时钟同步系统范文
时钟同步系统范文（精选8篇）
时钟同步系统 第1篇
时钟同步是分布式操作系统的一个经典问题。从上个世纪中叶开始,随着分布式系统的出现和发展,越来越多的学者开始关注和研究多个节点间时钟同步的实现问题[1]。一般来说,基于异步通信网络环境的时钟同步的目标就是要保证分布在网络上的各个节点具有一个统一的时间概念。使用准确的时钟,可以确定事件发生顺序、计算两个事件之间的时间间隔、产生基于计时器的事件等[2]。
目前,许多基于计算机网络的分布式应用都使用了时钟同步技术。在Internet中,最典型的时钟同步应用就是网络时间协议NTP(Network Time Protocol)。本论文将在详细分析NTP协议工作原理的基础上,根据NTP时间戳的交换建立连续时间戳通信模型和时钟漂移率数学模型。在此基础上,针对传统时钟调整策略的缺陷开发基于时钟漂移率的时钟同步客户端软件。该软件不仅能够实时显示时钟同步延迟及偏差趋势曲线,并且可以使用即时偏差或拟合偏差进行时钟调整。
1 NTP协议原理及时钟同步工作模式
NTP协议的全称是网络时间协议,是目前互联网中应用非常广泛的时间同步协议。其目的是通过本地计算机与时钟源进行时钟同步,提高本地时间的精准度从而使Internet上不同的机器间能维持一个统一的、标准的时间,为运行在多种及广泛的分布式网络环境中的系统分配准确和可信的时间信息[3]。
在NTP协议规范(RFC1305)中采用UDP协议进行传输,且将NTP服务器端的端口号定义为123。在本地节点与时间服务器通信过程中产生4个记录时间的时间戳,分别为:客户端发送查询请求时的时间(T1),服务器端收到查询请求时的时间(T2),服务器回复时间信息包时的时间(T3)和客户端收到时间信息包时的时间(T4)。
假设客户端与服务器端的时间偏移量的估计,即时钟的即时偏差为θ;客户端到服务器端的网络传输延迟为δ,则:
δ=δ2+δ1=(T4-T1)-(T3-T2) (1)
时钟同步过程可以采用三种不同的工作模式:客户/服务器模式、多播或广播模式和主/被动对称模式。本文讨论的内容都是基于客户/服务器模式设计的。此工作模式的特点如下:用户向一个或几个服务器提出服务请求,根据所交换的信息,从中选择认为最准确的时间,并调整本地的时钟。此方式适用于一台时间服务器接收上层时间服务器的时间信息,并提供该时间信息给下层用户使用的情况。客户端向服务器发送同步请求,服务器作出响应。服务器可以同步客户端,但是不能被客户端同步。
2 连续时间戳通信模型
一般来说,将在网络上传输的带时间的信息叫作时间戳;发送时间戳信息的时钟叫作参考时钟或主时钟;接收时间戳信息的时钟被叫作子时钟或从时钟。具体的情况可参见时钟同步时空图(图1),这里假设参考时钟节点向从节点发送时间戳的间隔是定长的[4]。
其中:
Tj:代表参考时钟节点第 j 次发送时间戳的时间值。tij:代表包含 Tj的时间戳到达从节点i的本地时间。
T′ij:代表包含 Tj 的时间戳到达从节点 i 的标准时间。
Tperiod:代表固定同步周期或参考节点发送时间戳的定长间隔。
αi:按标准时间计算的最小传输延迟。
σij:按标准时间计算的实际到达时间与最低到达时间的偏差。
根据图1的分析,可以得出下列公式:
T′ij = Tj +αi +σij (3)
在这个公式中,αi和σij代表着时间戳从参考节点到从节点的延迟。在实际应用中,αi通常是一个常量,可通过节点间的距离和传输速率计算出来。而σij是一个不稳定的参数,随着网络运行状况的不同而变化,因此具有间断性和突发性。网络流量的变化、链路的状态、通信链路上的节点数量、节点的性能等都会影响这个参数。此时,如果仅使用一个单一的值来计算时钟精度差是很不准确的。因此本论文假设参考时钟节点每隔Tperiod周期发送一次它的时间戳。此时对于从时钟节点,它们也希望每隔Tperiod间隔收到来自于参考时钟节点的时间戳。
通过上述分析可以知道,时间戳的到达存在着一定的规律,因此可以通过分析这种发展趋势,采用统计学的方法来评估各个从节点的时钟运行精度差。本论文中开发的时钟同步客户端软件正是基于此模型建立的。
3 时钟漂移率及其数学模型
计算机时钟通常会受到校准误差、环境温度、老化因素的影响,导致其偏离了标准时间,其频率不确定度通常小于110-3。有关时间漂移的程度通常用漂移率来描述,即一台时钟每一秒偏离标准时间多少微秒[5]。在时钟同步的过程中,漂移往往是一个连续的过程,并且其漂移率通常局限在一个很小的范围中。
由于网络的抖动和延迟,系统很难用时钟的即时偏差来计算时钟的漂移率。本研究将采用连续的时间戳通信模型,让本地时钟每隔Tperiod时间间隔向参考时间服务器发送一个NTP时间戳,以获取来自于参考时钟的标准时间。现假设系统中的每个本地时钟有着相对稳定的漂移率,且其绝对值小于ρ,则采用最小二乘法线性拟合方法计算漂移率的过程如下:
设n组即时偏差样本值(t1 ,θ1,)(t2,θ2),,(tn,θn)。其中ti代表本地节点接收到来自于参考服务器第i个时间戳的本地时间,θi代表计算出的即时偏差值。根据这组样本值计算漂移率的线性趋势方程如下[6]:
y=b0+b1x (4)
其中b1代表斜率,说明了本地时钟的漂移速度;b0代表截距。如果采用最小二乘法来求得b0,b1的值,则有如下公式成立:
其中,
,
4 传统时钟调整策略及其缺陷
在时钟同步过程中,由于从节点与主节点之间的时钟信息不一致,导致了某一时刻时钟偏差的存在。从节点通过这个偏差对本地时钟进行调节,以获得更加精准的时间信息,从而与主节点的时钟保持同步,这个过程称为时钟调整过程。把用于时钟调节的偏差称为即时偏差,进行时钟同步并获得即时偏差的那一时刻的时间称为即时时间。
在传统时钟同步模型中,一些针对从节点时钟调整的算法,如时钟选择算法、时钟过滤算法等,一般都是利用即时时间来进行时钟同步。通过同步后得到的即时偏差对本地节点进行时钟调整,从而获得更精确和稳定的时间信息。然而,在时钟调整过程中,如果某一时刻的网络传输发生拥塞现象,或网络传输不稳定,导致在某一时刻的时钟同步过程中网络往返延迟过大,那么此时的时钟信息偏差量也会呈现增大的趋势,也就是出现偏差量过大的即时偏差,称之为偶然过大即时偏差。因此,这些基于即时时间和即时偏差的传统时钟调整策略会受到偶然过大即时偏差的干扰,无法有效避免网络延迟和抖动对时钟同步的影响,从而影响时间的准确性。若进行长时间的时钟同步,频繁的时钟调整不但大量消耗了本地节点的CPU资源,并且大大增加了由于时间信息交换带来的网络负载,加剧了网络拥塞,使网络上信息传输的突发性和断续性问题变得日益严重。
针对这个问题,本论文提出了拟合偏差的概念,即将某一连续时间范围内的即时偏差以连续时间戳通信模型和时钟漂移率数学模型为基础用最小二乘法拟合。这种拟合后得到的偏差称为拟合偏差。
5 基于时钟漂移率的时钟同步客户端
5.1 时钟同步客户端通信原理及模块设计
本文设计的客户端是基于Windows环境的,因此利用套接字进行数据通信。套接字(SOCKET)是一种网络编程接口,它是对通信端点的一种抽象,提供了一种发送和接收数据的机制,在程序中的作用可以理解为网络数据通信的一个代理[7]。
套接字有两种类型:流式套接字(Stream Sockets)和数据报套接字(Datagram Sockets)。数据报套接字提供了一种不可靠的、非连接的数据包通信方式,它使用用户数据报协议(UDP);而流式套接字可以将数据按顺序无重复地发送到目的地,它提供的是一种可靠的面向连接的数据传输方式。这种套接字采用的是传输控制协议(TCP),它可以有效保证数据传输的正确性。具体的客户端通信原理过程如图2所示。
本论文设计的客户端总体划分为三个模块。
NTP协议的实现模块 本模块主要包括客户端初始化配置模块、客户端消息发送模块、客户端时钟同步模块以及客户端消息接收模块。
GUI界面及事件处理模块 本模块主要包括客户端时钟同步操作模块、客户端趋势图显示模块以及客户端趋势方程显示模块。
时钟校正模块 本模块主要包括客户端时钟显示模块和客户端时钟校正模块。
各个模块在时钟同步过程中的具体关系,如图3所示。
5.2 时钟同步客户端的实现
本论文采用VC++6.0开发基于时钟漂移率进行时钟调整的时钟同步客户端软件,为客户端的时钟同步提供了多种功能,以供用户进行不同目的的操作。其主要功能如表1所示。
6 结 论
本文在详细分析NTP协议及其工作原理的基础上,提出了异步通信环境下的连续时间戳通信模型和时钟漂移率数学模型,并在此基础上针对传统时钟调整策略的缺陷自主设计并采用VC++6.0开发了基于时钟漂移率的时钟同步客户端软件。本软件不但可以同国内外NTP服务器进行时钟同步,并且可以根据实验需求计算网络传输延迟、即时时间偏差、连续时间偏差,并以图像方式实时动态显示。最后可以根据获得的即时或拟合偏差值对本地时钟进行调整,从而实现客户端时钟与服务器时钟的一致。通过观察本客户端软件的偏差趋势图可以发现,与传统时钟调整策略采用的即时偏差相比,本研究所提出的拟合偏差的趋势曲线相对较平滑、波动较小。因此,在长时间的时钟同步过程中,若采用本客户端软件所提供的拟合偏差时间校正功能进行时钟调整,则可以大大减少时间校正次数,提高客户端时钟同步的稳定性及时钟的运行精度。
摘要：采用客户/服务器时钟同步工作模式获得来自于参考时钟服务器的时间戳信息,并建立了连续时间戳通信模型以获得更准确的时钟运行精度差。在此基础上,利用线性拟合方法建立时钟漂移率数学模型,以获得本地节点的时钟漂移率。最后详细分析了传统时钟调整策略,并针对其缺陷自主开发了基于时钟漂移率的时钟同步客户端软件。该软件不仅可以动态显示网络延迟、偏差趋势曲线和方程,而且可以采用拟合偏差策略进行时间调整,有效提高了客户端时钟同步的稳定性及时钟的运行精度。
关键词：网络,时钟同步,漂移率,拟合偏差
参考文献
[1]Arvind K.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems[J].Probabilistic clock synchronization in distributed systems,1994,5(5):474-487.
