時鐘同步系統同步方式和補償原理

文/鄭全順

時鐘同步系統已經廣泛應用于機場、鐵路、軌道交通、核電站、醫院、學校、體育場館等領域，系統采用母鐘、NTP 時間服務器、子鐘等架構，使用串行接口、以太網等通訊接口，在時鐘信號逐級傳遞的過程中，可通過PPS 推后補償、高精度串行時間同步、智能輸出判斷、時間閉環反饋等技術，解決時鐘系統同步的精確性與穩定性難題。

1 母鐘的同步方式和補償原理

時鐘同步系統一般采用本地衛星時間源，利用GPS/北斗衛星的時間同步信息來校準本地區域性時鐘系統。

利用衛星的秒脈沖（PPS）信號把母鐘的豪秒單元中的時間數據進行清零，達到母鐘與衛星信號輸出時間同步，其具體同步過程為：衛星的PPS 信號上升沿觸發母鐘的微控制單元（MCU）中的時間計時中斷程序，使MCU進入該中斷程序，此程序記錄整個中斷過程的時間⊿t，然后把母鐘豪秒單元中的時間數據進行清零處理。母鐘在下一輪次輸出標準時間信號時，在衛星標準時間信號的基礎上加上中斷延時時間⊿t，以補償中斷延時，確保母鐘與衛星標準時間信號輸出的標準時間保持一致，達到母鐘與衛星標準時間信號同步的目的。

2 網絡時間的同步方式和補償原理

利用母鐘的PPS 信號把NTP 時間服務器（NTP）的豪秒單元中的時間數據進行清零，達到母鐘與NTP 輸出時間同步，其具體同步過程為：母鐘的PPS 信號上升沿觸發NTP 的MCU 中的時間計時中斷程序，使MCU 進入該中斷程序，此程序記錄整個中斷過程的時間⊿t，然后把NTP 豪秒單元中的時間數據進行清零處理。NTP 在下一輪次輸出標準時間信號時，在母鐘給定的標準時間的基礎上加上中斷延時時間⊿t，以補償中斷延時，確保NTP與母鐘標準時間輸出的標準時間保持一致，達到NTP 與母鐘時間同步的目的。網絡時間傳輸模型如圖1所示。

NTP 與母鐘時間同步以后，經過MCU 把標準時間信號轉換成符合NTP 協議的網絡時間信號，用于局域網內各系統及網絡子鐘的校時，在客戶方發送時間查詢請求時，發送時間信號時仍需考慮網絡延時的問題，并在授時時對網絡延遲進行相應的補償。

客戶方與服務器方網絡延時與時鐘偏差的測量及補償原理說明如下：

T1：A 發送查詢請求時間(參照為A 時間系統)

T2：B 收到查詢請求時間(參照為B 時間系統)

T3：B 回復時間信息包時間(參照為B 時間系統)

T4：A 收到時間信息包時間(參照為A 時間系統)

δ1：A 請求信息在網絡傳播上所消耗的時間

δ2：B 回復信息在網絡傳播上所消耗的時間

（1）已知T1、T2、T3、T4時刻，希望求得θ 以調整A 時鐘有：

（2）網絡環境相同情況下，請求和回復信息在網絡傳播上的時間相同，即δ1=δ2，則可解得：據此，θ、δ 只與T2-T1、T4-T3差值相關，與T2T3差值無關，即與服務器處理請求所需的時間無關。可通過計算出時差θ 去調整本地時鐘。

3 毫秒級串行信號的同步方式和補償原理

母鐘通過標準串行RS422/485 接口，從每秒的零毫秒時刻開始以9600 波特率連續發送21 個含有年、月、日、星期、時、分、秒、毫秒的時間字符，并且包含起始位、結束位、校驗位、衛星校時等字符信息。標準時間的接收設備可在接收到結束符后可直接用接收到的時間信息來替換自身設備的豪秒計時；然后再依次校準分、時、日、月、年、星期等計時單元。如圖2所示。

說明：

橫軸T 代表時間，單位t 為發送或接收1個字節的時間，在波特率為9600 位/秒的情況下（每個字節占用8 位），1t 約等于1ms；

縱軸A 代表事件，A1 代表發送方發送的數據，A0 代表接收方接收的數據；

1、2…20 、21 分別代表發送和接收的第1、2…20 和第21 個字節數據。

圖1：網絡時間傳輸模型

圖2：時間信號的時隙圖

串行數據傳輸，發送和接收時序均由硬件自動實現，移位傳輸時發送和接收同時進行，因此，在實際傳輸中，發送方發送一個字節數據的同時接收方也完成了接收一個字節數據，即發送方完成21 個毫秒級標準時間的同時，接收方亦完成接受21 個毫秒級標準時間；既發送方發送標準時間所花費的時間21t 也就是接受方接受標準時間所需要的時間21t。

4 時間系統誤差補償原理

時間數據系統誤差T，主要由串行通訊延遲時間T1和傳輸延遲時間T2組成。21 個字符的串行通訊時間T1，可根據波特率和傳輸方式計算得：T1=（（（8+1+1+1）*21）/9600）*1000=24ms 。

傳輸通道延遲時間T2主要與傳輸延遲特性有關，并且存在不同時段的不確定性。需要每次發送時間信號前，母鐘先給客戶端發送數據進行測定傳輸延遲，得到T2。

在發送標準時間信號時總的延時時間為：T=T1+T2=24ms+T2。

母鐘發送的標準時間信號數據中包含延時時間T，其他系統設備接收的標準時間信號為實時的時間信息，其他系統設備在接收到結束符后，直接利用接收到的補償后標準時間數據校準自身的時間，然后再校準各顯示單元，即可實現標準時間的同步功能。