和分频控制电路提供依据。在PPS_Pulse的上升沿开始计数，在PPS_C的下降沿停止计数。停止计数之后判断计数值是否过大，如果数值大于256就重新计数，小于256便输出计数值。相位比较电路的状态转换图如图4所示。

分频系数控制电路共有4个状态，如图5所示。通过相位差来调整分频系数。分频控制电路接收到启动信号，开始启动，接收相位比较电路的相位差，再经过处理得到调整之后的分频系数。调整策略主要从时钟突变和随机误差考虑，分别采用加权和平均的方法来处理随机误差和突变的影响。

图4　　　　相位比较电路状态　　图5　　　　分频系数控制电路状态　　　转换　　　转换

2　硬件实现

系统硬件装置采用成都可为科技有限公司的CT-TSS2000B时间同步系统输出的IRIG-B(InterRange Instrumentation Group)码作为同步时钟源，FPGA芯片EP4CE15F17C8核心板用来实现同步方案，完成时钟同步系统的主要工作。STC12C5A60S2单片机最小系统系统作为控制器，控制FPGA时钟输出的频率。JKOC36-25.6M 恒温晶体作为EP4CE15F17C8芯片的外部时钟源。电脑上位机软件可以通过串口与单片机最小系统通信，来控制时钟的输出。系统硬件框图如图6所示。

图6　系统硬件框图

系统开始运行，CT-TSS2000B时间同步系统首先接收GPS信号完成时间同步，完成同步之后输出IRIG-B时间基准信号。FPGA核心板接收IRIG-B信号，解析出时间信号和PPS秒脉冲，经过0.5 h时间完成同步。通过上述高精度时钟生成方法，输出PPS标准秒脉冲和高精度时钟。使用人员可以通过PC机应用软件与单片机控制器通信，实现时间信息查询和输出时钟频率的控制。

3　实验结果

3.1实验环境

在实验中，为了证明本系统达到要求，在不同温度下可以保持精度。本文使用高低温交变试验箱作为外部温度变化的模拟，高低温交变试验箱是用于测试和确定电工、电子及其他产品及材料进行高温、低温、或恒定试验的温度环境变化后的参数及性能。系统硬件装置采用CT-TSS2000B时间同步系统输出的IRIG-B(InterRange Instrumentation Group)码作为同步时钟源，采用Alter公司Cyclone IV系列EP4CE15F17C8芯片的核心板实现同步方案，STC12C5A60S2单片机系统作为控制器和JKOC36-25.6M恒温晶体作为EP4CE15F17C8芯片的外部时钟源。

3.2实验结果

3.2.1温度试验

为了测试在不同温度下，系统的时钟精度是否达到要求。本次温度实验分别设定高低温交变试验箱的温度在-10℃，-5℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，45℃和50℃，在室温下(25℃)同步完成之后，来测试温度对系统时钟精度的影响，每个温度实验时间为1 h。得到温度与时钟误差关系图如图7所示，实验表明在0℃～30℃误差最小，通常1 h<20μs。随着温度的降低和升高，误差略有增大，通常小于40μs。1 h的试验通常误差已经稳定，可以预见为机器提供8 h的时钟可以满足要求。在-10℃～50℃之内满足要求，已达到高精度，低成本的要求。

图7　温度与时钟误差关系

3.2.2时钟稳定度试验

在本实验过程中，记录了常温下PPS_C秒脉冲在同步时的分频数。同步时的分频数表示时钟的稳定度，随着时间的推移，分频数的变化趋势如图8所示。

图8　时间与分频数偏移量关系

图8表明，在常温下，时钟的分频数在一定范围内波动，分频数在108-4～108+2之间波动，均值在108-1左右，波动范围在±3之内，具有较高的时钟稳定度。

4　结束语

本文从设备的便捷性和成本角度出发，提出了一种同步GPS时间同步系统的IRIG-B码的方法。在此方法的基础上使用FPGA器件，51单片机和恒温晶体完成了多机器信息采集时间同步系统的硬件实现。该方法通过同步基准时间信号源，并在断开信号源之后，可以在一定时间内保证时钟的精度。通过该方法达到了在误差不大于0.5个时钟周期的精度要求下，1 k的时钟输出，可以连续工作8 h。该系统可以以很小的体积和较低的成本嵌入到产品中，为其他采集系统提供同步信号源。在进一步的研究中将进一步提高精度和系统的稳定性。

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赵永发男，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：嵌入式系统。

周磊男，(1980—)，博士，讲师。主要研究方向：电子系统集成和专用集成电路设计。

Design on a Distributed Clock Synchronization System

ZHAO Yong-fa，ZHOU Lei

(CollegeofInformationEngineering，YangzhouUniversity，YangzhongJiangsu225000，China)

The distributed clock synchronization system is the foundation of coordinated operation of distributed system.Based on the time synchronization technology，this paper designs a distributed clock synchronization system.Byusing IRIG-B(InterRange instrumentation group) time

ignal as time synchronization source，this system can not only provide high-precision clock signal for the machine and maintain high precision within a period of time，but also improve the convenience with smaller volume embedding to the product.The experimental results show that the system can provide high-precision clock signals in different temperature conditions，and it has higher stability.

distributed time synchronization；time keeping；clock stability；constant temperature crystal

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.02

2016-06-23

国家自然科学基金资助项目(61376025，61301111)；江苏省高校自然科学基金资助项目(13KJB510039)；江苏省普通高校研究生科研实践计划项目(SJZZ_0182)。

TN919

A

1003-3106(2016)10-0008-04

引用格式：赵永发，周磊.一种分布式时钟同步系统设计[J].无线电工程,2016,46(10):8-11.