時(shí)間控制系統(tǒng)及算法范文

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摘要：很多應(yīng)用領(lǐng)域都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行精確控制，以達(dá)到多套處于不同位置系統(tǒng)同步工作為目的，這些系統(tǒng)可能相距幾十公里甚至更遠(yuǎn)，卻要求在小于1微秒誤差的時(shí)間內(nèi)同時(shí)工作。本文論述以GPS時(shí)間為基礎(chǔ)的多系統(tǒng)同步控制系統(tǒng)，其時(shí)間精度取決于GPS，一般誤差可控制在400ns以?xún)?nèi)，高精度的GPS時(shí)間同步精度可小于100ns，與GPS的時(shí)間同步主要依靠GPS輸出的秒脈沖信號(hào)1PPS（PulsesPerSecond），1PPS每秒輸出一個(gè)脈沖，其上升沿與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）時(shí)間同步。論述UTC時(shí)間和本地時(shí)間概念，以及它們之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)C++時(shí)間函數(shù)庫(kù)進(jìn)行了分析，給出了一個(gè)高效的UTC時(shí)間和本地時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換算法。并分析了接收GPS信號(hào)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以及解決辦法。完成了軟件設(shè)計(jì)和硬件電路的設(shè)計(jì)和制作，并通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的誤差分析、抗干擾性能、控制速度、控制精度和上、下位機(jī)之間的交互進(jìn)行了綜合和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：GPS；UTC和本地時(shí)間；C++時(shí)間函數(shù)庫(kù)；時(shí)間同步；校時(shí)

1緒論

1.1系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于需要在同一時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，要求對(duì)時(shí)間進(jìn)行精確控制，并且全自動(dòng)無(wú)人值守，這些系統(tǒng)可能相距幾十公里甚至更遠(yuǎn)。GPS接收器每秒接收一次衛(wèi)星信號(hào)，解碼后能夠把本身時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘校準(zhǔn)，計(jì)算出所處位置經(jīng)度、緯度和高度，補(bǔ)償衛(wèi)星與接收器之間的傳輸延時(shí)，輸出與世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)誤差為1μs的秒脈沖信號(hào)；本系統(tǒng)通過(guò)串口接收來(lái)自GPS接收器輸出的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)日期時(shí)間信息，通過(guò)硬件設(shè)備接收秒脈沖信號(hào)。

1.2日期和時(shí)間的概念

關(guān)于“日期”和“時(shí)間”的概念，主要有以下幾個(gè)：世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC），又稱(chēng)為世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。中國(guó)內(nèi)地的時(shí)間與UTC的時(shí)差為+8，就是UTC+8。日歷時(shí)間：用“從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)到此時(shí)的時(shí)間經(jīng)過(guò)的秒數(shù)”來(lái)表示的時(shí)間。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)對(duì)不同的軟件編譯器來(lái)說(shuō)并不一致，所以說(shuō)日歷時(shí)間是“相對(duì)時(shí)間”。目前多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核提供的基本時(shí)間是自1970年1月1日00:00:00以來(lái)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)累計(jì)值，在C或C++語(yǔ)言中這種秒數(shù)是以time_t這種數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)表示的。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1時(shí)間控制系統(tǒng)原理

統(tǒng)一系統(tǒng)的時(shí)鐘后，就能實(shí)現(xiàn)多套系統(tǒng)輸入信號(hào)的控制或采樣同步。本系統(tǒng)采用脈沖同步方式工作：系統(tǒng)采用高穩(wěn)定度的晶振作為時(shí)鐘,并且每秒被GPS的1PPS脈沖同步一次,輸入信號(hào)的采樣脈沖由該晶振時(shí)鐘信號(hào)分頻后獲得,這樣可以做到整個(gè)系統(tǒng)采樣控制脈沖時(shí)間誤差在1個(gè)微秒以?xún)?nèi)。GPS時(shí)鐘作為系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘源,它僅為各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)提供同步信號(hào)而不能代替各自系統(tǒng)中的時(shí)鐘，所以各個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有自己的獨(dú)立時(shí)鐘,在沒(méi)有GPS時(shí)鐘同步信號(hào)時(shí),系統(tǒng)也不會(huì)失去時(shí)鐘信息,有了同步時(shí)鐘信號(hào)可以提高每套系統(tǒng)的時(shí)間精度。