[2]徐强,汪芸.基于SNTP同步模型的时钟同步系统[J].计算机应用与软件,2007,24(9):54-56.
[3]宋妍,朱爽.基于NTP的网络时间服务系统的研究[J].计算机工程与应用,2003,36:147-150.
[4]赵英,潘立登.异步环境中基于时钟精度差的时钟同步[J].计算机工程,2004,30(18):38-40.
[5]Cristian F,Fetzer C.The timed asynchronous distributed system model[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed System,1999,10:354-368.
[6]Ying Zhao,Zhou Wanlei,Elicia J Lanham.Self_Adaptive clock syn-chronization based on clock precision difference[C]//Michael J.Oud-shoorn.
一种MCU时钟系统的设计 第2篇
摘要：介绍了一个基于MCU内核的时钟系统的设计，给出了其电路结构并详细地分析了系统的工作原理。该系统能生成两相不重叠时钟，利用静态锁存器保存动态信息，提供三种电源管理方式以适应低功耗应用。在上华（CSMC）0．6μm工艺库下，利用Cadence EDA工具对电路进行了仿真，仿真结果验证了设计的准确性。关键词：微控制器 时钟系统 两相不重叠时钟
时钟系统是微控制器（MCU）的一个重要部分，它产生的时钟信号要贯穿整个芯片。时钟系统设计得好坏关系到芯片能否正常工作。在工作频率较低的情况下，时钟系统可以通过综合产生，即用Verilog／VHDL语言描述电路，并用EDA工具进行综合。然而，用工具综合存在电路性能低、优化率不高的问题，不适合应用在各种高性能微处理器芯片上。而采用人工设计逻辑并手工输入电路图甚至物理版图的方式，能使设计的电路灵活，性能更好。基于这些考虑，设计了一个MCU时钟系统。
1 基本时钟输入的选择
CPU核分微处理器（MPU）和微控制器（MCU），两者的基本时钟一般都以单频方波的形式提供。时钟有三种产生方式：
（1）用晶体振荡器产生精确而稳定的时钟信号；
（2）用压控振荡器产生可调频率范围较宽的时钟信号；
（3）结合以上两种技术，用压控振荡器生成时钟信号。
基本时钟信号的产生可以有芯片外和芯片内两种方法。但是时钟信号必须是稳定的信号，对于稳定度要求特别高的场合（如MPU和MCU），采用芯片外提供是必不可少的。故本设计采用外接晶振的.方法。
2 两相时钟方案
时钟技术是决定和影响电路功耗的主要因素，时钟偏差是引起电路竞争冒险的主要原因。为了消除竞争、提高频率、降低功耗，在基本时钟方案方面，MPU和MCU一般有三种选择：单相时钟、多相时钟和沿触发方案。在当前的设计中，沿触发方案由于在数据传递方面有一定困难已很少被使用。单相时钟方案因为在时序和传输上比较简单可靠，在所有的方案中使用的晶体管也是最少，所以被一些高性能芯片使用，如DEC公司?现被HP公司并购?的Alpha21664微处理器。但是，对CMOS电路来说，采用单相时钟就无法使用动态电路，而且因组合逻辑块中逻辑元件的速度高低都受到限制而呈现困难。
图1是一个单相有限状态机，圆圈内为组合逻辑块CL。
设TL＋TH＝TP，其中TP为时钟周期，TH和TL分别为时钟高电平和低电平时间。如果要使时钟定时与数据无关，则最长的传播延迟必须小于TP，信号（甚至可能是由于内部竞争冒险产生的尖峰所造成的假信号）到达CL输出端可能取的最短时间必须大于TH。令τCL代表CL延迟范围，则：
时钟与时间同步系统及其前景探讨 第3篇
1.1时钟同步系统简介
在数字通信系统中,时钟同步系统的作用是使数字网中所有节点设备的时钟频率都控制在预定的容限之内,从而使通过网内各节点设备的数字流实现正确、有效的传递与交换。
数字交换机在进行时隙交换时,要求各交换时隙在时间上对准,即要求交换设备与其入中继接口的数据流同步。
SDH节点间若同步运行则无指针调节,随着同步的降低,指针调节频次增加。频次大到一定程度引起输出数字流的抖动、飘移和误码的超标。
1.2时间同步系统简介
基于协调世界时(UTC)我们可以组建时间同步系统。时间同步系统分为:基于TDM传输的硬件时间同步系统;与基于IP传输的软件时间同步系统。以下主要讨论后者。
在计算机网中收、发端之间无需时钟同步,但在计算机网中的很多应用需要有统一的时间。
每台计算机都有自己的时间,并且是可以调节的。一般情况下,很难保证网络中各计算机节点具有相同的时间。但网中一些时间敏感的应用项目,对计算机的时间精确度以及计算机之间的时间同步,提出了非常严格的要求。为此,网络中有时间要求的各节点设备需要同步到同一个基准时间上。时间同步系统的应用举例如下:
(1)IP包传送后会造成失序,可在发送端对发送的IP包分别打上时间戳,在接收端按时间戳进行重新组合。
(2)电子商务的交易经常发生在不同的城市,其交易数据中时间信息十分重要,这就要求各主机保证正确的时间以确认交易的次序。
(3)在CDMA移动通信系统中依靠基站扩频地址码不同的时间偏置,用来区分不同的基站。
(4)在电力、航空、军事、铁路的调度指挥中有很精确的时间要求,若出现命令与执行的时间产生偏差,可能会造成重大事故。
1.3两类同步系统的比较
1.3.1两类同步系统的相同点
(1)具有相同的基准时钟源,例如:原子钟、GPST、高稳定度石英振荡器等。
(2)上下级采用主从同步方式。
(3)输出信号均具有稳定度与精确度的要求。
1.3.2两类同步系统的不同点
(1)时钟同步系输出为高稳定度、连续的振荡的频域信号;而时间同步系统则定时(例如每隔1秒)输出含标准时间(年、月、日、时、分、秒、毫秒)的时域信号。
(2)时钟同步系统采用TDM电路传送同步时钟信号;时间同步系统可采用TDM或IP电路传送时间同步信号。
(3)目前时钟同步采用硬件同步方法;时间同步可采用硬件或软件同步方法。
2时钟、时间同步系统技术基础
2.1时间的概念
2.1.1世界时系统
世界时系统是以地球自转运动为基准的时间系统。由于观察地球自转时所选择空间参考点的不同,世界时系统又分为平太阳时和世界时。
平太阳时是地方时,地球上各地点的平太阳时不同。为了使用方便,将地球按子午线划分为24个时区,每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时。零时区(格林威治)的平太阳时称为世界时。由于地球自转速度是不均匀的,因此世界时不是一个严格均匀的时间系统。
2.1.2原子时系统
1.原子时
原子秒定义为:铯原子133原子基态两个超精细结构能态间跃迁所辐射的电磁振荡9192631770周所经历的时间,为1原子秒。原点取1958年1月1日的世界时,称为国际原子时。原子秒的稳定性很好,最高精度可做到±1s/500万年(6.34210-15)的水平。
2.协调世界时(UTC)
原子时虽是秒长均匀、稳定度很高的时间系统,但与地球自转无关。世界时虽然不均匀,但与地球自转精密相关。原子时的秒长与世界时的秒长不等,大约每年差1秒。为了协调原子时与世界时的关系,建立了一种折衷的时间系统,即为UTC。
根据国际规定,UTC的秒长采用原子时的秒长,原点定在1980年1月6日0时,其累计时刻与世界时刻之差保持在0.9s之内,当超过时,采用跳秒(闰秒)的方法来调整。目前,世界各国发布的时间,均以UTC为基准。
3.GPS时间系统
为了定位的需要,GPS建立了专用的时间系统(GPST),GPST属原子时系统,秒长与原子秒一致,计时与UTC一致。
可见,使用UTC作为同步的时钟基准,具有最大的公信力,而采用GPS系统获得精确的UTC及北京时间,又是最为经济、便捷的方法。
2.2时钟的稳定度与精确度
时钟稳定度(亦称精度)为一段时间内时钟的走时误差;时钟精确度为该时钟与标准时间(我国为北京时间)之间的误差。例如,有一块表每天快慢在1s之内,则该表日稳定度为±1s/d。假设该表的使用者每天对一次表(校时),则该表的精确度为±1s/d或±1s/y。可见,时钟的精确度取决于其稳定度和校时的频度。
