多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法

摘要

本发明公开了多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法，本发明属于互联网通信领域，涉及毫秒时钟同步算法技术，用于解决多路4k拼接系统内NTP毫秒时钟同步的问题；本发明低成本优势：本发明使用价格低廉的NTP时钟服务器，一台时钟服务器可作为多个采集板的对时时钟源，有效的节约了直流电网同步采集实施的成本；高对时精度：本发明实现的对时精度已经远远超过传统的秒脉冲配合NTP报文网络对时方式；灵活的脉冲输出，无需外扩电路，节约系统设计，实施成本：系统在对时完成后能够输出与绝对时间重合的连续脉冲，供给电量采集模块作为同步采集信号。

说明书

技术领域

本发明属于互联网通信领域，涉及毫秒时钟同步算法技术，具体是多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法。

背景技术

在互联网上，一般的计算机和互联设备在时间稳定度方面的设计上没有明确的指标要求。这些设备的时钟振荡器工作在不被校对的自由振荡的状况下。由于稳定变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试的原因，时钟的振荡频率和便准频率之间存在一些误差。这些误差初看起来微不足道，但是在长期的积累后却会产生相当大的影响。假设一台设备采用了精确度相当高的时钟，设其精确度为0.001％，那么它在一秒中产生的误差只有10微妙，一天产生的时钟偏差接近1秒，而运行一年后则误差将大于5分钟。在互联网上进行时间同步具有重要意义。在很多应用领域，时间都是一个非常重要的考虑因素。随着互联网发展延伸到社会的各个方面，在网络的其他领域对时间同步也提出了多种要求，例如各种实时的网上交易、制造过程控制、通信网络的时间配置、分布式的网络计算和处理等等应用，都需要精确、可靠和公认的时间。NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)，它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间，具体的实现方案是在网络上制定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够互相比对，提高准确度。PTP(Precision TimeProtocol，精确时间同步协议)则是IEEE1588定义的一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议。PTP协议集成了网络通信、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通信的分布式系统，特别适用于以太网，但不局限于以太网。该协议能够将异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，并且能够达到亚微秒级的同步精度，而只需占用少量的网络和本地计算资源。

发明内容

本发明的目的在于提供多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法，用于解决多路4k拼接系统内NTP毫秒时钟同步的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法，包括冗余模块、传输模块、以太网对时模块以及石英晶体振荡器补偿模块；

所述以太网对时模块用于接收以太网时间，并将以太网时间通过传输模块传输至多路4k拼接系统内；

所述多路4k拼接系统内设有石英晶体振荡器补偿模块，所述石英晶体振荡器补偿模块用于在前后两次接收以太网时间间隙内，为多路4k拼接系统提供计时，具体步骤为：

步骤一:接收以太网时间，并将石英晶体振荡器补偿模块的时间重置为接收以太网时间；

步骤二：重置后根据公式

步骤三：将时钟频率偏差α代入公式tcn＝α×tsn，得到NTP时间tcn；

步骤四：将NTP时间tcn通过传输模块传输至冗余模块进行备份，并同时将NTP时间tcn传输至多路4k拼接系统内；

步骤五：重新接收以太网时间，重复步骤一至四。

进一步地，所述实际频率与标称频率偏差率值具体为，获取石英晶体振荡器的实际频率D1,获取石英晶体振荡器的标称频率D2，通过公式D2-D1×[(φ×k)+(ν×wd)]得出实际频率与标称频率偏差率值TC。

进一步地，所述当前温度通过温度传感器采集；所述电压系数φ通过公式φ＝I

进一步地，所述接收以太网时间具体为，与以太网对时装置进行数据连接，所述以太网对时装置包括时间处理模块CPU，时间处理模块CPU通过BUS总线与时钟处理FPGA相接、通过串口与GPS接收模块相接、通过对时信号与IEEE1588地面同步网模块相接，所述IEEE1588地面同步网模块包括IXP425处理器和IEEE1588FPGA接口，低温漂移晶振作为晶振源接入FPGA锁相环，时钟处理FPGA、IEEE1588地面同步网模块和时间处理模块CPU设置有对时信号输出接口，所述时间处理模块CPU为32位ARM9处理器，所述ARM9处理器包括：

