時間同步技術(shù)的研究

唐程光， 鄧 華， 洪治武

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥 230601）

目前汽車上裝配的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、組合儀表、車載時鐘分別由各自獨立的信號源來獲取時間。衛(wèi)星導(dǎo)航是采用導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋、空中和空間的用戶進(jìn)行空間導(dǎo)航定位的技術(shù)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括：全球定位系統(tǒng)（GPS）、格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、以及伽利略定位系統(tǒng)等。

汽車通過衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器接收來自于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，從中提取出精密的衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號。衛(wèi)星導(dǎo)航時間是衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立的專用時間系統(tǒng)，它由主控站里的一組高精度原子鐘所控制。對于衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器的短期失鎖、衛(wèi)星試驗、電磁干擾等原因可能存在偶然誤差，但不存在累積誤差。組合儀表和車載時鐘顯示的時間來自于內(nèi)部集成的恒溫晶振，由于晶振生產(chǎn)工藝不同以及所處電磁溫度環(huán)境不同，會造成一定的精度誤差（大于1s/24h），當(dāng)時間比較長時，就會有很明顯的累積誤差。由于時間來源不同，以及電子器件自身原因造成的誤差，會導(dǎo)致汽車的導(dǎo)航設(shè)備、組合儀表和車載時鐘三個設(shè)備顯示的時間不一致、長時間誤差累計較大，給設(shè)計人員帶來帶來困擾，給用戶帶來抱怨。

一、技術(shù)分析

為了解決汽車的導(dǎo)航設(shè)備、組合儀表、以及車載時鐘顯示時間不一致的技術(shù)問題，本文提出了一種汽車時間同步系統(tǒng)方案。采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，由控制器判斷衛(wèi)星導(dǎo)航信號是否正確，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號正確時，從中提取出衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號并發(fā)送到信號選擇模塊；恒溫晶振持續(xù)輸出晶振時鐘信號至信號選擇模塊。當(dāng)信號選擇模塊沒有接收到衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號時，輸出晶振時鐘信號至所述信號處理單元；當(dāng)信號選擇模塊接收到衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號時，輸出衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號至信號處理單元。信號處理單元對接收到的時間信號進(jìn)行處理后，在組合儀表顯示屏、導(dǎo)航設(shè)備顯示屏和車載時鐘顯示屏上顯示出當(dāng)前時間。由于三個顯示屏的時間來源都來自于信號處理單元，所以三者顯示的時間能夠保持實時一致。

二、系統(tǒng)設(shè)計

在汽車的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備中集成兩個時間源，一為衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器，優(yōu)先級為高；二為內(nèi)置OCXO恒溫晶振，優(yōu)先級為低。采用查詢方式來選擇時間信號，當(dāng)有高優(yōu)先級的時間信號時，輸出高優(yōu)先級信號，當(dāng)無法獲取高優(yōu)先級信號時，輸出低優(yōu)先級信號。對選擇后輸出的時間信號進(jìn)行處理，再通過輸送到相應(yīng)的顯示單元中進(jìn)行時間顯示。以使各個設(shè)備顯示的時間保持同步一致。表1為時間源的優(yōu)先級列表。

表1

該系統(tǒng)包含：衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器、恒溫晶振、控制器、信號選擇模塊、信號處理單元、組合儀表顯示屏、導(dǎo)航設(shè)備顯示屏、車載時鐘顯示屏以及晶振校準(zhǔn)模塊9個模塊如圖1。

恒溫晶振選用精度為1e-8的OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator,恒溫槽控制晶體振蕩器），該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點的溫度上，具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度最高的一種?？刂破鬟x用車規(guī)級單片機(jī)；信號選擇模塊選用CPLD（Complex Programable Logic Devic，復(fù)雜可編程邏輯器件）；信號處理單元選用ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）。控制器利用自帶的串口-USART1接口（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，全雙工通用同步/異步串行收發(fā)接口），與衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器進(jìn)行雙向通信信號選擇模塊的功能也可以集成在信號處理單元中。

