時間控制系統(tǒng)及算法范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了時間控制系統(tǒng)及算法參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：很多應(yīng)用領(lǐng)域都需要對時間進(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微秒誤差的時間內(nèi)同時工作。本文論述以GPS時間為基礎(chǔ)的多系統(tǒng)同步控制系統(tǒng)，其時間精度取決于GPS，一般誤差可控制在400ns以內(nèi)，高精度的GPS時間同步精度可小于100ns，與GPS的時間同步主要依靠GPS輸出的秒脈沖信號1PPS（PulsesPerSecond），1PPS每秒輸出一個脈沖，其上升沿與協(xié)調(diào)世界時（UTC）時間同步。論述UTC時間和本地時間概念，以及它們之間的轉(zhuǎn)換，對C++時間函數(shù)庫進(jìn)行了分析，給出了一個高效的UTC時間和本地時間之間的轉(zhuǎn)換算法。并分析了接收GPS信號可能出現(xiàn)的問題，以及解決辦法。完成了軟件設(shè)計和硬件電路的設(shè)計和制作，并通過試驗，對系統(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和本地時間；C++時間函數(shù)庫；時間同步；校時

1緒論

1.1系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于需要在同一時間同步數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，要求對時間進(jìn)行精確控制，并且全自動無人值守，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，解碼后能夠把本身時鐘與衛(wèi)星時鐘校準(zhǔn)，計算出所處位置經(jīng)度、緯度和高度，補償衛(wèi)星與接收器之間的傳輸延時，輸出與世界協(xié)調(diào)時(UTC)誤差為1μs的秒脈沖信號；本系統(tǒng)通過串口接收來自GPS接收器輸出的國際標(biāo)準(zhǔn)日期時間信息，通過硬件設(shè)備接收秒脈沖信號。

1.2日期和時間的概念

關(guān)于“日期”和“時間”的概念，主要有以下幾個：世界協(xié)調(diào)時（UTC），又稱為世界標(biāo)準(zhǔn)時間。中國內(nèi)地的時間與UTC的時差為+8，就是UTC+8。日歷時間：用“從一個標(biāo)準(zhǔn)時間點到此時的時間經(jīng)過的秒數(shù)”來表示的時間。這個標(biāo)準(zhǔn)時間點對不同的軟件編譯器來說并不一致，所以說日歷時間是“相對時間”。目前多數(shù)計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核提供的基本時間是自1970年1月1日00:00:00以來國際標(biāo)準(zhǔn)時間所經(jīng)過的秒數(shù)累計值，在C或C++語言中這種秒數(shù)是以time_t這種數(shù)據(jù)類型來表示的。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1時間控制系統(tǒng)原理

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

2.2時間控制系統(tǒng)組成

同樣的設(shè)備可能有多套，每套都是完全獨立的。本控制系統(tǒng)計算機(jī)采用軍用級嵌入式計算機(jī)，操作系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(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)同時采用脈沖同步和串行同步方式進(jìn)行時間同步，GPS的串口和控制計算機(jī)的串口相連，1PPS信號接到控制計算機(jī)板的一個FPGA芯片輸入口上，F(xiàn)PGA電路使用一高精度晶振作為時鐘，分頻后和1PPS信號實現(xiàn)脈沖同步，年月日時分秒的數(shù)據(jù)由控制計算機(jī)串口從GPS接收機(jī)獲取，同時發(fā)給EPLD電路作為秒級以上的時間比對。用戶預(yù)先將開始采集的時間、采集時長、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），GPS定位成功后系統(tǒng)用收到的GPS時間對控制計算機(jī)時鐘進(jìn)行一次校時，然后監(jiān)控軟件循環(huán)并用GPS時間比較設(shè)定的采集時間，記錄儀設(shè)備處于等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)采集時間到達(dá)前3秒，通知FPGA電路啟動脈沖同步方式，最后的采集脈沖由FPGA電路發(fā)出，記錄儀設(shè)備開始記錄數(shù)據(jù)，記錄結(jié)束后關(guān)閉整個系統(tǒng)電源節(jié)約電力。

2.4時間轉(zhuǎn)換算法

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

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)計時已經(jīng)考慮到可能遇到的干擾問題，并提出了解決方案。由于本系統(tǒng)是以接收GPS時間信號為基礎(chǔ)的同步采集系統(tǒng)，所以對時間的精度要求很高，因此我們購買了1PPS精度達(dá)到200ns的GPS接收機(jī)，配合計算機(jī)主板上的40MHz高穩(wěn)定晶振，完全滿足用戶的同步時間精度誤差小于2μs的要求。實際使用中出現(xiàn)最多的問題就是GPS接收機(jī)所處位置電磁環(huán)境不佳，比如說周圍有大功率電臺、發(fā)射天線等，它們可造成GPS接收機(jī)接收不到信號或信號不穩(wěn)定，從而影響系統(tǒng)的時間同步，這個問題采用脈沖同步方式即可有效解決。

3.2結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn):

[1]黃芳.基于GPS時間同步的分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].礦山測量,2004(1).

[2]張蔭柏.GPS時間同步技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J].宇航計測技術(shù),1988(3).

[3]周啟平.VxWorks程序員速查手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4][美]BrianOverland．C++語言命令詳解[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2000.

[5]龔慶武.GPS同步采樣裝置中防止干擾GPS秒脈沖信號的措施[J]．電力自動化,2000(1).

[6]詹慶才.基于GPS的同步采集裝置的研究與設(shè)計[J]．工業(yè)控制計算機(jī),2007(9).

[7]王崢等.基于GPS的變電站內(nèi)部時間同步方法[J]．電力自動化,2002(2).

[8]張海雯.高性能GPS時間同步裝置研制[J]．電力自動化設(shè)備,2003(4).

[9]林英祥.航向標(biāo)校系統(tǒng)的GPS時間同步裝置設(shè)計方法[J]．航海工程,2003(2).

[10]周明德.微型計算機(jī)硬件軟件及其應(yīng)用[M]．2版.北京：清華大學(xué)出版社,1998.

[11]商振華.VxWorks系統(tǒng)下時鐘及定時器的應(yīng)用[J]．移動通訊,2003增刊.

[12]一帆.Internet網(wǎng)絡(luò)時間和時區(qū)轉(zhuǎn)換[J]．網(wǎng)友俱樂部,2000(2).

[13]高厚磊.GPS時間同步技術(shù)及其在數(shù)字電流差動保護(hù)中應(yīng)用的研究[J]．電力自動化學(xué)報,1996(3).

[14]周中謨.GPS衛(wèi)星測量原理和應(yīng)用[M]．測繪出版社,1992.

[15]張開東.SINS_GPS組合導(dǎo)航中的一種高精度時間同步方案[J]．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2006(4).

[16]李萬山.用GPS校時的IRIG-B(DC)時間碼產(chǎn)生器設(shè)計[J]．指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,1999(1).

作者：馮源 單位：中國電子科技集團(tuán)第三十八所