时钟稳定度常用相对值来表示,例如:时钟日稳定度为±1s/d,可表为:1s/24h60min60s=1.15710-5/d。时钟稳定度用相对值来表示时无时间单位,通常前面省去±符号,在不注明测量时长时,一般系指长期(年)稳定度。
人们日常使用的电子钟、表,其驱动源均为晶振。时钟的精度等于驱动时钟的晶振精度。例如:某时钟精度为±1s/d其精度为1.15710-5/d。若该时钟晶振频率为1MHz,则其日频率变化小于1.15710-5106Hz=11.57Hz。
3时钟同步网
3.1我国时钟同步网的网络结构
我国电信运营商的时钟同步网的结构为:在各省建立一套由受控铷钟的区域基准钟(LRC),并以LRC为时钟源,组成全省的主从同步网。
LRC的主用基准来自GPS;备用基准来自北京或武汉的全网基准钟(PRC)。使用主用基准时形成各省为一同步区的混合同步网;使用备用基准时,各LRC经地面数字链路直接同步于PRC,形成全网(国)等级的主从同步网。
我国数字同步网分为三级、一级节点采用基准钟;二、三级节点分别采用二、三级节点钟。
3.2各级时钟的设置和同步节点设备
3.2.1各级时钟的设置
1.一级基准钟
一级基准钟频率稳定度要求优于110-11,一级基准钟分为两类:
(1)全网基准钟(PRC):由自主运行的铯钟组组成。
(2)区域基准钟(LRC):由受控于GPS或PRC的铷钟组成,LRC应设置在省中心主要长途枢纽楼内。
2.二级节点钟
二级节点钟频率稳定度要求优于1.610-8,由受一级钟控制的铷钟或高稳定晶体钟组成。设置在没有LPR的省中心长途楼和地市级长途通信楼内。
3.三级节点钟
三级节点钟频率稳定度要求优于4.610-6,由受二级钟控制高稳定晶体钟组成。设置在本地网汇接局及部分端局通信楼内。
3.2.2时钟同步节点设备
时钟同步网中的节点设备为通信楼综合定时供给系统(BITS)。它接收上级节点的基准同步定时信息,同时向下级时钟发送同步定时信息,并向所在通信楼的设备提供同步定时信息。BITS一般拥有2.048MHz、1.544 MHz、10 MHz及E1信号(成帧的2.048 Mbit/s)等多种输出定时信号。
4时间同步系统
4.1硬件时间同步系统
硬件时间同步系统,利用硬件设施接受GPS时标(时间标准)信号进行时间同步,GPS时标信号的精确度在±510-8s以上,采用TDM方式传输时间同步信号。
硬件时间系统亦称为子母钟系统,通常用于航空、铁路、港口、电厂、广电等部门,现以地铁时钟系统为例进行介绍。地铁时钟系统按控制中心一级母钟和车站二级母钟两级组网方式设置,系统主要包括:GPS信号接收单元、控制中心一级母钟系统、车站二级母钟、时间显示单元(简称子钟)、接口设备等构成。
硬件时钟系统采用主从同步方式。中心一级母钟接收并同步来自GPS卫星的时标信号,并为其他各机电系统(例如:信号系统、指挥调度系统、自动售检票系统等)提供时标接口。一级母钟通过传输线路向各车站的二级母钟传送时标信号,同步二级母钟,由二级母钟驱动站内各子钟,从而使地铁全线执行统一的时间标准。
4.2软件时间系统
软件时间系统通常用于计算机网络节点间的时间同步。
4.2.1网络时间协议(NTP)
网络时间协议(NTP)可以估算消息包在网络中的往返时间,以及计算机之间的时钟偏差,把计算机的时间同步到某个时间服务器上。当前,授时网站提供的时间的精确度通常在广域网上为数十毫秒,在局域网上则为亚毫秒(10-3～10-6s)级或更高。NTP的应用越来越广泛,在互联网上工作的时间服务器已超过十万台。
NTP通常以客户机/服务器模式进行授时。如图1所示,客户机发送一个请求数据包,时间服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有收发时间戳,根据这四个时间戳,可用来计算客户机与时间服务器之间的时间偏差和网络时延。
在图1中:
T1为客户机发送查询请求包的时刻;
T2为服务器收到查询请求包的时刻;
T3为服务器回复时间信息包的时刻;
T4为客户机收到时间信息包的时刻。
根据上述4个时间戮可解得服务器和客户机之间的时间偏差θ,以及两者之间的单程网络传输时间δ:
据此,客户机可根据所接收T4时间戳中的时标信息,以及根据4个时间戳,计算出θ与δ,用以调整本地时钟。
4.3发展探讨
随着通信网络的全IP化进程,电信运营商的时钟同步网将随着电路交换网的淡出而逐趋淘汰。同时对基于TDM传输同步时标信号的硬件时间系统提出了IP化的挑战。
智能变电站时钟同步系统配置浅析 第4篇
智能变电站作为智能电网的基础环节之一, 是智能电网能量传递的枢纽, 是电网运行信息的最主要来源, 是电网智能化操作控制的执行地, 是建设坚强智能电网的基础和关键。在智能变电站中, 数字信号采集和传输必须要基于统一的时间标准, 才能保障数据的准确性、可靠性和有效性。因此, 时钟同步系统在智能变电站中具有重要作用。
2、时钟同步系统的配置
2.1 时钟源
2.1.1 卫星授时
全球卫星定位系统是人造地球卫星为载体的覆盖全球、全天候无线电导航和定位系统, 可以实现高精度导航, 定位和定时。现今, 世界上有四大全球卫星定位系统已部署或正在部署, 分别是:美国的GPS系统、欧洲的“伽利略”系统、俄罗斯的“格洛纳斯”系统和中国的“北斗星”卫星导航系统。
我国运用较多的是美国的GPS系统和中国的“北斗星”卫星导航系统。GPS系统是一个中距离圆型轨道卫星导航系统, 它可以为地球表面绝大部分地区 (98%) 提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统, 包括北斗一号、二号两代, 分别是区域性和全球性导航系统。
北斗卫星授时定位系统是我国自主知识产权的卫星时钟源, 采用其作为电力系统时钟源, 对于我国电力系统的安全具有重要意义。因此, 我们应优先配置能同时接受GPS和北斗卫星授时的授时装置。
2.1.2 网络授时
网络授时主要有网络时间协议 (N T P) 、简单网络时间协议 (SNTP) 和IEEE 1588对时方式, 通过网络完成系统设备的对时。
NTP属于TCP/IP协议族, 采用了复杂的时间同步算法, 可提供对时精度在1 m s~5 0 m s之间。S N T P是N T P的一个简化版, 没有NTP复杂的算法, 应用于简单的网络中, 其对时精度在1ms以内。IEEE 1588是可用于网络测量和控制系统中的精密时钟同步协议标准, 算法为“乒乓”式, 需要硬件支持, 在M A C层对时钟报文打上时间戳, 主要用于标准以太网、执行器、传感器及网络终端设备的亚微秒级时钟同步, 时间精度在±3μs以内。
2.2 对时方式
智能变电站中保护和控制设备对时间同步的精度要求较高, 而综合自动化系统中常用的脉冲对时、通信对时及综合对时方式不同程度存在影响对时精度的问题, 故不做重点推荐。
2.2.1 编码对时
I R I G-B是一种典型的编码对时信号, 包括调制的I R I G-B (AC) 码和非调制的I R I G-B (D C) 码两种。电力系统使用较多的是I R I G-B (DC) 码, 它需要通过硬件或软件解码, 采用硬件编码可以将时间信息直接存放于存储器中, 便于时钟系统快速读取, 在精度上要高于软件编码方式。IRIG-B可以看作是一种“综合对时”, 在其报文中包含了年月日、时分秒等时间信息, 并且每一帧报文的起始信息位对应与整秒, 相当于秒脉冲同步信号, 因此避免了路径及源头不一致的问题。使用IRIG-B对时对于硬件没有特殊要求 (同轴电缆、屏蔽控制电缆、光纤、双绞线等均可) , 在综合自动化变电站中使用较为广泛, 其准确性和稳定性较好, 可在智能变电站中推广使用。
2.2.2 IEEE 1588
IEEE 1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”, 它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步, 可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步, 其主要特点是:必须硬件支持;同步信号与采样值传输共用链路, 不需要单独组网, 数据同步可靠性高;合并单元、路由器、交换机、IED设备等各环节均需要支持该标准。