上電后本系統(tǒng)開始初始化，初始化完成后，控制器發(fā)送開啟命令到衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器，衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器開始接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并且將接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號發(fā)送至控制器。判斷該衛(wèi)星導(dǎo)航信號是否正確，當(dāng)沒有接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號或者衛(wèi)星導(dǎo)航信號不穩(wěn)定、幅度跳躍比較大時，判斷當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航信號不正確，輸出衛(wèi)星導(dǎo)航信號錯誤代碼到信號選擇模塊。當(dāng)判斷當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航信號正確時，從衛(wèi)星導(dǎo)航信號中提取出衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號，并且轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的編碼格式，輸送到信號選擇模塊和晶振校準(zhǔn)模塊系統(tǒng)程序流程如圖2所示。

當(dāng)汽車上的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備中衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收器時間關(guān)閉時或沒有配置導(dǎo)航設(shè)備，控制器可以根據(jù)導(dǎo)航調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行時間調(diào)節(jié)。在導(dǎo)航使用設(shè)置狀態(tài)下通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)按鈕組調(diào)整時鐘。時鐘應(yīng)當(dāng)顯示小時和分鐘，同時能夠確認(rèn)上午或者下午，按照中國慣例采用24小時制。時鐘數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)保存在KAM中并能在點火周期內(nèi)不丟失。電池切斷后，時鐘數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)復(fù)位到00:00:00（小時：分鐘：秒）。時鐘數(shù)據(jù)范圍是00:00:00到23:59:59，存儲的秒數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)有足夠的精度以滿足錯誤調(diào)整。當(dāng)時鐘數(shù)據(jù)需要更新的，秒應(yīng)當(dāng)遞增。當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)經(jīng)過了1分鐘（從上一次分鐘增加開始），分鐘應(yīng)當(dāng)遞增，同時秒應(yīng)當(dāng)被清零。當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)經(jīng)過了1小時（從上一次小時增加開始），小時應(yīng)當(dāng)遞增，同時分鐘應(yīng)當(dāng)被清零。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)到達(dá)了一天的小時數(shù)（時鐘從23:59:59到了00:00:00），小時應(yīng)當(dāng)被清零并開始計算新的一天。

當(dāng)接收到晶振時鐘信號，就累計晶振頻率，根據(jù)上一次的最新時間計算出當(dāng)前的最新時間。信號處理單元將當(dāng)前的最新時間，分別處理為適合不同顯示屏顯示的信號并通過總線輸出，所述組合儀表顯示屏、導(dǎo)航設(shè)備顯示屏、車載時鐘顯示屏在接收到相應(yīng)的信號后進(jìn)行時間顯示。

三、誤差修正

根據(jù)接收的衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號對恒溫晶振進(jìn)行頻率修正，每隔1h對恒溫晶振進(jìn)行一次修正，以更好地降低晶振溫度漂移的誤差。恒溫晶振持續(xù)輸出晶振時鐘信號至所述信號選擇模塊。信號選擇模塊對接收到的信號進(jìn)行排序選擇，當(dāng)接收到衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號和晶振時鐘信號時，輸出高優(yōu)先級信號，即輸出衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號。當(dāng)接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號錯誤代碼時，即沒有接收到高優(yōu)先級信號時，輸出低優(yōu)先級低信號，即輸出晶振時鐘信號。信號處理單元接收到衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號，就將其刷新為最新時間。

四、結(jié)論

利用衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號作為同步源，對三種設(shè)備顯示的時間進(jìn)行同步。并且在衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號正常的情況下，通過衛(wèi)星導(dǎo)航時間信號對恒溫晶振進(jìn)行頻率修正。這樣使系統(tǒng)在GPS無信號或干擾太大導(dǎo)致不能提供時間基準(zhǔn)從而喪失同步源的情況下，由恒溫晶振繼續(xù)提供高精度時鐘信號輸出，從而保證系統(tǒng)顯示時間的準(zhǔn)確性。通過以上技術(shù)方案，使導(dǎo)航設(shè)備顯示屏，組合儀表顯示屏，車載時鐘顯示屏上顯示的時間完全一致，并且時間非常精準(zhǔn)。

[1]王玉龍.談?wù)劸д馵J].家電維修,2006,（3）.

[2]胡錦倫.綜合GPS時間[J].電波科學(xué)學(xué)報,1997，（3）.