時間控制系統及算法范文

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摘要：很多應用領域都需要對時間進行精確控制，以達到多套處于不同位置系統同步工作為目的，這些系統可能相距幾十公里甚至更遠，卻要求在小于1微秒誤差的時間內同時工作。本文論述以GPS時間為基礎的多系統同步控制系統，其時間精度取決于GPS，一般誤差可控制在400ns以內，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，其上升沿與協調世界時（UTC）時間同步。論述UTC時間和本地時間概念，以及它們之間的轉換，對C++時間函數庫進行了分析，給出了一個高效的UTC時間和本地時間之間的轉換算法。并分析了接收GPS信號可能出現的問題，以及解決辦法。完成了軟件設計和硬件電路的設計和制作，并通過試驗，對系統的誤差分析、抗干擾性能、控制速度、控制精度和上、下位機之間的交互進行了綜合和優化。

關鍵詞：GPS；UTC和本地時間；C++時間函數庫；時間同步；校時

1緒論

1.1系統需求

本系統主要應用于需要在同一時間同步數據采集的應用，要求對時間進行精確控制，并且全自動無人值守，這些系統可能相距幾十公里甚至更遠。GPS接收器每秒接收一次衛星信號，解碼后能夠把本身時鐘與衛星時鐘校準，計算出所處位置經度、緯度和高度，補償衛星與接收器之間的傳輸延時，輸出與世界協調時(UTC)誤差為1μs的秒脈沖信號；本系統通過串口接收來自GPS接收器輸出的國際標準日期時間信息，通過硬件設備接收秒脈沖信號。

1.2日期和時間的概念

關于“日期”和“時間”的概念，主要有以下幾個：世界協調時（UTC），又稱為世界標準時間。中國內地的時間與UTC的時差為+8，就是UTC+8。日歷時間：用“從一個標準時間點到此時的時間經過的秒數”來表示的時間。這個標準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”。目前多數計算機系統內核提供的基本時間是自1970年1月1日00:00:00以來國際標準時間所經過的秒數累計值，在C或C++語言中這種秒數是以time_t這種數據類型來表示的。

2系統實現

2.1時間控制系統原理

統一系統的時鐘后，就能實現多套系統輸入信號的控制或采樣同步。本系統采用脈沖同步方式工作：系統采用高穩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采樣控制脈沖時間誤差在1個微秒以內。GPS時鐘作為系統基準時鐘源,它僅為各個獨立系統提供同步信號而不能代替各自系統中的時鐘，所以各個系統都應有自己的獨立時鐘,在沒有GPS時鐘同步信號時,系統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的時間精度。

2.2時間控制系統組成

同樣的設備可能有多套，每套都是完全獨立的。本控制系統計算機采用軍用級嵌入式計算機，操作系統采用嵌入式實時操作系統，具有極高的可靠性，工作環境-40℃到+70℃。

2.3系統工作流程

為了提高多套系統的同步精度，本控制系統同時采用脈沖同步和串行同步方式進行時間同步，GPS的串口和控制計算機的串口相連，1PPS信號接到控制計算機板的一個FPGA芯片輸入口上，FPGA電路使用一高精度晶振作為時鐘，分頻后和1PPS信號實現脈沖同步，年月日時分秒的數據由控制計算機串口從GPS接收機獲取，同時發給EPLD電路作為秒級以上的時間比對。用戶預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定好，然后伺服系統轉動天線到指定位置，監控系統等待GPS定位成功（收到4顆衛星信號），GPS定位成功后系統用收到的GPS時間對控制計算機時鐘進行一次校時，然后監控軟件循環并用GPS時間比較設定的采集時間，記錄儀設備處于等待數據狀態，當采集時間到達前3秒，通知FPGA電路啟動脈沖同步方式，最后的采集脈沖由FPGA電路發出，記錄儀設備開始記錄數據，記錄結束后關閉整個系統電源節約電力。

2.4時間轉換算法

在講述UTC和本地時間之間的轉換前，我們需要了解幾個概念。在標準C/C++中，我們可通過tm結構來獲得日期和時間。

3總結

3.1干擾分析及解決辦法

本系統具有很高的可靠性，可在極其惡劣的環境下使用，系統設計時已經考慮到可能遇到的干擾問題，并提出了解決方案。由于本系統是以接收GPS時間信號為基礎的同步采集系統，所以對時間的精度要求很高，因此我們購買了1PPS精度達到200ns的GPS接收機，配合計算機主板上的40MHz高穩定晶振，完全滿足用戶的同步時間精度誤差小于2μs的要求。實際使用中出現最多的問題就是GPS接收機所處位置電磁環境不佳，比如說周圍有大功率電臺、發射天線等，它們可造成GPS接收機接收不到信號或信號不穩定，從而影響系統的時間同步，這個問題采用脈沖同步方式即可有效解決。

3.2結束語

本文論述以GPS時間為基礎的多系統同步控制系統組成、UTC轉換算法、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與本地時間轉換算法的提出，避免了在時間運算時出現的日歷時間問題（閏年閏月等），解決了在時間運算和比較方面的難題。

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作者：馮源 單位：中國電子科技集團第三十八所