ｔｏ ｃａｎ
ｔｈｉｓ ｓｉｇｎａｌ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｔＯ
ｃａｌｌ—
ａｃｈｉｅｖｅ ｔｉｍｅ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ
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ｏｆ ｃｌｏｃｋ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ
关键词：时间同步；时钟校准；分布式测试；ＧＰＳ授时；无线电 中图分类号：ＴＮ９６４．１文献标志码：Ａ 文章编号：１００８－１１９４（２００９）０５－００６９－－０４
Ｆｒｅｑ ｕｅｎｃｙ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ
ＣＨＥＮ
ｏｆ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｃｌｏｃｋ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
式对分布式测试系统进行时间同步及时钟校准的方法。该方法通过主站提取ＧＰＳ的时间信息和１ ＰＰｓ脉冲 并编码为授时命令，基站接收到授时命令后，立即解码产生时间同步信号，基站利用该信号对内部时钟进行频 率校准，使各基站的时钟达到高精度的时间同步；当校准触发信号有效时，进入时钟校准模式，时钟校准电路在 １６个１ ＰＰＳ脉冲内对晶体振荡器的频率进行精确测量，再根据时钟校准原理计算出晶振的偏差以及外部触发 事件发生时的校准时间。实验结果表明，时钟校准后，各基站之间事件同步触发误差均为微秒量级，系统可靠 性高、实时性好，可以广泛使用。
基金项目：重点实验室基金项闷资助（９１４０Ｃ１２０４０２０６０６０Ｃ１２）
作者简介：陈威（１９８３一）。男．湖南邵阡１人，硕士研究生，研究方向：无线通信与嵌入式系统研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２００７ｃｈｅｎｗｅｉ＠
１６３．ｃｏｒｎ。
万方数据
７０
探测与控制学报
种：一是将外部时间基准引入分布式系统的绝对时 间同步，二是仅在分布式系统内部使用算法实现同 步的相对时间同步［３］。目前，基于互联网时间同步 技术存在着同步精度低的问题［３．５３；基于无线传感器 网络的时间协议有着算法复杂、技术不够成熟等问 题［４潮；而基于授时中心的时间同步技术比较完善， 同步精度相当高，全天候且不受各种干扰影响［４’７］， 满足本系统的工作要求，但目前没有针对分布式存 储测试而开发的专用时间同步触发系统，无成熟的 设计可借鉴。 本文利用ＧＰＳ授时和无线电广播相结合的方 式解决了某系统中分布式测试基站之间的时间同步 要求。主站利用ＧＰＳ的１ ＰＰＳ脉冲信号每隔固定 时间（如１６ ｓ）以无线广播的方式向测试网络中的基 站发送时间同步命令和ＧＰＳ时间码信息，基站接收 并解码命令产生时间同步信号，并利用该信号对基 站内部时钟进行频率校准，可满足分布式测试系统 在恶劣环境下时间同步的要求，适合于对实时性强 和授时精度高的时间统一系统。
万方数据
陈威等：分布式测试系统同步时钟校准的频率测量方法
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７１
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时间同步触发电路结构图 １ ｉ ｔｒｉｇｅｒ ｃｉｒｕｉｔ Ｆ Ｔｉｍ ｓｙｎｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｃｔｕｒｅ ｄｉａｒａｍ
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ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｂｓｔｒａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ＧＰＳ ｔｉｍｅ ｍａｓｔｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ
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ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ
第３１卷第５期 ２００９年１０月
探测与控制学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｖ０１．３ｌ Ｎｏ．５ Ｏｃｕ ２００９
分布式测试系统同步时钟校准的频率测量方法
