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GPS時(shí)鐘系統(tǒng)輸出及應(yīng)用

作者： 時(shí)間：2012-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
TEXT-TRANSFORM: none; COLOR: rgb(0,0,0); TEXT-INDENT: 0px; PADDING-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　眾所周知，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘一般都采用石英晶體振蕩器。晶振體連續(xù)產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器則對(duì)這些脈沖進(jìn)行累計(jì)得到時(shí)間值。由于時(shí)鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、激勵(lì)電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響，故時(shí)鐘本身不可避免地存在著誤差。例如，某精度為±20ppm的時(shí)鐘，其每小時(shí)的誤差為：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms，一天的累計(jì)誤差可達(dá)1.73s;若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?5℃，則還會(huì)增加±25ppm的額外誤差。可見，DCS中的時(shí)鐘若不經(jīng)定期同步校準(zhǔn)，其自由運(yùn)行一段時(shí)間后的誤差可達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用所無法忍受的程度。

　　隨著晶振制造技術(shù)的發(fā)展，目前在要求高精度時(shí)鐘的應(yīng)用中，已有各種高穩(wěn)定性晶振體可供選用，如TCXO(溫度補(bǔ)償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等。

　　3.2 時(shí)鐘同步誤差

　　如果對(duì)類似于TXP的時(shí)鐘同步方式進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘在自上而下的同步過程中產(chǎn)生的DCS的絕對(duì)對(duì)時(shí)誤差可由以下三部分組成：

　　3.2.1 GPS時(shí)鐘與衛(wèi)星發(fā)射的UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))的誤差

　　這部分的誤差由GPS時(shí)鐘的精度所決定。對(duì)1PPS輸出，以脈沖前沿為準(zhǔn)時(shí)沿，精度一般在幾十ns至1μs之間;對(duì)IRIG-B碼和RS-232串行輸出，如以中科院國(guó)家授時(shí)中心的地鐘產(chǎn)品為例，其同步精度以參考碼元前沿或起始相對(duì)于1PPS前沿的偏差計(jì)，分別達(dá)0.3μs和0.2ms。

　　3.2.2 DCS主時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步誤差

　　DCS網(wǎng)絡(luò)上的主時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘通過“硬接線”方式進(jìn)行同步。一般通過DCS某站點(diǎn)內(nèi)的時(shí)鐘同步卡接受GPS時(shí)鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間編碼、硬件。例如，如在接受端對(duì)RS-232輸出的ASCII碼字節(jié)的發(fā)送延遲進(jìn)行補(bǔ)償，或?qū)RIG-B編碼采用碼元載波周期計(jì)數(shù)或高頻銷相的解碼卡，則主時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步精度可達(dá)很高的精度。

　　3.2.3 DCS各站點(diǎn)主從時(shí)鐘的同步誤差

　　DCS主時(shí)鐘與各站點(diǎn)從時(shí)鐘通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，其間存在著時(shí)鐘報(bào)文的發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延。表現(xiàn)在：(1)在主時(shí)鐘端生成和發(fā)送時(shí)間報(bào)文時(shí)，內(nèi)核協(xié)議處理、操作系統(tǒng)對(duì)同步請(qǐng)求的調(diào)用開銷、將時(shí)間報(bào)文送至網(wǎng)絡(luò)通信接口的時(shí)間等;(2)在時(shí)間報(bào)文上網(wǎng)之前，還必須等待網(wǎng)絡(luò)空閑(對(duì)以太網(wǎng))，遇沖突還要重發(fā);(3)時(shí)間報(bào)文上網(wǎng)后，需一定時(shí)間通過DCS網(wǎng)絡(luò)媒介從主時(shí)鐘端傳送到子時(shí)鐘端(電磁波在光纖中的傳播速度為2/3光速，對(duì)DCS局域網(wǎng)而言，傳播時(shí)延為幾百ns，可忽略不計(jì));(4)在從時(shí)鐘端的網(wǎng)絡(luò)通信接口確認(rèn)是時(shí)間報(bào)文后，接受報(bào)文、記錄報(bào)文到達(dá)時(shí)間、發(fā)出中斷請(qǐng)求、計(jì)算并校正從時(shí)鐘等也需要時(shí)間。這些時(shí)延或多或少地造成了DCS主從時(shí)鐘之間、從從時(shí)鐘之間的時(shí)間同步誤差。

　　當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時(shí)鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探討。事實(shí)上，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)的不懈研究，多種復(fù)雜但又高效、高精確的時(shí)鐘同步協(xié)議和算法相繼出現(xiàn)并得到實(shí)際應(yīng)用。例如，互聯(lián)網(wǎng)上廣為采用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)在DCS局域網(wǎng)上已能提供±1ms的對(duì)時(shí)精度(如GE的ICS分散控制系統(tǒng))，而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使實(shí)時(shí)控制以太網(wǎng)上的主、從時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級(jí)同步。

　　四、時(shí)鐘精度與SOE設(shè)計(jì)

　　雖然DCS的普通開關(guān)量掃描速率已達(dá)1ms，但為滿足SOE分辨率≤1ms的要求，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們都一直都遵循這樣的設(shè)計(jì)方法，即將所有SOE點(diǎn)置于一個(gè)控制器之下，將事件觸發(fā)開關(guān)量信號(hào)以硬接線接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其時(shí)鐘存在著一定的誤差。關(guān)于這一點(diǎn)，西門子在描述其TXP系統(tǒng)的FUN B模件分散配置的工程實(shí)際情況來看，由于時(shí)鐘不能同步而無法做到1ms SOE分辯率，更有甚至因時(shí)鐘相差近百ms，造成SOE事件記錄順序的顛倒。

　　那么，如何既能滿足工程對(duì)于SOE分散設(shè)計(jì)的要求(如設(shè)置了公用DCS后，機(jī)組SOE與公用系SOE應(yīng)分開，或希望進(jìn)入控制器的MFT、ETS的跳閘信號(hào)無需經(jīng)輸出再返至SOE模件就能用于SOE等)，又不過分降低SOE分辨率呢?通過對(duì)DCS產(chǎn)品的分析不難發(fā)現(xiàn)，通常采用的辦法就是將控制器



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