时钟同步系统同步方式和补偿原理

2019-04-26郑全顺

电子技术与软件工程 2019年6期

文/郑全顺

时钟同步系统已经广泛应用于机场、铁路、轨道交通、核电站、医院、学校、体育场馆等领域，系统采用母钟、NTP 时间服务器、子钟等架构，使用串行接口、以太网等通讯接口，在时钟信号逐级传递的过程中，可通过PPS 推后补偿、高精度串行时间同步、智能输出判断、时间闭环反馈等技术，解决时钟系统同步的精确性与稳定性难题。

1 母钟的同步方式和补偿原理

时钟同步系统一般采用本地卫星时间源，利用GPS/北斗卫星的时间同步信息来校准本地区域性时钟系统。

利用卫星的秒脉冲（PPS）信号把母钟的豪秒单元中的时间数据进行清零，达到母钟与卫星信号输出时间同步，其具体同步过程为：卫星的PPS 信号上升沿触发母钟的微控制单元（MCU）中的时间计时中断程序，使MCU进入该中断程序，此程序记录整个中断过程的时间⊿t，然后把母钟豪秒单元中的时间数据进行清零处理。母钟在下一轮次输出标准时间信号时，在卫星标准时间信号的基础上加上中断延时时间⊿t，以补偿中断延时，确保母钟与卫星标准时间信号输出的标准时间保持一致，达到母钟与卫星标准时间信号同步的目的。

2 网络时间的同步方式和补偿原理

利用母钟的PPS 信号把NTP 时间服务器（NTP）的豪秒单元中的时间数据进行清零，达到母钟与NTP 输出时间同步，其具体同步过程为：母钟的PPS 信号上升沿触发NTP 的MCU 中的时间计时中断程序，使MCU 进入该中断程序，此程序记录整个中断过程的时间⊿t，然后把NTP 豪秒单元中的时间数据进行清零处理。NTP 在下一轮次输出标准时间信号时，在母钟给定的标准时间的基础上加上中断延时时间⊿t，以补偿中断延时，确保NTP与母钟标准时间输出的标准时间保持一致，达到NTP 与母钟时间同步的目的。网络时间传输模型如图1所示。

NTP 与母钟时间同步以后，经过MCU 把标准时间信号转换成符合NTP 协议的网络时间信号，用于局域网内各系统及网络子钟的校时，在客户方发送时间查询请求时，发送时间信号时仍需考虑网络延时的问题，并在授时时对网络延迟进行相应的补偿。

客户方与服务器方网络延时与时钟偏差的测量及补偿原理说明如下：

T1：A 发送查询请求时间(参照为A 时间系统)

T2：B 收到查询请求时间(参照为B 时间系统)

T3：B 回复时间信息包时间(参照为B 时间系统)

T4：A 收到时间信息包时间(参照为A 时间系统)

δ1：A 请求信息在网络传播上所消耗的时间

δ2：B 回复信息在网络传播上所消耗的时间

（1）已知T1、T2、T3、T4时刻，希望求得θ 以调整A 时钟有：

（2）网络环境相同情况下，请求和回复信息在网络传播上的时间相同，即δ1=δ2，则可解得：据此，θ、δ 只与T2-T1、T4-T3差值相关，与T2T3差值无关，即与服务器处理请求所需的时间无关。可通过计算出时差θ 去调整本地时钟。

3 毫秒级串行信号的同步方式和补偿原理

母钟通过标准串行RS422/485 接口，从每秒的零毫秒时刻开始以9600 波特率连续发送21 个含有年、月、日、星期、时、分、秒、毫秒的时间字符，并且包含起始位、结束位、校验位、卫星校时等字符信息。标准时间的接收设备可在接收到结束符后可直接用接收到的时间信息来替换自身设备的豪秒计时；然后再依次校准分、时、日、月、年、星期等计时单元。如图2所示。

说明：

横轴T 代表时间，单位t 为发送或接收1个字节的时间，在波特率为9600 位/秒的情况下（每个字节占用8 位），1t 约等于1ms；

纵轴A 代表事件，A1 代表发送方发送的数据，A0 代表接收方接收的数据；

1、2…20 、21 分别代表发送和接收的第1、2…20 和第21 个字节数据。

图1：网络时间传输模型

图2：时间信号的时隙图

串行数据传输，发送和接收时序均由硬件自动实现，移位传输时发送和接收同时进行，因此，在实际传输中，发送方发送一个字节数据的同时接收方也完成了接收一个字节数据，即发送方完成21 个毫秒级标准时间的同时，接收方亦完成接受21 个毫秒级标准时间；既发送方发送标准时间所花费的时间21t 也就是接受方接受标准时间所需要的时间21t。