時間同步技術是由于通信、導彈、航天實驗等的需要而發展起來的一門新興學科，但是随着分散控制系統的發展與應用範圍的擴大，越來越多的領域如智能電網、通信網絡體系、水利測繪、公共安全、導航定位、工業自動化、無線傳感器網絡、測試測量等都對高精度時間同步技術提出了更高的需求，也足可見時間同步技術在衆多領域的廣泛應用。

時間同步的目的是保障全局物理時鐘或邏輯時鐘的一緻性，使得在系統中的信息和事件的時間解釋是統一的。對于一些特殊行業，如電力、金融、通信、交通、國防等領域，對時間同步的精度要求非常高，而且處于安全考慮，處于特殊行業的這些設備也不可以随意接入網絡。

系統中的各個參數均與時間相關，導緻整個電網停電甚至系統崩潰的其實可能是不到1秒的時間誤差；金融系統中（如銀行和股票交易所）交易業務的正常進行都依靠準确的時間信息，彙率、股市價格在1秒前後的波動直接導緻收益結果的相差千裡。

在速度很高的系統中（如火箭、船舶等），精确的時間信息更加重，測試的過程也是測距的過程，火箭速度為8公裡每秒，即便誤差百分之一秒，距離也會相差80m，造成的後果無法估量。在國防安全領域，隻有具備準确時間的情報信息才能與其它信息相關、融合、鍊接起來，成為有效信息。

總之，時間精确及時間同步在應用中的重要性體現得越來越廣泛，如果不能保證高精度的時間同步，系統就難以進行協調、管理和控制，建立精确的時間系統，意義不問可知。

目前市場上的計算機的時間都由主闆上的晶振和時鐘芯片來确定，晶振可以産生一定頻率的交變電流信号，會将直流電能轉換為具有一定頻率的交流電能，電路設計時需要設計晶振外部時鐘電路，一般為放大反饋電路，于是就有了時鐘振蕩器。

晶振的振蕩頻率的準确度決定時鐘的準确度。而溫度、老化等因素都會對晶振的頻率産生影響，從而影響計時精度，造成時鐘誤差，尤其是溫度，對頻率準确度影響最大。

頻率的偏差率從10-4量級到10-9量級不等，日時間誤差從8.64秒到8.64*10-5秒不等，長期累計會造成較大的時間誤差，所以利用計算機本身的時鐘來實現精确的時鐘是不可能的，需要通過授時設備來實現計算機之間的時間同步。

網絡時間協議NTP(Network Time Protocol)的目的是同步計算機時間與時鐘源時間，對比其他時間同步協議，它是實現計算機時間同步最簡便的方法。它采用分層的方法來定義時鐘的準确性，可以迅速同步網絡中各台設備的時間，同時采用Client/Server結構使其具有相當高的靈活性，滿足互聯網上時間同步的複雜性、嚴格性的要求，可以适應不同互聯網環境。

NTP産生的網絡開銷比其他時間同步方式的開銷都要少，使用的識别機制可以防止對時間服務器的惡意破壞，是保證網絡安全的重要應對措施。NTP協議的這些優點使其成為公認的最優的互聯網時間同步工具。目前，國人提到授時導航系統時，心中仍然将其等同于GPS。

由于GPS由美國研制，受美國軍方所管控，在軍事、科研和救援等領域，産品和技術依賴于進口不免受人制約，所以研制獨立自主的衛星導航系統可以說時不我待。随着北鬥導航定位系統的發展已日趨完善，近年來國家一直在大力促進北鬥自主研發産業的發展，但在北鬥接收機設計這一方面還是稍顯薄弱。

國外的NTP時間服務器自NTP協議發明之始就開始興起，在很多領域都得到了廣泛的應用，大多數同步設備制造商都提供此類設備，比較有名的生産廠家有GlobalTime和Symmetricom等，從大型的、接口完備NTP時間服務器到方便安裝移動的NTP時間服務模組，産品線非常齊全，不過它們的價格相當高，且很少在國内銷售。

目前國内ntp服務廠家并不多，市場龍蛇混雜，廠家技術參差不齊，隻有西安同步電子科技，青島廣研所，成都可為上海銳呈等一些新生廠家，有些是集成商，有些是電力設備廠商或者傳統時鐘廠商轉型過來，技術積累和技術含量不足，不管從規格或者價格上都比較混亂，沒有形成統一的标準。

并且，雖說為國産服務器，大部分廠家使用的CPU卻為Intel芯片，不能完全适配國産電腦與國産操作系統，做不到完全自主可控。授時模塊需要接收北鬥時間信号與B碼信号，并對信号進行處理。

