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三、时钟及时钟同步误差
3.1时钟误差
众所周知,计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲,计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响,故时钟本身不可避免地存在着误差。例如,某精度为±20ppm的时钟,其每小时的误差为:(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms,一天的累计误差可达1.73s;若其工作的环境温度从额定25℃变为45℃,则还会增加±25ppm的额外误差。可见,DCS中的时钟若不经定期同步校准,其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。
随着晶振制造技术的发展,目前在要求高精度时钟的应用中,已有各种高稳定性晶振体可供选用,如TCXO(温度补偿晶振)、VCXO(压控晶振)、OCXO(恒温晶振)等。
3.2时钟同步误差
如果对类似于TXP的时钟同步方式进行分析,不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的DCS的绝对对时误差可由以下三部分组成:
3.2.1GPS时钟与卫星发射的UTC(世界协调时)的误差
这部分的误差由GPS时钟的精度所决定。对1PPS输出,以脉冲前沿为准时沿,精度一般在几十ns至1μs之间;对IRIG-B码和RS-232串行输出,如以中科院国家授时中心的地钟产品为例,其同步精度以参考码元前沿或起始相对于1PPS前沿的偏差计,分别达0.3μs和0.2ms。
3.2.2DCS主时钟与GPS时钟的同步误差
DCS网络上的主时钟与GPS时钟通过“硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的时钟同步卡接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如,如在接受端对RS-232输出的ASCII码字节的发送延迟进行补偿,或对IRIG-B编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡,则主时钟与GPS时钟的同步精度可达很高的精度。
3.2.3DCS各站点主从时钟的同步误差
DCS主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步,其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在:(1)在主时钟端生成和发送时间报文时,内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等;(2)在时间报文上网之前,还必须等待网络空闲(对以太网),遇冲突还要重发;(3)时间报文上网后,需一定时间通过DCS网络媒介从主时钟端传送到子时钟端(电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速,对DCS局域网而言,传播时延为几百ns,可忽略不计);(4)在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后,接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了DCS主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。
当然,不同网络类型的DCS、不同的时钟通信协议和同步算法,可使网络对时的同步精度各不相同,上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上,随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究,多种复杂但又高效、高精确的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如,互联网上广为采用的网络时间协议(NetworkTimeProtocol,NTP)在DCS局域网上已能提供±1ms的对时精度(如GE的ICS分散控制系统),而基于IEEE1588的标准精确时间协议(StandardPrecisionTimeProtocol,PTP)能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。
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