介绍对时的几种方式

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：参考码元的宽度为对应时码索引计数间隔乘 0.8。B码为30位，其中天10位，时6位，分7位，秒7位。IRIG-B对时方式融合了脉冲对时和串口对时的优点，具有较高的对时精度（微秒级）。表6-5IRIG-B码码元定义表续表续表2．脉冲对时脉冲对时方式多使用空接点接入方式，主要有秒脉冲、分脉冲和时脉冲三种对时方式。3．串口报文对时串口对时方式是对时从设备通过串行口接收 GPS 时钟信息，来校正其自身的时钟。

1．IRIG-B码

IRIG 是美国靶场仪器组的简称。IRIG 时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，即 A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B 即为其中的 B 型码。B 型码的时帧速率为 1 帧/s，可传递100位的信息。作为应用广泛的时间码，B 型码具有以下主要特点：携带信息量大，经译码后每秒可获得1、10、100、1000 个脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；高分辨率；调制后的B码带宽，适用于远距离传输；分直流、交流两种；具有接口标准化，国际通用等特点。

1）IRIG-B格式

由于 IRIG-B 格式时间码（以下简称 B 码）是每秒一帧的时间码，最符合使用习惯，而且传输也较容易，在 IRIG 六种串行时间码格式中，B 码应用最为广泛。B 码的波形如图6-5 所示。

图6-5　B码波形

2）码元识别

码元：时间格式里的每个脉冲称为码元。码元的“准时”（On Time）参考点是其脉冲前沿，码元的重复速率称为码元速率。B码的码元速率为 100 B/s。

索引计数：每个码元对应一个索引计数。两个相邻码元前沿之间的时间间隔为索引计数间隔，B码的索引计数间隔为 10 ms。索引计数在帧参考点处以“0”开始，以后每隔一个索引计数间隔增加1，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，索引计数数字为 0～99。

位置识别标志：位置识别标志的宽度是对应时码的索引计数间隔的0.8，B码为8 ms。位置识别标志P0的前沿在帧参考点（即PR）前一个索引计数间隔处，以后每10 个码元有一个位置识别标志，分别为P1、P2……，P9位置识别标志的重复速率为码元速率的 1/10。B 码为 10 pps。

码字：所有的时间格式都是脉宽码。二进制“1”和“0”的脉宽分别为索引计数间隔的0.5和0.2。B码的二进制“1”和“0”的脉宽分别为 5 ms和2 ms。

参考标志：时帧的参考标志是由一个位置识别标志（P0）和相邻的参考码元（PR）组成。参考码元的宽度为对应时码索引计数间隔乘 0.8。B 码为 8 ms。时帧的“准时”参考点是参考码元的前沿。

一个时间格式帧由参考标志开始，两个相邻帧参考标志间的所有码元组成。时帧的重复速率为时帧速率，其周期为时帧周期。B 码的时帧速率为 1 帧/秒，时帧周期为1秒。

年时间的二-十进制码（BCD码）：各个时间格式都含有年时间的二-十进制码，时帧周期越短，信息位就越长。B码为30位，其中天10位（从001到365或366），时6位，分7位，秒7位。时序为秒-分-时-天。位置在P0到P5之间。

天时间的纯二进制秒码（SBS码）：A、B格式时间码除了有年时间的BCD码外，还有天时间的纯二进制秒码，共 17 位，午夜为0秒，最大计数 86 399（24×60×60-1）秒，低位在前，高位在后。位置在 P8～P0 之间。

所有的时间格式都预留了一组用于控制功能（CF）的码元。这是用于各种控制、识别和其他特殊目的功能编码。IRIG 104-70 指出：控制功能目前打算用于靶场内而不用于靶场间，因此现在没有标准编码系统。时间格式是否包含控制功能以及是否使用编码系统由各靶场选择。B码控制功能的位置在P5～P8之间，有27个码元。

为了便于传递标准时间格式码，可用其对标准正弦波载频进行幅度调制，标准正弦波载频的频率与码元速率严格相关，一般为码元速率的十倍。B码的标准正弦波载频频率为 1 kHz。同时，其正交过零点与所调制格式码元的前沿相符合，标准的调制比为 10∶3。调制后的 B码叫 IRIG-B（AC）码，未经幅度调制的叫 IRIG-B（DC）码。IRIG-B（AC）用于国外设备时间同步，国内电气设备多采用 IRIG-B（DC）进行对时。

