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时码卡,时间同步卡

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时码卡-时间同步卡原理简介

 



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时码卡-时间同步卡原理简介


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       时码卡也叫时间同步卡可用来为计算机系统提供高精度时间信息或定时中断信号。计算机软件可以用获得这些时间信息来对一些事件的发生时刻进行标记,也可以根据板卡送来的定时中断信号做为触发让某一事件在某时刻精确的发生。

在普通计算机或工控机中内置的晶振(走时基准)精度比较低,其时间依靠主板上的电池给晶振供电由RTC来维持。长期累积下来时间偏差会越来越大。所以在一些对时间要求高精度的场合,如银行、证券等IT金融结算系统,铁路信号控制系统、通信网络、广播电视、航空航天等计算机控制系统,这种本身自带的时间系统便不能满足要求。因此就需要使用外置设备对计算机进行授时,以取代内部晶振的走时。计算机外部设备最常见的几种接口为USBPCI/PCIe和网口。其中PCI/PCIe接口因其相对速度快,可靠稳定,因此经常用来作为外部设备的通讯接口。

常用的授时(时间同步方式)包含以下几种GPS/北斗,1PPS+ToDB码,NTPPTP。下面对这些时间同步方式的进行介绍,并比较他们之间的差异。

GPS/北斗

GPS/北斗是目前使用最为广泛的时间同步系统,主要依靠GPS/北斗接收机来接收GPS/北斗卫星发出的信息,解析出1PPS(秒脉冲信号)和ToDTime of Day时间信息)。其精度一般在100ns以内。优点是范围广,系统简单,精度高,缺点是信号容易受干扰,室内使用需要外接天线。

1PPS+ToD

1PPS+ToD对时是最简单最直接的对时方式。时间源设备输出1PPSToD两路信号,接收设备通过线缆对这两路信号直接进行解析就可以得到准确的时间,优点是简单,精度高,缺点是需要两路信号,且需要有时间源设备。

B

B码即IRIG-B格式码,是由美国 IRIG 组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应用最广泛的是IRIG-B版本,简称 B 码。简单来说就是讲1PPS+ToD信息进行了整合编码变成了一组脉冲DCLS时间信号。

1IRIG-BDC)码示意图。IRIG-B格式码是每秒一帧的时间串码,每个码元宽度为10ms,一个时帧周期包括100个码元,为脉宽编码。码元的"准时"参考点是其脉冲的上升沿,时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成,其宽度为8ms;每10个码元有一个位置识别标志:P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P0。它们均为8ms宽度;PR为帧参考点;二进制"1""0"的脉宽分别为5ms2ms

















1 IRIG-B码示意图

IRIG-B码的特点

    (1)信息量大

    脉冲信号:由参考标志、位置识别标志和码元可获得1 PPS1oopps的脉冲信号。如果使用调制的IRIG-B码信号,还可获得IKPPS脉冲信号或1kHz正弦信号。

    编码信号:根据所采用的编码格式,将TRIG-B码译码后可获得年时间的二一十进制码,还可获得天时间的纯二进制秒码、控制功能码。所以可以从IRIG-B时间码中取出多种时间信息,减少通信线路传递各种信号的负担。

    (2)分辨率高

    直接使用未调制IRIG-B码(直流码)的分辨率为100ns,调制后的IRIG-B(交流码)的分辨率为lms

    (3)适合于传输

未调制的IRIG-B码码带宽,可用电缆近距离传输,时间精度高。调制后的IRIG-B码,带宽变窄,适合于信道传输,这对于某些场合是十分重要的。由于IRIG-B码信号经调制与解调的过程,因此其时间精度就有所降低。

    (4)抗干扰能力强

对调制载波进行计数而识别时间信息,因而抗干扰能力强。

NTP(Network Time Protocal)

       NTP顾名思义就是网络对时协议,主要用来在以太网中对计算机设备授时,其特点是组网方便,不需要硬件设备支持,网络中存在NTP服务器时直接给终端设备插上网线运行NTP对时协议或软件即可对时。缺点是精度低,只能到ms级,典型精度为10ms

在计算机网络中传递时间的协议主要的有三种:时间协议(Time Protocol)、日时协议(Daytime Protocol)和网络时间协议NTP(Network Time Protocol)。另外还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议SNTP(Simple Network Time Protocol)SNTPNTP相同,只是客户端软件做的处理较少。

网上的时间服务器会在不同的端口上连续的监视使用以上协议的定时要求,并将相应格式的时间码发送给客户。表2-2列举了上述各协议的文献号、格式、使用端口等。

在上述几种网络时间协议中,NTP协议最为复杂,所能实现的时间准确度最高。在RFC-1305中非常全面地规定了运行NTP的网络结构、数据格式、服务器的认证以及加权、过滤算法等。

NTP比较其它几种网络时间协议而言更有效,至多每分钟一个数据包即可将两台机器同步至毫秒量级。它采用层级的概念来描述一台机器离时间源有几个NTP跳。一台运行NTP软件的机器会自动选择层级数最低的作为它的时间源。

NTP有一套严密的方法防止时间网上的“时间自环”和防止同步于时间不准确的时间服务器。它是通过两种方法来实现的:首先,永远不能同步于自已发布的时间;然后,NTP比较几个时间服务器同时发布的时间,时间值明显差异于其它时间服务器的那个时间服务器将不被NTP用于时间同步,即便它的层级显示最低。

IP网上运行NTP的时间服务器事先配置上所有它将建立起联系的其他时间服务器的IP地址。通过与其他时间服务器交换NTP消息而获得准确的守时。在一个局域网内,NTP也可采用IP广播方式,这样配置就简化许多,每台时间服务器只用简单配置成发送或接收NTP广播消息即可,但精度可能下降些。

为了防止被攻击,NTP协议也提供认证和加密的功能。

2-2  不同网络时间协议的比较

协议名称

内容格式

端口分配

时间协议

RFC-868

非成帧的32比特二进制数,携带的时间是从190011号开始计数的UTC秒时间。

端口37

TCP/IP, UDP/IP

日时协议(ASCII

RFC-867

其发送的码是标准的ASCII字符传送时间码(精确到秒)。

端口13

TCP/IP, UDP/IP

网络时间协议(NTP)

RFC-1305

数据包中包括一64位比特的时间标签,所携带的时间是从190011号开始计数的UTC 时间,其分辨率为200ps

端口123

UDP/IP

简单网络时间协议(SNTP)

RFC-1769

数据包与NTP相同,但客户端软件做的处理较少,调整的准确度也较低。

端口123

UDP/IP


PTP

   PTPPrecision Time Protocol)即精确时间协议。

伴随着网络技术的不断增加和发展,尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题,以减少采用其它技术,例如IRIG-B等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议(NTP),来提高各网络设备之间的定时同步能力。

1992NTP版本的同步准确度可以达到200μs,但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题,同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过,作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议。

PTP 是一种主从同步系统,采用主从时钟方式,对时间信息进行编码,利用网络的对称性和延时测量技术,实现主从时间的同步。

在系统的同步过程中,主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息,从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息,系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差,并利用该时间差调整本地时间,使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。

PTP的特点是可以组网,时间同步精度高可到1us以内,缺点是协议复杂,对网络环境要求高(要有支持PTP协议交换机设备)。






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