时间基准源判别模块：判别时间基准源，得到基准时间，在失星的情况下进入晶振守时状态，当守时出现较大偏差后，自动切换到IEEE1588工作模式；

信号处理模块：处理各种串口对时通信报文和各种接口方式的脉冲对时信号的输出；

所述的IEEE1588FPGA接口包括以下功能模块：

时钟类判别模块：根据GPS时间质量判断，时间质量越高，时钟类越高；若时钟设备时钟类选择固定时钟类，则时钟设备时钟类为固定值，不会随着GPS时间质量而变化；根据最佳时钟算法选择各IEEE1588端口的最佳时钟类；

最佳主时钟判别模块：用于将时钟设备时钟类与各IEEE1588端口的最佳时钟类进行比较，若时钟设备时钟类优则时钟设备选择主时钟模式，否则时钟设备为从时钟模式；

调整时钟模块：根据网络延迟和偏差计算，不断调整本地时钟时间，使之与主时钟时间同步为止，若为主时钟模式，则不调整本地时钟；

发送IEEE1588地面同步网模块对时脉冲模块：时钟设备处于从时钟模式，并且本地时钟调整完毕，向时间处理模块CPU发送对时脉冲信号，此时若时间处理模块CPU判断IEEE1588地面同步网模块对时信号质量优于自身时间质量则切换至IEEE1588模式，若时钟设备处于主时钟模式则不发送对时脉冲；

所述ARM9处理器还设置有远程配置软件，远程监视对时装置的运行状态、功能定制、参数修改。

进一步地，所述的低温漂移晶振是精度为0.05PPM的低温漂守时晶振。

进一步地，所述时钟处理FPGA与信号扩展板相连，完成各种普通对时扩展信号与时间处理模块CPU之间的接口。

进一步地，所述的IXP425处理器包括时钟偏移处理模块，根据网络的结构采用IEEE1588V2时间跟踪算法，计算IEEE1588网络延迟测量和时钟偏移测量；

滤波模块，用于将网络延迟测量和时钟偏移测量的数据滤波得到相对精确的值。

进一步地，所述对时信号输出接口包括PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口，支持秒分时脉冲、串口报文、NTP协议、IRIG-B码、DCF77、IEEE1588时间信号输出。

进一步地，所述的PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口满足TTL、24V、差分485及无源空节点四种类型，所有输出信号均由光耦隔离，其中差分485信号不仅光耦隔离，而且通道之间通过DC-DC隔离，隔离耐压大于2500V。

进一步地，所述IRIG-B脉冲信号电平接口具有多模ST光纤同步接口，可通过光纤为扩展时钟装置提供时间基准源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、低成本优势：本发明使用价格低廉的NTP时钟服务器，一台时钟服务器可作为多个采集板的对时时钟源，有效的节约了直流电网同步采集实施的成本。

2、高对时精度：本发明实现的对时精度已经远远超过传统的秒脉冲配合NTP报文网络对时方式。

3、灵活的脉冲输出，无需外扩电路，节约系统设计，实施成本：系统在对时完成后能够输出与绝对时间重合的连续脉冲，供给电量采集模块作为同步采集信号。该脉冲的占空比，周期，启停时间完全由软件实现，硬件电路无需做任何修改就能根据实际应用提供相应的脉冲群，大大节约了直流电网电量同步采集系统的实现难度及系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明原理框图；

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，在下述附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

如图1所示，多路4k拼接系统NTP毫秒时钟同步算法，包括冗余模块、传输模块、以太网对时模块以及石英晶体振荡器补偿模块；

以太网对时模块用于接收以太网时间，并将以太网时间通过传输模块传输至多路4k拼接系统内；

多路4k拼接系统内设有石英晶体振荡器补偿模块，石英晶体振荡器补偿模块用于在前后两次接收以太网时间间隙内，为多路4k拼接系统提供计时，具体步骤为：

步骤一:接收以太网时间，并将石英晶体振荡器补偿模块的时间重置为接收以太网时间；

步骤二：重置后根据公式

实际频率与标称频率偏差率值具体为，获取石英晶体振荡器的实际频率D1,获取石英晶体振荡器的标称频率D2，通过公式|D2-D1|×[(φ×k)+(ν×wd)]得出实际频率与标称频率偏差率值TC；