陈 威，张丕状
（中北大学电子测试技术国家重点实验室。山西太原０３００５１） 摘 要：针对传统的授时系统不适合分布式测试中时间同步的问题，提出了一种利用ＧＰＳ和无线电广播的方
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３
钟系统的校准方法及其原理
步系统中，频率基准的性能直接影响
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２时间同步触发系统工作原理
在本分布式系统中，时间同步触发系统主要由 两部分组成，即主站授时系统电路和基站时间同步 触发电路。主站节点授时系统电路主要为基站时间 同步触发电路提供同步脉冲触发信号，即同步清零 和校准清零脉冲。根据同步脉冲信号１ ＰＰＳ高精度 的特点，主站授时系统电路每隔１６个ｌ ＰＰＳ以无线 广播方式发送此刻的时间同步命令和时间码信息。 基站时间同步触发电路（图１）的核心包括事件 触发信号记录器［８］和时钟校准系统［９］（详见第３ 节）。时间同步触发电路在无线收发模块ｎＲＦ９０５ 接收到主站授时系统无线广播方式发送的时间同步 命令时，立即在无线模块的ＡＭ（地址匹配）上升沿 时产生同步脉冲信号，这个同步脉冲信号不存在软 件延时，能有效地减少时间误差。 事件触发信号记录器要由３２位计数器、时间间 隔寄存器、接口控制电路等组成。当有一外部事件 （如冲击波模块触发采集）发生时，其功能模块就会 输出一路事件触发脉冲信号，事件触发信号记录器 负责精确测量同步脉冲信号的上升沿到事件触发脉 冲信号的上升沿之间的时间差，完成同步触发数据 的锁存，并与单片机交换数据和控制信号。
基站节点上电后，事件触发信号记录器内的３２ 位计数器开始循环计数，当同步触发电路检测到主 站每隔１６ Ｓ发送的时间同步命令产生同步脉冲信 号的上升沿时，３２位计数器即刻被清零，并重新开 始计数。当外部冲击波采集模块触发同时输出的事 件触发脉冲经过光耦隔离电路后，时间间隔寄存器 就锁存下此刻３２位计数器的计数值，同时也将该路 响应信号输出给单片机，单片机立即通过接口控制 电路的控制，经过８路数据／地址复用总线读取时间 间隔寄存器的计数值。 主站在任意１６ Ｓ开始时刻通过无线电广播方 式向各个基站发送时间同步信号和已经解码的秒级 ＵＴＣ时间信息。在分布式测试场可以认为基站是 同时接收到这些信息的，基站接收到立即产生时间 同步脉冲，将３２位计数器清零，同时开始计数。根 据上述原理，当外部有任意触发事件发生时，触发的 时刻都是在一个１６ Ｓ内，并能够保证在这１６ Ｓ内完 成冲击波等高频瞬态信号的采集、测试工作。外部 事件触发的绝对时间是计数器同步清零时，基站接 收到的秒级ＵＴＣ时间再加上计数器记录的时间值。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｗｉｎｇ
ｔＯ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ
ｏｎ
ｔｉｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｆｉｔ
ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ
ＧＰＳ
ａｎｄ ｒａｄｉｏ ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｏｃｋ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ １ＰＰＳ ｐｕｌｓｅ ａｎｄ ｅｎｃｏｄｉｎｇ
ａｓ
ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｎ ｓｉｘｔｅｅｎ １ＰＰＳ ｐｕｌｓｅｓ，ａｓ ｗｅｌｌ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃａｌｉｂｒａ—
ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｃｉｄｅｎｔ．Ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ａｍｏｎｇ ｓｔａｔｉｏｎｓ
０引言
时间统一系统是由导弹、航天实验等测量和控 制的需求而发展起来的一门新兴工程学科，是用以 实现通信系统或者测试系统的不同站之间时间和频 率同步要求的一套完整的电子系统‘１｜。对于分布式
＊收稿日期：２００９—０５—１０
系统，时间同步是分布在不同地点的工作站之间协 同工作的基础，如果失去这个基础。整个系统将不能 正常工作［２］。因此，时间同步是任何分布式系统的 重要组成部分。也是任何测试任务能否成功的关键 因素之一，现代测控和采集领域对时统技术提出了 更高的要求。实现分布式系统时间同步的方法有两