IEEE 1588能够实现分布式网络系统内各节点的时钟同步, 满足高精度对时系统的需求, 特别适用于基于以太网的智能变电站通信系统。
2.3 时间同步系统的结构
2.3.1 组成方式
时间同步系统典型组成方式有基本式、主从式、主备式三种。基本式由一台主时钟和信号传输介质组成;主从式由一台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成;主备式由两台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成。
2.3.2 运行方式
时间同步系统有独立运行和组网运行两种运行方式。独立运行方式是指时钟同步系统不接入时钟同步网。组网运行方式是指时钟同步系统接入时钟同步网, 除接收无线时间基准信号之外, 还接收上一级时钟同步系统下发的有线时间基准信号, 在两类时间基准信号输入都有效时, 无线时间基准信号作为系统的优先授时源, 当无线时间基准信号异常时, 自动切换为有线时间基准信号作为系统的授时源。
3、基于IEEE 1588的时钟同步系统的典型配置方案
3.1 总体原则
全站采用主备式结构的双套对时系统方案, 站控层网络由于对时钟精度要求不高, 故采用SNTP对时方式;过程层网络采用IEEE1588对时方式, 结合支持IEEE 1588的交换机, 实现IEEE 1588对合并单元、保护装置的精确对时。
3.2 过程层IED装置对时
过程层IED装置采用双网模式, 采用IEEE 1588网络对时, 同时接受两套装置的对时信号, 互为主备。
3.3 过程层交换机对时
过程层交换机采用双网模式, 采用IEEE 1588网络对时, 同时接受两套装置的对时信号, 互为主备。
IEEE 1588作为一种亚微秒级精度的分布式网络时钟同步方案, 目前应用中还存在一些问题, 但随着智能变电站设备整体应用水平的提高及技术的成熟, 它将是未来智能变电站时钟同步的主导方式。
4、结语
时钟同步系统 第5篇
时钟同步技术可为电力系统各种保护和控制设备提供统一的时间基准,在电网事故分析和保障电力系统安全运行中发挥着十分重要的作用[1]。近年来,智能变电站技术的发展对时钟同步提出了更高的要求[2,3]。由于电子式互感器和合并单元等新设备的引入,数据采集方式由集中式转变为分布式,母线保护、变压器保护等跨间隔设备仍需要同一时刻的数据进行计算,而利用高精度时钟同步保证各个间隔的合并单元同时进行数据采集是一种可行的方案[4]。此时,时钟同步将成为继电保护的重要组成部分,其性能也将影响继电保护的正常工作。因此,时钟同步在未来智能变电站中的重要性更加突出。
目前,电力系统中采用的时钟同步方法有多种,其中网络时钟同步可复用已有的网络设施,与其他数据共网传输,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注[5,6]。IEEE 1588标准为网络环境下智能变电站的精确时钟同步(1μs)提供了新的解决方案,是目前最有发展和应用前景的时钟同步方式[7,8,9,10]。IEEE电力系统继电保护委员会(PSRC)H7工作组也正制定相关的指导性文件,以促进IEEE 1588标准在智能变电站中的应用[11]。
根据网络时钟同步的原理,主、从时钟之间传输延迟的精确测量与修正是实现高精度网络时钟同步的关键[12]。由于交换机等设备对网络报文的排队处理,网络报文的传输存在不确定延迟且难以精确测量,因而对网络时钟同步精度有较大的影响。为此,IEEE 1588v1标准中提出了边界时钟方案,即将交换机等网络设备作为边界时钟,形成多层主从级联的时钟同步体系[13]。尽管边界时钟有效地回避了网络延迟测量与修正的问题,但级联结构中时钟的层层转发导致累积误差较大,相隔越远的时钟同步精度越低。
为此,IEEE 1588v2标准提出了透明时钟模型,可对主、从时钟之间的网络延迟进行精确测量与修正,能有效地克服边界时钟的缺点[14,15,16]。
本文首先简要介绍了透明时钟的基本原理,并从同步精度、网络拓扑变化的适应性及主时钟负载等方面对对等(P2P)和端到端(E2E)这2种透明时钟进行了比较和实验分析。结果表明,P2P透明时钟的同步精度要优于E2E透明时钟,由于2种透明时钟不能混合使用,本文建议在智能变电站中统一采用P2P透明时钟。
1 透明时钟基本原理
1.1 网络时钟同步原理
根据网络时钟同步的基本原理,如何精确测量主、从时钟间的传输延迟TD是网络时钟同步的关键。如图1所示,若在应用层植入和获取时间标签(如网络时间协议(NTP)/简单网络时间协议(SNTP),TD主要包括主、从时钟内的协议栈处理延迟和网络延迟。由于CPU多任务调度机制和交换机排队机制的影响,上述2种延迟均存在较大的不确定性,精确测量较为困难。IEEE 1588v1标准中提出采用特殊的硬件在“近物理层”植入和获取时间标签,能有效地避免主、从时钟内协议栈处理延迟的不确定性对时钟同步精度的影响,此时TD主要由网络延迟构成。
在此基础上,IEEE 1588v1还提出了边界时钟模型来解决网络延迟的不确定问题,即将网络交换机作为边界时钟,边界时钟的某一个端口同步于上一级主时钟,而其他端口都同步于该端口,并作为下一级时钟的主时钟。整个时钟同步系统被划分成多层主从级联结构,但这种结构引起的累积误差会导致相隔越远的时钟同步精度越低。
针对网络延迟的不确定问题,IEEE 1588v2提出了透明时钟模型这一新的解决方案,可对网络延迟进行精确测量与修正,能有效克服边界时钟存在的不足。根据网络延迟测量及修正方法的不同,透明时钟可进一步划分为2种:P2P和E2E。下文将分别介绍这2种透明时钟的工作原理。为便于说明,假设主、从时钟之间采用1个透明时钟连接,所有时钟均采用单步模式。单步模式是指将报文(如Sync报文)离开时钟的精确时标信息放在该报文的修正域中,而双步模式是将报文(如Sync报文)离开时钟的精确时标信息放在后续的跟随报文中(如Follow_Up报文)发出。
1.2 P2P透明时钟工作原理
网络延迟包括交换机延迟TDswitch和链路延迟TDlink-mt,TDlink-ts。P2P透明时钟的工作原理如图2所示。图中:Tt1为交换机向主时钟发送Pdelay_Req报文的时刻;Tt2为交换机接收到Pdelay_Resp报文的时刻;Tt3为交换机接收到Pdelay_Req报文的时刻;Tt4为交换机向从时钟发送Pdelay_Resp报文的时刻;Tm0为主时钟向从时钟发送Sync报文的时刻;Tm1为主时钟接收到Pdelay_Req报文的时刻;Tm2为主时钟向交换机发送Pdelay_Resp报文的时刻;Ts0为从时钟接收到主时钟所发送的Sync报文的时刻;Ts1为从时钟向交换机发送Pdelay_Req报文的时刻;Ts2为从时钟接收到Pdelay_Resp报文的时刻;TSync-in和TSync-out分别为Sync报文进出P2P透明时钟的时间。
P2P透明时钟对普通网络报文不做任何处理,而对Sync报文,利用特殊硬件在“近物理层”记录其进出P2P透明时钟的时间TSync-in和TSync-out,并求取Sync报文的交换机延迟TDswitch:
P2P透明时钟与主时钟交互Pdelay_Req和Pdelay_Resp报文,可测得主时钟至P2P透明时钟的链路延迟TDlink-mt:
P2P透明时钟将链路延迟TDlink-mt和交换机延迟TDswitch累加到Sync报文的修正域中。
此外从时钟与P2P透明时钟通过交互Pdelay_Req报文、Pdelay_Resp报文,可以测量P2P透明时钟至从时钟的链路延迟TDlink-ts:
主、从时钟之间的传输延迟为:
1.3 E2E透明时钟工作原理
E2E透明时钟的工作原理如图3所示。图中:Ts1′为从时钟接收到主时钟发送Sync报文的时刻;Tm1′为主时钟向从时钟发送Sync报文的时刻;Tm2′为主时钟接收到从时钟所发送Delay_Req报文的时刻;Ts2′为从时钟发送Delay_Req报文的时刻。
E2E透明时钟对Sync报文的处理与P2P透明时钟的处理方法一致,通过记录Sync报文进入和离开的时间来测量交换机延迟TDswitch,并只将其累加到Sync报文的修正域中。