IRIG-B（简称 B 码）是专为时钟串行传输同步而制定的国际标准，采用脉宽编码调制。同步时钟源每秒发出一帧含有秒、分、时、当前日期及年份的时钟信息。IRIG-B对时方式融合了脉冲对时和串口对时的优点，具有较高的对时精度（微秒级）。

IRIG-B 码应符合 IRIG 200-04的规定，并含有年份和时间信号质量信息（参照IEEE C37.118-2005），其时间为北京时间，IRIG-B 码码元定义如表 6-5 所示。IRIG-B码中的时间为北京时间。

表6-5　IRIG-B码码元定义表

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2．脉冲对时

脉冲对时方式多使用空接点接入方式，主要有秒脉冲（PPS）、分脉冲（PPM）和时脉冲（PPH）三种对时方式。脉冲对时方式的优点是可以获得较高精度的同步精度（微秒级），对时接收电路比较简单。不足之处是从设备必须预先设置正确的时间基准。

脉冲信号有lPPS、lPPM、lPPH或可编程脉冲信号等。其输出方式有TTL电平、静态空接点、RS-422、RS-485和光纤等。技术参数如下：

1）脉冲宽度

10 ms～200 ms。

2）TTL电平

准时沿：上升沿，上升时间≤100 ns；

上升沿的时间准确度：优于1 μs。

3）静态空接点

静态空接点与 TTL 电平信号的对应关系为接点闭合对应 TTL 电平的高电平，接点打开对应 TTL 电平的低电平，接点由打开到闭合的跳变对应准时沿。

准时沿：上升沿，上升时间≤1 μs；

上升沿的时间准确度：优于 3 μs；

隔离方式：光电隔离；

输出方式：集电极开路；

允许最大 Vce 电压：DC 220 V；

允许最大Ice 电流：20 mA。

4）RS-422、RS-485接口

准时沿：上升沿，上升时间≤100 ns；

上升沿的时间准确度：优于 1 μs。

5）光　纤

使用光纤传导时，亮对应高电平，灭对应低电平，由灭转亮的跳变对应准时沿。

秒准时沿：上升沿，上升时间≤100 ns；

上升沿的时间准确度：优于 1 μs。

3．串口报文对时

串口对时方式是对时从设备通过串行口接收 GPS 时钟信息，来校正其自身的时钟。由于串口接收一帧数据的时间较长，这种方式对时的额精度较低（毫秒级），串行口参数、报文格式及接口如下所述。

1）串口参数

波特率为 1200 b/s、2400 b/s、4800 b/s、9600 b/s、19 200 b/s 可选，默认值为9600 b/s；数据位 8 位，停止位1位，偶校验。

2）串口时间报文格式

报文发送时刻，每秒输出 1 帧。帧头为＃，与秒脉冲（1PPS）的前沿对齐，偏差小于 5 ms；波形如图6-6 所示。串口时间报文格式如表 6-6 所示。

图6-6　串口通信波形

表6-6　串行口标准时间报文格式

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3）串行口接口

（1）RS-232C。

电气特性符合GB/T 6107—2000。

（2）RS-422。

见GB/T 11014—1989。

（3）RS-485。

见ANSI/TUA/EIA 485-A—1998。

（4）光纤。

使用光纤传导时，亮对应高电平，灭对应低电平。

4．网络报文对时

SNTP 基于 NTP，适用于对时要求不是十分严格的网络，最高精度只能达到毫秒级。

NTP/SNTP的具体参数如下：

（1）工作模式：客户端/服务器。

（2）网络接口：电缆接口或光缆接口。

（3）支持以下协议：

RFC 1305（NTP）；

RFC 2030（SNTP）。

（4）时钟处于跟踪锁定状态时，其时间准确度应满足表 6-7 的要求。

表6-7　工作在客户端模式下时钟准确度要求

5．1588对时

1）概　述

IEEE 1588是用于网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，能达到微秒级同步精度。基于局域网的精确时间同步系统（以下简称：时间同步系统）由PTP 主时钟、网络交换设备、PTP 从时钟和其他被授时设备组成。系统的时间同步依靠PTP报文完成，PTP报文包含事件报文和通用报文，其中事件报文是计时的报文，在时间戳发送和接收时产生，并需要设备物理层硬件支持。PTP性能和协议应符合DL/T 1100.2—2013 的规定。

