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時碼卡,時間同步卡

時碼卡,時間同步卡,

時碼卡-時間同步卡原理簡介

 



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時碼卡-時間同步卡原理簡介


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       時碼卡也叫時間同步卡可用來為計算機系統提供高精度時間信息或定時中斷信號。計算機軟件可以用獲得這些時間信息來對一些事件的發生時刻進行標記,也可以根據板卡送來的定時中斷信號做為觸發讓某一事件在某時刻精確的發生。

在普通計算機或工控機中內置的晶振(走時基準)精度比較低,其時間依靠主板上的電池給晶振供電由RTC來維持。長期累積下來時間偏差會越來越大。所以在一些對時間要求高精度的場合,如銀行、證券等IT金融結算系統,鐵路信號控制系統、通信網絡、廣播電視、航空航天等計算機控制系統,這種本身自帶的時間系統便不能滿足要求。因此就需要使用外置設備對計算機進行授時,以取代內部晶振的走時。計算機外部設備最常見的幾種接口為USBPCI/PCIe和網口。其中PCI/PCIe接口因其相對速度快,可靠穩定,因此經常用來作為外部設備的通訊接口。

常用的授時(時間同步方式)包含以下幾種GPS/北斗,1PPS+ToDB碼,NTPPTP。下面對這些時間同步方式的進行介紹,并比較他們之間的差異。

GPS/北斗

GPS/北斗是目前使用最為廣泛的時間同步系統,主要依靠GPS/北斗接收機來接收GPS/北斗衛星發出的信息,解析出1PPS(秒脈沖信號)和ToDTime of Day時間信息)。其精度一般在100ns以內。優點是范圍廣,系統簡單,精度高,缺點是信號容易受干擾,室內使用需要外接天線。

1PPS+ToD

1PPS+ToD對時是最簡單最直接的對時方式。時間源設備輸出1PPSToD兩路信號,接收設備通過線纜對這兩路信號直接進行解析就可以得到準確的時間,優點是簡單,精度高,缺點是需要兩路信號,且需要有時間源設備。

B

B碼即IRIG-B格式碼,是由美國 IRIG 組織發布的用于各系統時間同步的時間碼標準,其中應用最廣泛的是IRIG-B版本,簡稱 B 碼。簡單來說就是講1PPS+ToD信息進行了整合編碼變成了一組脈沖DCLS時間信號。

1IRIG-BDC)碼示意圖。IRIG-B格式碼是每秒一幀的時間串碼,每個碼元寬度為10ms,一個時幀周期包括100個碼元,為脈寬編碼。碼元的"準時"參考點是其脈沖的上升沿,時幀的參考標志由一個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成,其寬度為8ms;每10個碼元有一個位置識別標志:P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P0。它們均為8ms寬度;PR為幀參考點;二進制"1""0"的脈寬分別為5ms2ms

















1 IRIG-B碼示意圖

IRIG-B碼的特點

    (1)信息量大

    脈沖信號:由參考標志、位置識別標志和碼元可獲得1 PPS1oopps的脈沖信號。如果使用調制的IRIG-B碼信號,還可獲得IKPPS脈沖信號或1kHz正弦信號。

    編碼信號:根據所采用的編碼格式,將TRIG-B碼譯碼后可獲得年時間的二一十進制碼,還可獲得天時間的純二進制秒碼、控制功能碼。所以可以從IRIG-B時間碼中取出多種時間信息,減少通信線路傳遞各種信號的負擔。

    (2)分辨率高

    直接使用未調制IRIG-B碼(直流碼)的分辨率為100ns,調制后的IRIG-B(交流碼)的分辨率為lms

    (3)適合于傳輸

未調制的IRIG-B碼碼帶寬,可用電纜近距離傳輸,時間精度高。調制后的IRIG-B碼,帶寬變窄,適合于信道傳輸,這對于某些場合是十分重要的。由于IRIG-B碼信號經調制與解調的過程,因此其時間精度就有所降低。

    (4)抗干擾能力強

對調制載波進行計數而識別時間信息,因而抗干擾能力強。

NTP(Network Time Protocal)

       NTP顧名思義就是網絡對時協議,主要用來在以太網中對計算機設備授時,其特點是組網方便,不需要硬件設備支持,網絡中存在NTP服務器時直接給終端設備插上網線運行NTP對時協議或軟件即可對時。缺點是精度低,只能到ms級,典型精度為10ms