此外,从时钟与主时钟通过交互Delay_Req、Delay_Resp报文来测量主、从时钟之间所有链路延迟之和。其中,Delay_Req报文的交换机延迟也由E2E透明时钟测量与修正。
主、从时钟之间的传输延迟TD为:
分析可得,P2P和E2E透明时钟都需要设置一个内部时钟,对Sync报文的交换机延迟进行测量和修正。但在链路延迟的测量方法上,P2P透明时钟对主、从时钟间的多个链路延迟进行逐段测量和修正,而E2E透明时钟对这些链路延迟进行整体测量和修正。
2 P2P与E2E透明时钟的比较
由于链路延迟测量方法不同,P2P与E2E透明时钟在主时钟负载、对网络拓扑变化的适应性和时钟同步精度等方面存在一定的差异。
2.1 主时钟负载比较
在采用P2P透明时钟方案的同步系统中,主时钟向各个从时钟发送Sync报文,并与其相邻节点交互Pdelay_Req报文和Pdelay_Resp报文。随着从时钟数目的增加,主时钟发送和接收的Pdelay_Req报文和Pdelay_Resp报文数目不会增加。图4(a)所示系统中,主时钟的网络负载为n个Sync报文、1个Pdelay_Req报文和1个Pdelay_Resp报文。
在采用E2E透明时钟方案的同步系统中,主时钟需要与每个从时钟通过交互Delay_Req报文和Delay_Resp报文,以测量主时钟至各个从时钟的链路延迟。随着从时钟数目的增加,主时钟负载会不断增加,可能会导致Delay_Req报文无法接收,或者无法发送Delay_Resp报文。图4(b)所示系统中,主时钟的网络负载为n个Sync报文、n个Delay_Req报文和n个Delay_Resp报文。因此,采用P2P透明时钟方案时,主时钟的通信负载较小,在相同硬件处理能力的情况下,单个主时钟能对更多的从时钟进行同步。
2.2 网络拓扑变化的适应性比较
链路延迟测量方法的不同,还使得P2P透明时钟方案与E2E透明时钟方案对网络拓扑变化的适应性不同[12]。在E2E透明时钟方案中,链路延迟由主、从时钟通过交互Delay_Req报文和Delay_Resp报文而测得。该方法基于一个重要的假设,即2个报文的单向链路延迟(交换机延迟已通过硬件时标测得)是相等的。例如,在图5(a)所示系统中,若Delay_Req报文和Delay_Resp报文的传输路径对称(主时钟,E2E透明时钟A,B,C和从时钟),则上述假设可成立,链路延迟可以较为精确地测量和修正。
然而,为保证网络的可靠性,网络中任意节点之间一般应存在2条以上不同的物理路径,并采用快速生成树协议(RSTP)等冗余拓扑管理协议阻塞部分链路(如图5(a)中透明时钟C,E之间的链路),保证只有1条路径处于工作状态。当链路发生故障时,再启用备用链路。在图5(b)所示系统中,若Delay_Req报文发送之后,Delay_Resp报文发送之前,因透明时钟B,C之间的链路发生故障,原先被阻塞的透明时钟C,E之间的链路被恢复,网络拓扑发生改变。此时,Delay_Req报文与Delay_Resp报文的传输路径不对称,前者为“从时钟E2E透明时钟C,B,A主时钟”,后者为“主时钟E2E透明时钟A,D,E从时钟”,2个报文单向链路延迟相等的假设不再成立。因此,在网络拓扑变化的过程中,E2E透明时钟方案难以精确测量链路延迟,同步精度可能出现短暂的较大偏差,导致保护装置的不正确动作。
而在P2P透明时钟方案中,主、从时钟间的多个链路延迟进行逐段测量和修正,网络上任意相邻节点的链路延时都通过Pdelay_Req报文和Pdelay_Resp报文交互而测得。无论Sync报文是通过何种路径从主时钟发送至从时钟的,Sync报文传输路径上的链路延迟和交换机延迟都将被添加到其修正域中。因此,网络拓扑变化过程中引起的主、从时钟通信路径变化对P2P方案的时钟同步精度没有影响。
2.3 时钟同步精度比较
链路延迟测量方法的不同,还使得P2P透明时钟与E2E透明时钟的同步精度存在一定的差异。网络时钟同步算法一般假设在一次同步过程中,主、从时钟的偏差保持不变。实际上,随着时间的推移,主、从时钟偏差会逐渐增大。因此,测量主、从时钟间传输延迟所用时间越短,时钟同步精度越高。
P2P透明时钟方案对网络延迟进行了及时修正,即Sync报文每经过一个交换机节点,上一节点至交换机的链路延迟和交换机延迟都会被写入Sync报文的修正域中。从时钟获得Sync报文时,相应的网络延迟已测量完成。而E2E透明时钟方案中,Sync报文的修正域内只测量了交换机延迟,从时钟在接收到Sync报文后,与主时钟交互Delay_Req报文和Delay_Resp报文来测量整个链路延迟。因此,E2E透明时钟方案一次时钟同步所需的时间要大于P2P透明时钟方案,其同步精度也低于P2P透明时钟方案。
3 实验分析
3.1 实验系统
基于上述理论分析,本文研制了基于IEEE1588v2的交换机透明时钟原型机,并对P2P和E2E这2种透明时钟的性能进行了实验比较。实验系统如图6所示,主要由IEEE 1588主时钟、从时钟、交换机透明时钟、网络报文发生器和时钟测试仪组成。时钟测试仪主要检测、统计主从时钟之间的偏差,而网络报文发生器主要用于产生各种网络背景流量,以检验不同网络状态下的时钟同步性能。
3.2 实验结果与分析
首先在无背景流量的情况下,比较P2P与E2E透明时钟方案的同步精度,测试时间长度为1 800s,其结果如表1所示。由表中数据可知,P2P方式的平均偏差为19.96ns,而E2E透明时钟方案的平均偏差为38.26ns,P2P透明时钟方案的时钟同步精度要优于E2E透明时钟方案,与前文的理论分析结果一致。
不同背景流量下,采用P2P和E2E透明时钟方案的同步精度测试结果如表2所示,测试时间长度为70s。由表中数据可知,由于这2种透明时钟方案对交换机延迟和链路延迟进行了精确测量与修正,网络背景流量不会对网络时钟同步的精度产生影响。P2P和E2E透明时钟均能满足智能变电站的时钟同步精度要求,但P2P透明时钟方案的同步精度要略高于E2E透明时钟方案。
3.3 讨论
作为边界时钟的替代方案,透明时钟能有效地减小边界时钟因时钟逐级同步引起的累积误差。但由于P2P与E2E透明时钟方案在链路延迟测量方法上不同,P2P透明时钟会将Delay_Req报文和Delay_Resp报文视为普通网络报文,而E2E透明时钟也将Pdelay_Req报文和Pdelay_Resp报文视为普通网络报文,导致时钟同步系统无法正常工作,因此,这2种方案不宜混合使用。
网络时钟同步将传统的点对点电缆对时过程转变成看不见、摸不着的网络通信过程,时钟同步信息通过网络与常规信息共同传输,能引起较大同步误差的因素也较多。此外,IEEE 1588标准利用最佳主时钟算法选择同步系统中的主时钟,其他时钟均以主时钟为参考进行同步。当主时钟失效,同步系统可以根据最佳主时钟再次选择出主时钟,使得同步系统继续正常工作,提高了同步系统的可靠性,但也增加了系统的灵活性。鉴于时钟同步在未来智能变电站中的重要作用,有必要建立相应的时钟同步在线监视系统,使运行人员及时掌握时钟同步系统的运行状态,并为故障诊断、事故分析和制定时钟同步系统检修计划提供科学依据。
4 结论
1)P2P透明时钟和E2E透明时钟均能满足智能变电站时钟同步精度小于1μs的要求。同等条件下,P2P透明时钟在同步精度、对网络拓扑变化的适应能力和主时钟负载等方面均要优于E2E透明时钟。因此,建议智能变电站中统一采用P2P透明时钟。
2)鉴于时钟同步系统在未来智能变电站中的重要性,建议建立智能变电站时钟同步在线监视和管理系统,其功能应包括时钟自守时精度监视、时钟状态监视、时钟同步精度误差分析等。
时钟同步系统 第6篇
随着科技的高速发展，人们对时间的要求越来越苛刻，许多场合已经不再局限分、秒这样比较粗略的要求了，很多时候还要精确到毫秒、微秒甚至纳秒。比如电网故障分析就要求各装置的时间信息精确到毫秒，而相位的要求为微秒，行波测距与行波保护也要求为微秒级。还有就是物联网，物联网是继计算机、互联网、移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。我国已将物联网纳入国家“十二五”规划，其应用范围几乎覆盖了每行每业。物联网的一个重要技术支撑是时间同步技术。目前，国内外时钟主要采用单片机或GPS等制作。单片机制作的时钟大多采用内部计数中断定时或者时钟芯片这两种方式计时。GPS时钟是利用GPS卫星接收器接收的时间信号，经单片机接收处理后进行自动校时的数显时钟。单片机制作的时钟往往自身精度并不高，而GPS时钟价格昂贵不适宜在工业上推广，因此迫切需要研发一款性价比高、易推广的高精度实时时钟的系统。为此，我们设计了一款基于单片机的实时时钟同步系统，对于工业推广具有重要意义。