按照功能可靠、小型化、價格低廉的原則，衛星接收模塊選用銥沃智能科技有限公司研發的衛星接收模塊，僅需配置簡單外圍電路，就可以實現接收北鬥衛星信号、IRIG-B碼并輸出IRIG-B碼脈沖、1PPS脈沖信号與當前時間信息。

e Time-40微型授時模塊是一款高集成度的北鬥接收模塊，該模塊集成了并行GNSS定時模塊，采用高速FPGA集成電路作為主處理芯片，内部處理時鐘頻率達到320MHz，和高速AD、DA芯片和基于鎖相環的高精度時頻控制算法，接收到北鬥發播的報文信息後，處理後生成精确穩定的時間和頻率信号（1PPS、串口報文）。

頻率輸出日平均準确度10-12，實時準确度可以達到2*10-10，守時精度優于1us/小時。為系統提供高精度的時間和頻率參考信号。授時模塊使用直流5V或12V電源供電，工作溫度在-40~70℃，最高可支持85℃。

對比同類模塊，該模塊結構緊湊，性能優越，可以在各種複雜環境中提供高完整性、高精确度的授時功能。模塊内部對射頻信号進行放大、濾波，并增加了抗幹擾處理，提高了天線信号的性能，可以保證模塊在比較較惡劣的情況下不受幹擾而提供高質量的信号。

系統上電開機後，首先PMON進行硬件與環境變量初始化，如果硬件檢測不通過，程序會控制繼電器報警，需要關機然後進行檢查。硬件環境正常的情況下，系統通過一組全功能串口獲取授時模塊傳輸的北鬥報文，報文中字段6為衛星質量，表明該時間源是否有效。

時間源有效則提取并處理報文中時間信息，獲取的時間信息一方面通過系統内核配置實現NTP功能；另一方面時間信息被發送到輸出模塊，通過TTL闆、RS232闆等擴展闆輸出不同電平的時間信息。

若北鬥衛星信号質量差，判斷該時間源無效，獲取B碼信号，判斷B碼信号是否有效，若B碼信号有效，提取并處理B碼信息中時間，同樣可以獲取标準的時間信息。

若判斷B碼信号無效，則輸出時間源無效的報警信息，并再次檢測北鬥信息，直至有時間源正常，可以獲取到正确時間。在上述過程中，授時模塊、顯示模塊以及其他輸出模塊之間的數據傳輸離不開核心闆控制。

同時核心闆不間斷運行的程序會及時将時間與告警等信息經由背闆預留接口持續發送給LED運行指示燈與顯示屏。為使用戶直觀的了解當前時間以及設備的運行狀态，本設計配置顯示屏以及多個LED運行指示燈。

顯示屏可以顯示當前北京時間、當前衛星質量、當前雙電源工作狀态以及當前正在使用的時間基準源，LED運行指示燈包括電源工作指示燈以及異常告警指示燈。設備采用7英寸顯示屏，分辨率不低于800x480，可滿足關鍵信息顯示需求。

顯示圖像與時間信息均由核心闆的UART串口接出，顯示圖像通過程序燒錄到顯示屏的固件中，可以根據需要進行修改，重啟生效；當前時間、衛星質量、工作狀态等由顯示屏的圖像轉換模塊将獲取的實時串口信息轉換成對應的顯示信息。

LED運行指示燈指示設備工作狀态以及時間同步信号輸出功能。設備不斷輸出PPS秒脈沖；當設備時間基準源無效時，LED指示故障；設備其中一路電源異常時，LED指示異常。

本設計中授時模塊輸出的串口報文需要發送給MCU，MCU首先對本地的時間進行初始化，然後使用中斷的方式讀取北鬥接收機輸出的數據幀，再從數據幀中提取準确的時間信息，中斷方式可以設置接收中斷和發送中斷，本次設計中設置MCU串口中斷模式為接收中斷模式，當北鬥數據幀到來時，在中斷處理函數中對數據進行處理，得到有效數據之後即可關閉串口接收中斷。

采用這種中斷方式的缺點是當中斷次數較多時，CPU需要較多的時間去處理中斷，但是本方案中需要獲取一次準确有效的北鬥時間作為基準時間才能保證授時的準确性，可以在獲取有效時間之後關閉串口接收中斷，如此一來，這種中斷的方式并不會過多的占用CPU時間。綜上，本次設計的授時系統獲取具有中國自主知識産權的北鬥衛星授時信号，采用國産MCU作為系統的核心數據處理器，在授時系統最主要的衛星系統與芯片技術兩方面保障100%國産化，不受制于人，達到了設計的預期目标。

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