在計算機網絡中傳遞時間的協議主要的有三種:時間協議(Time Protocol)、日時協議(Daytime Protocol)和網絡時間協議NTP(Network Time Protocol)。另外還有一個僅用于用戶端的簡單網絡時間協議SNTP(Simple Network Time Protocol)SNTPNTP相同,只是客戶端軟件做的處理較少。

網上的時間服務器會在不同的端口上連續的監視使用以上協議的定時要求,并將相應格式的時間碼發送給客戶。表2-2列舉了上述各協議的文獻號、格式、使用端口等。

在上述幾種網絡時間協議中,NTP協議最為復雜,所能實現的時間準確度最高。在RFC-1305中非常全面地規定了運行NTP的網絡結構、數據格式、服務器的認證以及加權、過濾算法等。

NTP比較其它幾種網絡時間協議而言更有效,至多每分鐘一個數據包即可將兩臺機器同步至毫秒量級。它采用層級的概念來描述一臺機器離時間源有幾個NTP跳。一臺運行NTP軟件的機器會自動選擇層級數最低的作為它的時間源。

NTP有一套嚴密的方法防止時間網上的“時間自環”和防止同步于時間不準確的時間服務器。它是通過兩種方法來實現的:首先,永遠不能同步于自已發布的時間;然后,NTP比較幾個時間服務器同時發布的時間,時間值明顯差異于其它時間服務器的那個時間服務器將不被NTP用于時間同步,即便它的層級顯示最低。

IP網上運行NTP的時間服務器事先配置上所有它將建立起聯系的其他時間服務器的IP地址。通過與其他時間服務器交換NTP消息而獲得準確的守時。在一個局域網內,NTP也可采用IP廣播方式,這樣配置就簡化許多,每臺時間服務器只用簡單配置成發送或接收NTP廣播消息即可,但精度可能下降些。

為了防止被攻擊,NTP協議也提供認證和加密的功能。

2-2  不同網絡時間協議的比較

協議名稱

內容格式

端口分配

時間協議

RFC-868

非成幀的32比特二進制數,攜帶的時間是從190011號開始計數的UTC秒時間。

端口37

TCP/IP, UDP/IP

日時協議(ASCII

RFC-867

其發送的碼是標準的ASCII字符傳送時間碼(精確到秒)。

端口13

TCP/IP, UDP/IP

網絡時間協議(NTP)

RFC-1305

數據包中包括一64位比特的時間標簽,所攜帶的時間是從190011號開始計數的UTC 時間,其分辨率為200ps

端口123

UDP/IP

簡單網絡時間協議(SNTP)

RFC-1769

數據包與NTP相同,但客戶端軟件做的處理較少,調整的準確度也較低。

端口123

UDP/IP


PTP

   PTPPrecision Time Protocol)即精確時間協議。

伴隨著網絡技術的不斷增加和發展,尤其是以太網在測量和控制系統中應用越來越廣泛,計算機和網絡業界也在致力于解決以太網的定時同步能力不足的問題,以減少采用其它技術,例如IRIG-B等帶來的額外布線開銷。于是開發出一種軟件方式的網絡時間協議(NTP),來提高各網絡設備之間的定時同步能力。

1992NTP版本的同步準確度可以達到200μs,但是仍然不能滿足測量儀器和工業控制所需的準確度。為了解決這個問題,同時還要滿足其它方面需求。網絡精密時鐘同步委員會于2001年中獲得IEEE儀器和測量委員會美國標準技術研究所(NIST)的支持,該委員會起草的規范在2002年底獲得IEEE標準委員會通過,作為IEEE1588標準。該標準定義的就是PTP協議。

PTP 是一種主從同步系統,采用主從時鐘方式,對時間信息進行編碼,利用網絡的對稱性和延時測量技術,實現主從時間的同步。

在系統的同步過程中,主時鐘周期性發布PTP時間同步協議及時間信息,從時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息,系統據此計算出主從線路時間延遲及主從時間差,并利用該時間差調整本地時間,使從設備時間保持與主設備時間一致的頻率與相位。

PTP的特點是可以組網,時間同步精度高可到1us以內,缺點是協議復雜,對網絡環境要求高(要有支持PTP協議交換機設備)。






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