1 同步实时时钟系统
卫星授时是目前最广泛的授时技术之一，主要是通过GPS系统接收卫星的时间信号。授时特点是精度高，但是成本较高不适合推广使用。单片机作为常见的控制器之一，一直以其较低的价格、稳定的性能、准确的控制在控制领域里占有十分重要的地位。因此，工业上采用单片机及其外围器件制作电子钟，但往往时钟精度达不到工业上要求。为了研究出一款精度高、经济型适合在工业上广泛推广的实时时钟系统，我们采用ARM高速处理器采集GPS时间信息作为时钟源，发送给单片机作为控制器的普通时钟模块，使之与时钟源同步，从而达到高精度。这样，本款研究的实时时钟系统，精度高又经济，适合在工业上推广。
实时时钟系统如图一所示。本实时时钟系统的设计中，是高精度时钟模块是采用提取GPS高精度时间信息作为时钟源，多个时钟模块是自身精度并不高的多个普通时钟模块，采用无线数据传输，普通时钟模块与高精度的时钟模块构成实时系统后，经过学习，可以跟随高精度的时钟模块日精度，从而使自身精度提高。
2 硬件设计
GPS模块接收卫星发送的信号，采用LPC2131ARM7微控制器提取GPS接收到的高精度时间信息;然后用无线模块发送到下面部分的采用单片机处理的下位电子钟，下位电子钟接收到高精度时间信息后冻结与自身时间比较，根据误差计算并修改自身时间常数使之按精准的走时;最终与时钟源精度达到一致，组成实时时钟同步系统。
2.1 时钟源部分时钟模块设计
GPS提取时间信息结构如图二所示，由GPS模块、微控制器单元、无线发射模块和显示模块四部分组成。GPS模块接收到卫星发送的信号，然后微控制器提取GPS传送数据包中的时间信号，采用1602液晶显示出时间，并将处理后的时间数据通过无线发射模块发送给普通时钟模块。
本设计采用的GPS模块的工作模式是，电源通电即从其TXA脚上以TTL电平输出NMEA格式的数据包(刚启动和没有信号的情况下数据包是无效的)，因此使用时只需要给GPS提供5V供电并将GPS的TXA引脚接到单片机的RXD上就行，而GPS的RXA(RXD)引脚在这里用不上。GPS接收主要用于接收GPS模块发送的串行数据，
本设计采用的XL02-232 AP1无线收发模块是半双工、UART模式的，它工作在428.5435.1兆赫兹之间。该模块专为用于各种串口之间的无线通讯，如电脑、单片机、各种机器设备串口等，可以将原来的有线连接上升为无线连接，不必进行另外的编程，对有线的串口通信协议完全兼容，使用起来也很灵活。
2.2 普通时钟模块的设计
普通时钟模块的结构如图三所示。采用单片机作为控制器，当某个时刻(一般为准点)高精度时钟模块广播报时，普通时钟模块通过无线模块接收上位时钟发送的精准时间;然后冻结时间，计算出自身误差，并调整定时初值，使得晶振频率按精确值计算;最后达到与时钟源同步，精度能达到时钟源的精度。
3 软件设计
软件设计主要分为以下两部分。
3.1 提取GPS时间信息部分软件设计
采用LPC2131提取GPS的数据，我们只需提取时间信息，所以设计代码时只解析GPS接收数据包中$GPGGA。
GPS接收主要用于接收GPS模块发送的串行数据，这个程序在串行中断里完成。GPS模块的通信波特率为9600，一个起始位，8个数据位，一个停止位，无奇偶校验。通常采用NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCALL码字符，其信号包括$GPGGA、$GPRMC等。为了提取高精度的时间信息，我们用LPC2131微控制器只提取$GPGGA，数据格式为：$信息类型，x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x。每行开头的字符都是$’，接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。一行完整的数据如下：
其中，<1>为UTC时间，时间格式为hhmmss.sss。
程序流程如图四所示。
3.2 普通时钟模块软件设计
各时钟模块接收LPC2131提取的解析后发送的准确时间数据。采用单片机的各时钟模块处理接收上位机发送的时间数据，然后进行上位机准确的时间运行，并将数据存储到DS1302时钟芯片中。
3.2.1 时间常数为小数的设计思想
取每次中断时间即定时器T0工作方式2时从初值a加1计数到溢出的时间T为250us，若晶振频率f为11.0592MHz，则计算出a=25.6，因为定时器只能装整数，所以我们作下面分析：如果a=26，则26-25.6=+0.4;如果a=25，则25-26=-0.6;那么以25.6为时间常数中断40次便是10ms，试想前16次中断使用a=26，误差为16*(-0.6)=-9.6，后24次中断用a=26，误差是24*0.4=+9.6，因此中断40次后误差就不存在了。这就是采用时间常数为小数的思想。
3.2.2 根据时钟源的精准时间推算自身正确的时间常数
处理器在收到参考源的时间信息(tx)后与时钟当前的时间信息(ty)比较，其误差量et经相应的控制算法后表现为a的值发生变化，从而适应频率的变化，进而保持时基的稳定。下面对控制算法作分析：定义单位时间分频器的灵敏度Kf。
Kf=时间的变化/时间常数的变化/Δa
假设采样周期取一小时，时钟源当前时刻tx_NT(单位秒)，输出时钟当前时刻ty_NT(单位秒)，则误差et_NT=tx_NT-ty_NT(单位秒/小时)。时间的变化Δty=t2-t1，时间常数的变化Δa=a2-a1。若a1=25.6，一次中断时间Td1=0.25ms，整点报时取ty1=3600.0s;改变后的a2=25.601，则Td2=(256-25.601)12/11.0592=0.24999891493055ms。
一次中断误差为0.25-0.24999891493055=0.00000108506945ms，一小时中断14400000次，则一小时走时误差为0.015625秒。
单位时间分频器的灵敏度Kf=Δty/Δa=0.015625/0.001=15.625s。
若a2=25.599，则Td2=(256-25.601)12/11.0592=0.25000108506944ms，单位时间分频器的灵敏度Kf=Δty/Δa=0.015625/0.001=15.625s。经过大量额分析可以看出是一个固定的常数，它不随α的变化而改变。
在单片机定时中断中，记中断总次数为timecount，表示定时常数中影响小数大小的中断次数为a_NT_dpoint，假设控制量为delta_a_NT(即a的改变量)，当前时间常数为a_NT，当前广播时刻为tx_NT(单位是时)，上次时间常数为a_NT_T，上次广播时刻为tx_NT_T，那么可以用如下迭代算法：
假设时钟源是准的，α变大走时快(a_kT就是)，实际走时如果快，则误差为负，比例系数Kp为正，则控制量delta_a_kT为负。因此当前时间常数会减小，则可以减慢实际走时，达到控制的目的。如果一小时快了0.015625秒，则大了0.001，则delta_a_NT=-0.001，这时误差为-0.015625秒。
在上面的分析中，T的单位是小时，et_kT的单位是1。当模型和算法清晰后根据上面的算法就可以修改时间常数，然后编程验证了。
程序流程如图五所示。
4 结束语
本文重点介绍了实时时钟的同步的硬件设计和软件设计流程。采用运算速度更快的ARM微控制器处理GPS接收的时间信息，使得时钟源更准确;各时钟模块采用单片机处理，方便而且更经济。时钟模块通过接收时钟源，然后采用合理的算法，使得自身精度与时钟源同步。
参考文献
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时钟同步系统 第7篇
appraisement
industry
point
