恒温振荡器(时间授时有多重要？北斗系统的时间同步设计，有哪些精妙之处？)

Posted 2023-05-26

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恒温振荡器(时间授时有多重要？北斗系统的时间同步设计，有哪些精妙之处？)

近年来，我国在各个方面均加大了对国产化替代的投入力度，不再单纯依赖国外技术，这使得国内各项信息技术得以蓬勃发展，特别是芯片技术和导航系统。同时现代电子系统迅猛发展，对于时间基准设备的精度要求越来越高，而目前国内的时间服务器不管从规格或者价格上都比较混乱，没有形成统一的标准。

针对这种需求，利用国产处理器与北斗导航系统，开展基于北斗的时间同步系统设计有一定工程应用价值。在国家高技术研究发展计划中指出，计算机技术是决定到国家命运的战略性产业之一。

一、应用强、技术弱

计算机系统的核心器件是通用处理器，信息处理、程序执行、数据运算等都离不开处理器的工作，其发展直接关系到国家是否能从根本上改变核心技术受制于人的情况，事关国家安全。

我国在CPU研制上出现“应用强、技术弱”的情况，与国外存在一定的差距，由于研发时间晚于国外，技术积累不足，部分核心技术缺失，在美国实施对我国进行技术制裁时，我们较为被动。

为了打破“卡脖子”的被动局面，多年来，我国在国产芯片的研发突破与迭代应用上不懈努力，成果丰富，各国产处理器厂家如龙芯、申威、飞腾等，已经研制出了多款高性能的CPU芯片，已应用到我们身边的各个领域。

“龙芯”处理器的研发开始于2001年中科院计算所，得到了国家高技术研究发展计划的大力支持，是我国最早研制的高性能通用处理器系列。在政府的产业扶持和关键技术攻关帮助下，经过十余年的潜心研究，不断积累核心技术，之后开始市场化运作，形成“应用-反馈-迭代调优-再应用”的正向循环，研发成果不断推陈出新。

国产CPU产品的百花齐放打破了Intel的垄断局面，但不够成熟的技术使其发展受限。对于龙芯来说，因为研发初期目标是提高我国国防技术能力，产品要运用在军事、航空航天等领域，对信息安全要求极高，导致其追求极致的安全性，其他方面性能并不突出，不能方便的应用于其他民用领域。

相信未来随着政策、资本、社会舆情的不断引导，与之相关的其他领域的研究会快速发展。北斗短报文协议，简称RDSS协议，最早使用的是2006年11月发布北斗一号用户机数据接口要求，版本4.0，简称4.0协议。

因为4.0协议为二进制格式，使用起来不是特别方便，所以在2014年8月国家发布了北斗卫星导航系统用户终端通用数据接口，版本2.1，简称2.1协议。2.1协议为文本格式，除支持本身的RDSS协议外还兼容RNSS协议。

由于2.1协议功能和扩展性更丰富，目前2.1协议正逐步代替4.0协议。因为北斗短报文卫星一直在向地面广播信号和时间，RDSS获取时间不会占用北斗短报文的发送频度，不会对时间精度造成影响。

RDSS 2.1协议的语句都是以美元符号“$”开始，以英文字符“,”和“*”为分隔符，以回车换行符“\\r\\n”结束。NTP（Network Time Protocol）是用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步的协议，目前最新的NTP版本是第4版（NTPv4），其标准化文档为RFC 5905。

二、北斗的授时

协议在不断地开发中形成了严格、实用、有效的机制，适应于在各种规模、速度的网络环境下工作，近些年来迅速发展。NTP采用的结构是Client/Server，时间标准是世界协调时UTC，设备A和设备B各自有独立的系统时钟，需要通过NTP实现二者时钟的自动同步。

为便于理解其工作原理，假设：目前设备A和设备B系统时钟不同步，设备A的时间为10:00:00am，设备B的时间为11:00:00am；设备B为NTP时间服务器同步设备A的时钟，处理时间需要1秒；设备A和设备B单向传输NTP报文所需时间为1秒。

龙芯1C最高主频达到300MHz，包含浮点处理单元，使CPU对多媒体数据与图形数据的处理能力有效增强；内存接口设计灵活，方便内存芯片的选型；存储扩展接口支持8-bit SLC NAND和MLC NAND FLASH，允许系统拥有更大容量。

提供了丰富的外设接口，例如全功能UART接口、高速SPI接口、LCD控制器等，都是本产品功能实现必不可少的部分；同时芯片满负荷功耗小于0.5W，非常低，不用考虑长时间工作的散热和性能等问题。龙芯1C处理器为MIPS架构，系统使用开源的Linux操作系统进行修改、编写，用来管理整个系统资源。