当前温度通过温度传感器采集；电压系数φ通过公式φ＝I

步骤三：将时钟频率偏差α代入公式tcn＝α×tsn，得到NTP时间tcn；

步骤四：将NTP时间tcn通过传输模块传输至冗余模块进行备份，并同时将NTP时间tcn传输至多路4k拼接系统内；

步骤五：重新接收以太网时间，重复步骤一至四。

接收以太网时间具体为，与以太网对时装置进行数据连接，以太网对时装置包括时间处理模块CPU，时间处理模块CPU通过BUS总线与时钟处理FPGA相接、通过串口与GPS接收模块相接、通过对时信号与IEEE1588地面同步网模块相接，IEEE1588地面同步网模块包括IXP425处理器和IEEE1588FPGA接口，低温漂移晶振作为晶振源接入FPGA锁相环，时钟处理FPGA、IEEE1588地面同步网模块和时间处理模块CPU设置有对时信号输出接口，时间处理模块CPU为32位ARM9处理器，ARM9处理器包括：

时间基准源判别模块：判别时间基准源，得到基准时间，在失星的情况下进入晶振守时状态，当守时出现较大偏差后，自动切换到IEEE1588工作模式；

信号处理模块：处理各种串口对时通信报文和各种接口方式的脉冲对时信号的输出；

IEEE1588FPGA接口包括以下功能模块：

时钟类判别模块：根据GPS时间质量判断，时间质量越高，时钟类越高；若时钟设备时钟类选择固定时钟类，则时钟设备时钟类为固定值，不会随着GPS时间质量而变化；根据最佳时钟算法选择各IEEE1588端口的最佳时钟类；

最佳主时钟判别模块：用于将时钟设备时钟类与各IEEE1588端口的最佳时钟类进行比较，若时钟设备时钟类优则时钟设备选择主时钟模式，否则时钟设备为从时钟模式；

调整时钟模块：根据网络延迟和偏差计算，不断调整本地时钟时间，使之与主时钟时间同步为止，若为主时钟模式，则不调整本地时钟；

发送IEEE1588地面同步网模块对时脉冲模块：时钟设备处于从时钟模式，并且本地时钟调整完毕，向时间处理模块CPU发送对时脉冲信号，此时若时间处理模块CPU判断IEEE1588地面同步网模块对时信号质量优于自身时间质量则切换至IEEE1588模式，若时钟设备处于主时钟模式则不发送对时脉冲；

ARM9处理器还设置有远程配置软件，远程监视对时装置的运行状态、功能定制、参数修改。

低温漂移晶振是精度为0.05PPM的低温漂守时晶振。

时钟处理FPGA与信号扩展板相连，完成各种普通对时扩展信号与时间处理模块CPU之间的接口。

IXP425处理器包括时钟偏移处理模块，根据网络的结构采用IEEE1588V2时间跟踪算法，计算IEEE1588网络延迟测量和时钟偏移测量；

滤波模块，用于将网络延迟测量和时钟偏移测量的数据滤波得到相对精确的值。

对时信号输出接口包括PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口，支持秒分时脉冲、串口报文、NTP协议、IRIG-B码、DCF77、IEEE1588时间信号输出。

PS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口满足TTL、24V、差分485及无源空节点四种类型，所有输出信号均由光耦隔离，其中差分485信号不仅光耦隔离，而且通道之间通过DC-DC隔离，隔离耐压大于2500V。

IRIG-B脉冲信号电平接口具有多模ST光纤同步接口，可通过光纤为扩展时钟装置提供时间基准源。

本发明在具体实施时：

多路4k拼接系统先接收以太网时间，并将石英晶体振荡器补偿模块的时间重置为接收以太网时间，在接收完毕后根据公式

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式；所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方法的目的。

另对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附关联图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。