时钟同步是分布式网络测试与控制系统中的一项重要指标, 精确时间同步也是测控系统网络通信的核心技术之一。论文详细阐述了IEEE1588协议时钟同步的基本原理, 分析得出其同步精度受到时间标记的精度和传输延迟抖动的影响。为了提高时间同步精度, 论文提出了一种自回归时钟漂移模型, 利用卡尔曼滤波器对主从时钟的时钟偏差、时钟漂移进行估计, 从而对从时钟进行补偿。仿真结果表明, 该方法可以有效地降低时间标记精度对时间同步的影响, 提高了测控系统的时间同步精度。
引言
随着科学技术的不断发展, 通过网络化互联在一起的分布式的测控系统越来越普遍的应用于各行各业之中。保持各终端系统之间时间上的同步, 是保证各系统协同工作, 处理数据正确和信息传输可靠的重要前提, 时间同步的精度也是分布式网络测控系统的重要指标。如何提高时间同步的精度, 已经成为分布式网络系统研究工作者的热门问题。
目前在数据包交换网络中, 广泛使用的网络时钟同步NTP (Network Time Protocol) 可以达到毫秒级的时间精度, 主要用于网络计算机的时间同步, 其精度远远不能满足测控设备仪器对同步时间的要求。针对工业以太网的要求, 2002年发布了IEEE1588精确时钟协议PTP (Precision Time synchronization protocol) 。PTP协议利用以太网以及其他支持多播技术的网路使终端设备同步, 其精度可以达到亚微秒级。PTP协议还可以通过硬件的支持, 实现更高精度的时间同步。然而硬件的添加对于高兼容性的以太网网络系统而言, 制约了IEEE1588网络的发展与应用。
针对PTP的特点, 李学桥、刘建成等引入不对称加权因子, 用一定时间窗内的主从时钟偏差样本的算术平均值来补偿从时钟, 大大降低了传输延时不对称对PTP时间同步精度的影响。叶玲等使用卡尔曼滤波器对无线传感器网路进行时间同步的研究。庄晓燕等利用二阶卡尔曼滤波器加速运动模型的时钟同步算法对PTP算法进行优化, 结果表明卡尔曼滤波器可以显著提高PTP时间同步精度。
本文试将PTP协议用于测控系统网络内, 主要探究标准PTP时间同步精度与授时系统时间戳的延迟抖动和误差之间的量级关系。通过matlab建模仿真, 建立PTP协议模型的观测方程, 并通过kalman滤波器对授时系统时间戳的时钟偏移量 (skew) 以及时钟偏移率进行估计, 消除时间偏移对授时系统的影响, 以提高PTP同步协议在测控系统网络的时间同步的性能。
IEEE1588同步原理
IEEE1588通过交换Sync、Follow_up、Delay_Req以及Delay_Resp共4种报文, 来确定主从设备时钟间的时间偏差及主从之间的网络延迟。具体的同步原理如下:首先, 主时钟节点Master端会向从时钟Slave端周期不间断的发送同步请求报文 (Sync消息) ;由于硬件的延时影响, 主设备必须再发送跟随报文 (Follow消息) , 其中包含Sync消息离开主设备时的时间标记t1。当从设备接受到请求报文后, 会记录下接受同步请求报文的时间标记t2, 当从设备接收到跟随报文时, 会将t1与t2同时打包生成延时请求报文 (Delay_req消息) 。利用同样的方法, 主时钟记录下了Delay_Req的离开时刻t3;并且主时钟获取了Delay_Req到达时间t4, 并将其一并打包通过延时响应报文 (Delay_Resp消息) , 将时间标记信息发给从设备。从设备通过时间标记t1, t2, t3, t4, 以及计算公式, 可以计算出主从设备间时钟的偏差以及网络的传输延时大小, 并调整自身的时钟, 直到与主设备时钟同步, 完成PTP时间同步。具体关系如图1所示。
考虑到主从时钟间的传输延时, 则主从时间偏差与t1, t2, t3, t4之间的关系可以由如下公式表示:
式中:dms表示主时钟到从时钟的延时;dsm表示从时钟到主时钟的时间延时;θ代表主从时间的偏差, n代表第n次时间同步。那么由公式 (1) , 可以求出主从时钟偏差:
在PTP时间同步协议中, 传输时延假定对等 (dms=dsm) , 因此通过t1, t2, t3, t4, 即可得到从时钟偏差值。
主从时钟传输延时则可以表示为:
从原理上可以看出PTP协议的时间同步精度, 主要受到时间标记精度以及时间同步传输延时对称性的影响。通常情况下, 当测控网络系统的数据量较小时, 所产生的延时是稳定的。但是考虑到分布式测控系统网络中, 通信量突发性增加、通信路径的选择以及无线传感器的引入等各种因素, 数据传输延时不会相等。
系统模型
系统模型的建立, 是通过空间模型完成的。空间模型是一种状态向量对动力学系统进行描述的模型, 此方法已经在自动控制、自适应滤波、状态估计及内推等领域得到了广泛的应用。论文对PTP时间同步以及时钟建立了状态空间模型。
时钟模型
测控系统中的本地时钟一般由晶体振荡器产生基准信号, 计数器计数完成时间的计算。因此, 晶振的精度以及计数器计数值的大小决定了本地时间的精度。考虑到实际情况, 完全获取晶振的特性难度极大, 而且在不同环境性下, 也会产生动态特性上的差异。因此需要对时钟进行建模, 通过测量值以及估计值同时对时钟模型进行修正, 提高时钟同步精度。
系统的时钟模型如下:
其中C (t) 代表带有误差的本地时钟, t称为精确时钟, 即在PTP时间同步中主节点时钟, θ0为初始时间偏差, 即初始从时钟时间偏差。由于实际时钟总是会存在一定的偏移, 那偏移率以d C (t) /dt来表示。
由上述关系可以得出从时间偏差以及时钟偏移率的表达式。
若本地时钟存在漂移时, 的取值将不为0, 随着时间的推移, 本地时钟的偏差量将会累积。通常物理时钟会受到温度等因素的影响, 存在时钟偏移率。由于, 温度相对时间属于慢变量, 因此假设在一个较小的时间段内认为α (t) 是恒定保持不变的。因此, 通过, 通过离散化处理, 连续时钟模型 (5) 离散化为时间域上的状态方程。
式中τ[i]表示每次统计的时间间隔, ψθ[n]表示从0时刻至第n时刻时钟偏移误差wθ[i]的累积。将式 (7) 改写成为递推的形式。
根据Hamilton等人的论证, 时钟偏移率的状态, 可以近似用一个AR过程来代替。于是α的递推关系可以表示如下:
式中τ[n]为时间同步周期, 论文选择固定时间周期T。p属于一个接近1的数。wθ是时钟偏移抖动, wα为时钟偏移率抖动, 论文认为其具有独立性, 且均为均值为0的白噪声, 其方差用σθ2和σα2来表示。
观测系统
状态空间建模的另一个核心是观测方程的建模。由PTP时间同步的原理, 可以得出时间偏差的观测方程 (2) 。假设传输延时的不对称抖动满足正态分布时, 时钟偏差观测量θM:
式中vθ表示偏移量的观测噪声, 其方差用σ2θM表示, 主要由3个方面组成主时钟时间标记误差, 从时钟时间标记误差, 以及传输抖动误差σd2。可以用下述公式表示:
系统的偏移率观测方程为:
vαM为系统偏移率观测噪声。其方差为:
由公式 (11) 可知, 时钟偏移观测量与时钟偏移率观测量是相关的, 其协方差为:
卡尔曼滤波模型
使用PTP协议, 计算得到的时钟偏移以及时钟偏移率可以直接用于用于时间的同步。但如果考虑到在实际应用中测量噪声即网络延时的不确定性的影响, 为了提高PTP协议的精度, 则必须对观测量进行滤波处理。论文以时间偏移以及偏移率为状态变量利用卡尔曼滤波技术对状态量进行滤波处理从而达到提高时间同步精度的目的。
系统的状态空间模型可以表示为:
式中状态向量;而观测向量。假设观测量为计算值本身, 由式 (7) 与式 (8) , 可知:
再由式 (15) 可知, 过程噪声表示为;观测噪声表示为。其均满足正态分别满足N (0, Q) 和N (0, R) , 其中:
卡尔曼滤波迭代过程:
仿真研究与结果分析
为了验证本文提出的卡尔曼滤波的时钟同步算法, 在MATLAB软件实现了PTP协议的主从节点之间的时钟同步。分析主从时钟之间, 时钟偏移和时钟偏移率估计误差平均值和标准差的变化趋势。
选取仿真所用的参数如表1实验仿真参数表所示。
为了使仿真实验更加接近于真实情况, 观测噪声σθ2M选取的范围为[10-8, 10-4]。当观测噪声较小时对应的基于硬件的时间标记和较小的传输不对称性;当观测噪声较大时对应的基于软件的时间标记和较大的时间不对称性。仿真结果如图2和图3所示。