2.2時(shí)間控制系統(tǒng)組成

同樣的設(shè)備可能有多套，每套都是完全獨(dú)立的。本控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用軍用級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有極高的可靠性，工作環(huán)境-40℃到+70℃。

2.3系統(tǒng)工作流程

為了提高多套系統(tǒng)的同步精度，本控制系統(tǒng)同時(shí)采用脈沖同步和串行同步方式進(jìn)行時(shí)間同步，GPS的串口和控制計(jì)算機(jī)的串口相連，1PPS信號(hào)接到控制計(jì)算機(jī)板的一個(gè)FPGA芯片輸入口上，F(xiàn)PGA電路使用一高精度晶振作為時(shí)鐘，分頻后和1PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)脈沖同步，年月日時(shí)分秒的數(shù)據(jù)由控制計(jì)算機(jī)串口從GPS接收機(jī)獲取，同時(shí)發(fā)給EPLD電路作為秒級(jí)以上的時(shí)間比對(duì)。用戶預(yù)先將開(kāi)始采集的時(shí)間、采集時(shí)長(zhǎng)、工作模式、天線的方位和俯仰角度設(shè)定好，然后伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)天線到指定位置，監(jiān)控系統(tǒng)等待GPS定位成功（收到4顆衛(wèi)星信號(hào)），GPS定位成功后系統(tǒng)用收到的GPS時(shí)間對(duì)控制計(jì)算機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行一次校時(shí)，然后監(jiān)控軟件循環(huán)并用GPS時(shí)間比較設(shè)定的采集時(shí)間，記錄儀設(shè)備處于等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)采集時(shí)間到達(dá)前3秒，通知FPGA電路啟動(dòng)脈沖同步方式，最后的采集脈沖由FPGA電路發(fā)出，記錄儀設(shè)備開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，記錄結(jié)束后關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)電源節(jié)約電力。

2.4時(shí)間轉(zhuǎn)換算法

在講述UTC和本地時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換前，我們需要了解幾個(gè)概念。在標(biāo)準(zhǔn)C/C++中，我們可通過(guò)tm結(jié)構(gòu)來(lái)獲得日期和時(shí)間。

3總結(jié)

3.1干擾分析及解決辦法

本系統(tǒng)具有很高的可靠性，可在極其惡劣的環(huán)境下使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到可能遇到的干擾問(wèn)題，并提出了解決方案。由于本系統(tǒng)是以接收GPS時(shí)間信號(hào)為基礎(chǔ)的同步采集系統(tǒng)，所以對(duì)時(shí)間的精度要求很高，因此我們購(gòu)買(mǎi)了1PPS精度達(dá)到200ns的GPS接收機(jī)，配合計(jì)算機(jī)主板上的40MHz高穩(wěn)定晶振，完全滿足用戶的同步時(shí)間精度誤差小于2μs的要求。實(shí)際使用中出現(xiàn)最多的問(wèn)題就是GPS接收機(jī)所處位置電磁環(huán)境不佳，比如說(shuō)周?chē)写蠊β孰娕_(tái)、發(fā)射天線等，它們可造成GPS接收機(jī)接收不到信號(hào)或信號(hào)不穩(wěn)定，從而影響系統(tǒng)的時(shí)間同步，這個(gè)問(wèn)題采用脈沖同步方式即可有效解決。

3.2結(jié)束語(yǔ)

本文論述以GPS時(shí)間為基礎(chǔ)的多系統(tǒng)同步控制系統(tǒng)組成、UTC轉(zhuǎn)換算法、實(shí)際使用中遇到的問(wèn)題等。同時(shí)采用脈沖同步和串行同步方式進(jìn)行時(shí)間同步，提高精度的同時(shí)也提高了可靠性。UTC與本地時(shí)間轉(zhuǎn)換算法的提出，避免了在時(shí)間運(yùn)算時(shí)出現(xiàn)的日歷時(shí)間問(wèn)題（閏年閏月等），解決了在時(shí)間運(yùn)算和比較方面的難題。

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作者：馮源 單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八所