时间控制系统及算法范文

摘要：很多应用领域都需要对时间进行精确控制，以达到多套处于不同位置系统同步工作为目的，这些系统可能相距几十公里甚至更远，却要求在小于1微秒误差的时间内同时工作。本文论述以GPS时间为基础的多系统同步控制系统，其时间精度取决于GPS，一般误差可控制在400ns以内，高精度的GPS时间同步精度可小于100ns，与GPS的时间同步主要依靠GPS输出的秒脉冲信号1PPS（PulsesPerSecond），1PPS每秒输出一个脉冲，其上升沿与协调世界时（UTC）时间同步。论述UTC时间和本地时间概念，以及它们之间的转换，对C++时间函数库进行了分析，给出了一个高效的UTC时间和本地时间之间的转换算法。并分析了接收GPS信号可能出现的问题，以及解决办法。完成了软件设计和硬件电路的设计和制作，并通过试验，对系统的误差分析、抗干扰性能、控制速度、控制精度和上、下位机之间的交互进行了综合和优化。

关键词：GPS；UTC和本地时间；C++时间函数库；时间同步；校时

1绪论

1.1系统需求

本系统主要应用于需要在同一时间同步数据采集的应用，要求对时间进行精确控制，并且全自动无人值守，这些系统可能相距几十公里甚至更远。GPS接收器每秒接收一次卫星信号，解码后能够把本身时钟与卫星时钟校准，计算出所处位置经度、纬度和高度，补偿卫星与接收器之间的传输延时，输出与世界协调时(UTC)误差为1μs的秒脉冲信号；本系统通过串口接收来自GPS接收器输出的国际标准日期时间信息，通过硬件设备接收秒脉冲信号。

1.2日期和时间的概念

关于“日期”和“时间”的概念，主要有以下几个：世界协调时（UTC），又称为世界标准时间。中国内地的时间与UTC的时差为+8，就是UTC+8。日历时间：用“从一个标准时间点到此时的时间经过的秒数”来表示的时间。这个标准时间点对不同的软件编译器来说并不一致，所以说日历时间是“相对时间”。目前多数计算机系统内核提供的基本时间是自1970年1月1日00:00:00以来国际标准时间所经过的秒数累计值，在C或C++语言中这种秒数是以time_t这种数据类型来表示的。

2系统实现

2.1时间控制系统原理

统一系统的时钟后，就能实现多套系统输入信号的控制或采样同步。本系统采用脉冲同步方式工作：系统采用高稳定度的晶振作为时钟,并且每秒被GPS的1PPS脉冲同步一次,输入信号的采样脉冲由该晶振时钟信号分频后获得,这样可以做到整个系统采样控制脉冲时间误差在1个微秒以内。GPS时钟作为系统基准时钟源,它仅为各个独立系统提供同步信号而不能代替各自系统中的时钟，所以各个系统都应有自己的独立时钟,在没有GPS时钟同步信号时,系统也不会失去时钟信息,有了同步时钟信号可以提高每套系统的时间精度。

2.2时间控制系统组成

同样的设备可能有多套，每套都是完全独立的。本控制系统计算机采用军用级嵌入式计算机，操作系统采用嵌入式实时操作系统，具有极高的可靠性，工作环境-40℃到+70℃。

2.3系统工作流程

为了提高多套系统的同步精度，本控制系统同时采用脉冲同步和串行同步方式进行时间同步，GPS的串口和控制计算机的串口相连，1PPS信号接到控制计算机板的一个FPGA芯片输入口上，FPGA电路使用一高精度晶振作为时钟，分频后和1PPS信号实现脉冲同步，年月日时分秒的数据由控制计算机串口从GPS接收机获取，同时发给EPLD电路作为秒级以上的时间比对。用户预先将开始采集的时间、采集时长、工作模式、天线的方位和俯仰角度设定好，然后伺服系统转动天线到指定位置，监控系统等待GPS定位成功（收到4颗卫星信号），GPS定位成功后系统用收到的GPS时间对控制计算机时钟进行一次校时，然后监控软件循环并用GPS时间比较设定的采集时间，记录仪设备处于等待数据状态，当采集时间到达前3秒，通知FPGA电路启动脉冲同步方式，最后的采集脉冲由FPGA电路发出，记录仪设备开始记录数据，记录结束后关闭整个系统电源节约电力。

2.4时间转换算法

在讲述UTC和本地时间之间的转换前，我们需要了解几个概念。在标准C/C++中，我们可通过tm结构来获得日期和时间。

3总结

3.1干扰分析及解决办法

本系统具有很高的可靠性，可在极其恶劣的环境下使用，系统设计时已经考虑到可能遇到的干扰问题，并提出了解决方案。由于本系统是以接收GPS时间信号为基础的同步采集系统，所以对时间的精度要求很高，因此我们购买了1PPS精度达到200ns的GPS接收机，配合计算机主板上的40MHz高稳定晶振，完全满足用户的同步时间精度误差小于2μs的要求。实际使用中出现最多的问题就是GPS接收机所处位置电磁环境不佳，比如说周围有大功率电台、发射天线等，它们可造成GPS接收机接收不到信号或信号不稳定，从而影响系统的时间同步，这个问题采用脉冲同步方式即可有效解决。

3.2结束语

本文论述以GPS时间为基础的多系统同步控制系统组成、UTC转换算法、实际使用中遇到的问题等。同时采用脉冲同步和串行同步方式进行时间同步，提高精度的同时也提高了可靠性。UTC与本地时间转换算法的提出，避免了在时间运算时出现的日历时间问题（闰年闰月等），解决了在时间运算和比较方面的难题。

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作者：冯源 单位：中国电子科技集团第三十八所