由图2可知, 随着观测噪声σθM2的增加, 时钟偏移估计误差均值在包含卡尔曼滤波器以及未包含卡尔曼滤波器的2种算法模式下均呈现出上升趋势, 但包含卡尔曼滤波器的IEEE1588时间同步算法的均值明显小于未包含卡尔曼滤波器的时间同步算法。在观测噪声σθM2很小时, 时钟偏移估计误差均值差别不显著, 一旦时间标记的不确定性即中从设备间的网络延时以及噪声增大, 基于卡尔曼滤波器IEEE1588时间同步算法的优势则十分显著。
由图3, 可以得到类似的结论。随着观测噪声σθM2的增加, 时钟偏移率估计误差均值在2种算法模式下均呈现增加趋势, 但基于卡尔曼滤波器的IEEE1588时间同步算法的均值明显小于传统IEEE1588时间同步算法。
结语
时钟同步系统 第8篇
关键词：GPS,时钟同步,自动转报系统
1 原理部分
1.1 GPS时钟
GPS时钟是基于新型GPS高精度定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式, 从而完成同步授时服务。GPS时钟主要分为两类;一类是GPS授时仪, 主要输出时标信息;包括1PPS及TOD信息;另外一类是GPS同步时钟, 后者输出利用卫星信号驯服OCXO或者铷钟得到的高稳定频率信息, 以及本地恢复的更平稳的时标信号。
1.2 NTP原理
Network Time Protocol (NTP) 是用来使计算机时间同步化的一种协议, 它可以使计算机对其服务器或时钟源 (如石英钟, GPS等等) 做同步化, 它可以提供高精准度的时间校正 (LAN上与标准间差小于1ms, WAN上几十毫秒) , 且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。NTP协议已经广泛应用于internet, 使用标准的服务器/客户端工作模式, 安装了NTP网络时间服务器, 向其客户端提供时间服务基准。
1.3 时间标准
民航系统自1985年11月21日北京时间08:01分起, 中国民用航空总局开始使用世界协调时UTC时间, 世界协调时UTC是目前时间民航组织统一使用的标准时间基准。
1.4 时钟同步
时钟同步也叫“对钟”。要把分布在各地的时钟对准 (同步起来) , 最直观的方法就是搬钟, 可用一个标准钟作搬钟.使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与系统的标准时钟对准, 然后使系统中的其他时针与搬钟比对, 实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。
2 现状分析
(1) 民航温州空中交通管理站使用的自动转报系统有两套, 北京航管科技64路自动转报系统和青岛蓝波32路自动转报系统, 都没有时间同步模块, 航管科技使用的是SCO UNIX系统, 蓝波系统使用的是windows2000系统, 它们都使用服务器自身的晶振时钟作为标准时间, 误差较大。尤其是航管科技系统, 使用惠普ML570 G3服务器, 经过一段时间运行, 每天误差积累, 时间会变慢。民航自动转报需要在每天UTC零时对系统数据清零, 这对系统路和终端路的时间匹配提出了较高的要求, 如果时间差异较大, 会出现系统路和终端路时间不匹配, 一端经清零, 另一端还是昨天的时间, 产生电报日期错误, 软件警告干线流水号出错, 干扰转报系统的正常运行, 对电报的查询、运行极为不利。
(2) 平时日常检查中, 如发现时间有误差, 应及时修改, 为保证工作正常, 经常需人工干预修改, 因为转报的时间连续性和特殊性, 轻易修改时间, 轻者引起电报收发时间错误, 重者引起丢报和电报覆盖, 极易引起电报的混乱和系统瘫痪, 经排查, 是一个潜在的风险源。
(3) 民航系统对安全的高度重视, 视安全为根本, 尤其是在作为信息源的转报系统, 失之毫厘差以千里, 不允许出现误差。因此对时间同步的改造极为迫切, 更具有重要现实的意义。
3 解决方案
(1) 为实现GPS时钟同步, 曾经考虑多种方案, 最初是考虑向自动转报生产厂商购买一套GPS时钟同步软件 (约三万多元) , 省时省力, 安全可靠, 简单易行。但考虑到温州空管站目前已经有一套时钟源, 在雷达终端室, 本着“以心事业”的理念, 在参阅了大量的有关GPS的文献后, 准备做技术改造, 一方面, 通过技术改造, 可以增强对航管科技转报系统和SCO UXIX系统的了解, 对自身的能力也是一种学习和锻炼的机会, 争取在本岗位做到最好, 就是对自己的价值一种体现。另一方面, 还可以为单位节省购置购买转报GPS时钟模块的数以万计经费。
(2) 自动转报室和雷达终端室相隔一层楼, 距离较远, 只能提供提供NTP网络时钟服务。而且雷达终端GPS时钟源的IP网段和航管科技转报系统的网段不一样, 根本无法PING通。
要使用网络NTP, 首先得解决网段不一致问题, 一种是使用串口转IP, 使用类似康海的串口转换器NC601等, 优点是方便、干扰少, 可以直接使用同网段, 缺点是必须使用串口, 但雷达终端室并无串口多余, 无法实现而放弃。
(3) 另一种是直接使用TCP/IP协议的网络, 把雷达时钟源引接到交换机上, 通过网段转换而实现时钟同步。硬件上只用增加一台交换机就可以实现。缺点是必须要经过网段转换。
(4) 我们考虑再三, 考虑使用第二种方案, 用网段转换。考虑到同步中产生的风险, 尽量利用电报少的时段, 每天同步一次。
4 实施步骤
(1) SCO UNIX 5.07系统本身已经安装了NTP协议, 我们设置两台转报服务器都为客户端, 主备机的地址都是:100.100.100.*.时钟服务器端是雷达终端GPS源。时钟服务器的IP是:192.168.0.*。因此需要网段转换。
(2) HP ML570 G5服务器有两个网卡, 航管科技自动转报机只使用了一块网卡, (曾经尝试用不同IP地址绑定同一个网卡, 因为系统不支持和应用层冲突, 失败告终。) 另一块空置。我们就利用服务器空置的网卡, 首先配置和GPS时钟源一致的网段IP。配好后, 应该能PING通时钟源的网关和NTP服务器IP。
(3) 航管科技系统是双机热备系统, 两套主机, 之间有串口心跳线相联, 主备机通过串口对另一台设备进行相互监控, 当主机出现问题后, 备机主动接管。主备机的数据同步主要是经过串口线进行的;经过对系统的深入了解, 慢慢理解了系统的运作方式, 主备机都通过连接交换机, 连接智能异步终端。主机到终端采用TCP协议, 终端到主机, 采用UDP协议。
为了减少影响, 我们选择在先备用机上安装客户端。经手动同步, 能修改时间, 但是马上就会跳回来。另外在航管科技系统的超级终端上, 有对系统时间修改的入口, 是不是这个原因引起的?我们无法对厂方的软件进行逆向破解.因此不得而知.这个问题困扰我们好久。
(4) 后来随着对系统的深入了解.发现系统主要是以主机的时间为准, 备机的时间跟随着主机的时间而同步。这样就解决了系统的时间标准问题, 因此, 只能直接在主用机上校时才有效。只有对系统的主机进行时间修改, 然后固化到bios就可以了。
(5) 其次, 定时修改的问题。针对自动转报的所需精度, 为减少系统开销, 我们希望能在每天电报比较少的时段, 每天进行一次时间校准就可以满足要求了, 这样对系统的影响最小。因此, 我们首先考虑用定时处理cron, 把程序直接在cron里运行.然后通过查看系统mail就可以了解每天的同步运行情况了。
(6) 我们通过软件分析每天报量的高峰和低谷, 发现每天国际时19:00左右报量最少, 确定的最佳的时间调整窗口是应该是19时。使用crontab-e指令, 修改cron, 添加运行程序, 设置每天的国际时19:00, 两套系统同时对系统进行校时。
5 校时结果和系统表现
经过一段时间的试运行, 系统运行正常, 经过查看系统的运行记录, 一切正常, 用root权限查看mail, 发现经过每天的校时, 每天都有不同的误差, 下面表格是近段时间的误差表 (如表1) 。
现在温州自动转报室的GPS时钟同步正式上线运行, 经过一段时间的运行, 基本可靠, 对应用系统无干扰和影响, 每天能够定时校准时间, 基本已经实现原先设想。
6 存在的问题
时钟同步系统范文
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