开源的Linux系统拥有众多的追随者，大家不断钻研源代码，改写出属于自己的操作系统，在多年的累积下，Linux系统不断壮大、完备、稳定，是一个理想的开发平台。

拥有一个自己的嵌入式Linux系统可以分为四个部分：引导程序移植，Linux内核移植，根文件系统移植，应用程序的开发编译。引导程序、内核与根文件系统的移植是一个Linux系统能开机运行的必要步骤，在此基础上进行应用程序的开发编译，实现不同的系统功能。

龙芯1C平台的引导程序是PMON（Prom Monitor），分为汇编代码部分和C代码部分，汇编代码部分是系统每次开机时执行的第一段代码，用来初始化基本硬件，如果硬件环境出现问题给出告警；汇编代码部分执行通过后开始执行C代码部分，对环境变量、数据结构等进行初始化，最后调用Linux内核，挂载根文件系统。

根文件系统提供了根目录，是系统的核心，包括内核启动后的应用层配置等系统配置文件和运行应用软件所需要的库，包括shell命令程序也在根文件系统上，同时根文件系统还是文件和数据的存储区域，作为一切皆文件的Linux系统，根文件系统的重要性不言而喻。

三、龙芯平台

应用程序是为达到系统设计的某些功能编写的程序，是系统的眼睛，好的应用程序配上设计精良的硬件就是画龙点睛。龙芯平台的应用程序为通用的.c后缀文件，程序设计完成使用龙芯的编译器命令mipsel-linux-gcc进行编译，将编译后的可执行文件烧写到FLASH芯片就可以正常运行。

电力设备的起停操作会使电压及电流出现瞬态干扰，极易造成设备电路损坏而出现损失，同样无处不在的雷击干扰与静电放电等也会有同样的危害。

因为系统需要通过蘑菇头天线接收北斗卫星信号，而蘑菇头天线通常放置于房顶或其他开阔地带，所以受雷击概率更大，需要一种高效能器件保护，二极管形式的TVS管，电路中设计简单，可以以10-12秒量级的速度，在其受到瞬态冲击时将两极间高达数千瓦的浪涌功率吸收，避免电路中的精密元器件遭受损坏。

电路设计中，在BNC输入信号进入其他电路前放置TVS管，下拉到地，将可能出现的浪涌脉冲导入到地，保护电路中其他元器件。由于J1为天线输入接口，雷击等原因形成的过电压和过电流情况更加复杂，采用两级防护电路设计，在前级放置三极管PMB3904释放大部分雷击浪涌能量，后级装TVS管释放雷击浪涌残余能量，达到保护后面电路的目的。

采用这样的防护电路，结构简单，成本低，易实现。守时单元的目的是实现晶振秒脉冲周期与标准秒之间的误差尽量小。在守时模块的实现中，电压控制型恒温晶振的输出脉冲在经过分频之后产生秒脉冲信号，通过数字鉴相器测量晶振秒脉冲和标准秒脉冲的时间差，经过滤波处理后，通过VCO来微调晶振的频率，构成一个完整的锁相环电路，得到精准的秒脉冲信号。

电路主要由10MHz高精度恒温晶体振荡器、锁相环芯片ADF4001BRU、环路滤波电路等组成[61]。ADI亚德诺公司生产的型号为ADF4001BRU的射频PLL芯片，是一款单片集成芯片，集成了低噪声数字鉴频鉴相器、精密电荷泵、可编程参考分频器（R分频器）和可编程13位N分频器，集成度很高。

13位N分频器由6位A计数器、13位B计数器与双模分频器（P/P+1）共同组成，在ADF4001BRU芯片外围电路加上环路滤波电路和压控振荡电路，就实现了一个完整的锁相环电路。

由于硬盘处理数据的速度与MCU相差很远，硬盘完全无法跟上CPU的处理速度，即使CPU设计了缓存，但是受限于成本和CPU面积，这个缓存空间很有限，于是就在CPU缓存和硬盘之间又加入了新的存储器：内存。

小结

龙芯1C芯片内部集成了SDRAM内存控制器，支持市面上常见的8位、16位SDRAM颗粒，支持最大的存储容量不少于256MB。内存控制器中实现了动态页管理功能。该功能的意义在于最迟关闭行和交错预充电策略由控制器在硬件电路上选择，可以不需要软件设计者的干预而进行内存的一次存取。

核心板卡为四层板设计，表面第一层和第四层都为信号层，中间二三层分别为地层和电源层，元器件单面摆放，关键信号布置在顶层。预留接口有UART/GPIO，可以以插针形式引出，方便后续开发。另设复位按键，方便使用。各类信号走线严格按照协议规范进行最优处理，电路布局尽最大可能将干扰源屏蔽。