2）系统组成

时间同步系统一般分为基本式和主备式两种。

（1）基本式。

基本时间同步系统如图6-7 所示，PTP 主时钟接收北斗/GPS 卫星同步基准或有线时间基准信号，通过网络交换设备，向下一级时间同步系统或 PTP 被授时设备提供时间基准信号。

图6-7　基本式时间同步系统组成

（2）主备式。

主备式时间同步系统如图6-8 所示，该系统中宜配置两台主时钟，“主时钟A”和“主时钟B”互为热备，同时接收上一级的有线或无线时间基准信号。

图6-8　主备式时间同步系统组成

注：实线框表示支持精确时间协议的设备，虚线框表示不支持精确时间协议的设备。

3）典型网络结构

时间同步系统组网方式宜从图 6-9、图6-10两种方式中选取。

逻辑组网方式 A 如图6-9 所示，变电站和发电厂内配置两个互备主时钟。主备时钟的切换由主时钟通过 BMC 算法来完成，从时钟需识别切换过程，确定使用的路径时延与工作的主时钟路径一致性。

图6-9　逻辑组网方式A

逻辑组网方式 B 如图6-10 所示，变电站和发电厂内已配置主时钟，但主时钟不具备提供 PTP 信息的情况下，可通过输出 IRIG_B 到具备 OC 主模式的 PTP 服务器，实现网络授时功能。

图6-10　逻辑组网方式B

4）PTP设备运行模式

（1）PTP设备配置模式。

PTP主时钟：运行于MASTER模式的OC。

PTP从时钟：运行于SLAVE模式的OC。

网络交换设备：支持peer-to-peer模式的TC。

（2）接口。

① 电接口。

应支持 100/1000 BASE-T接口，符合 IEEE 802.3—2008 的规定，电接口应配有屏蔽层。

② 光接口。

100BASE-FX 接口应符合 IEC 9314-3—1990 的规定，GE 接口应符合IEEE 802.3—2008的规定。GE 接口可以是 1000BASE-LX、1000BASE-SX、1000BASE-ZX 接口中的一种或多种。

（3）功能要求。

PTP 主时钟能准确响应链路延迟请求，具备数据集比较算法，选择最佳主时钟源；应具备状态决定算法，决定自身端口状态，备 BMC 算法，最佳主时钟源确定后，非最佳主时钟源时钟端口不应发送 Announce 报文，各 OC 应实现物理隔离，各接口应采用独立 MAC 地址，正确处理异常报文，允许设备进入守时状态，具备守时功能。

网络交换设备应准确填充驻留时间修正域；正确计算和修正链路延迟。

PTP从时钟宜具备BMC算法，宜具备数据集比较算法，选择最佳主时钟源；宜具备状态决定算法，决定自身端口状态；从时钟端口不应发送除Pdelay_req报文外的其他事件报文；正确计算和修正驻留时间修正域；正确计算和修正链路延迟；时延补偿功能，补偿范围±100 μs，步长≤100 ns；正确处理异常报文，允许设备进入守时状态，具备守时功能。

（4）性能要求。

PTP 设备应满足以下性能要求：

① 时间准确度：优于 1 μs。

② 抖动时间范围：≤200 ns。

③ 当网络风暴、丢帧、乱序帧、复制帧等网络异常发生时，设备对时性能不应受到影响，允许设备进入守时状态，如表 6-8 所示。

表6-8　网络异常状态下的对时状态

PTP 时间同步设备应能根据数据集比较算法选择最佳主时钟源，根据状态决定算法决定自身端口状态；最佳主时钟源选定后，其他时钟端口不允许发送 Announce 报文。BMC 状态切换时间应满足：

① 当活动主时钟断开，时钟从静默状态到活动状态切换时间宜小于 10 s。

② 当活动主时钟状态改变，时钟从静默状态到活动状态切换时间宜小于 10 s。

③ 出现更高等级时钟时，当前活动时钟从活动状态到静默状态切换时间宜小于10 s。