时间同步技术的研究

唐程光， 邓 华， 洪治武

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心， 安徽 合肥 230601）

目前汽车上装配的卫星导航设备、组合仪表、车载时钟分别由各自独立的信号源来获取时间。卫星导航是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间的用户进行空间导航定位的技术。现有的卫星导航系统包括：全球定位系统（GPS）、格洛纳斯系统（GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BDS）、以及伽利略定位系统等。

汽车通过卫星导航信号接收器接收来自于卫星导航系统的信号，从中提取出精密的卫星导航时间信号。卫星导航时间是卫星定位系统建立的专用时间系统，它由主控站里的一组高精度原子钟所控制。对于卫星导航时间信号，由于卫星导航信号接收器的短期失锁、卫星试验、电磁干扰等原因可能存在偶然误差，但不存在累积误差。组合仪表和车载时钟显示的时间来自于内部集成的恒温晶振，由于晶振生产工艺不同以及所处电磁温度环境不同，会造成一定的精度误差（大于1s/24h），当时间比较长时，就会有很明显的累积误差。由于时间来源不同，以及电子器件自身原因造成的误差，会导致汽车的导航设备、组合仪表和车载时钟三个设备显示的时间不一致、长时间误差累计较大，给设计人员带来带来困扰，给用户带来抱怨。

一、技术分析

为了解决汽车的导航设备、组合仪表、以及车载时钟显示时间不一致的技术问题，本文提出了一种汽车时间同步系统方案。采用卫星导航信号接收器接收卫星导航信号，由控制器判断卫星导航信号是否正确，当卫星导航信号正确时，从中提取出卫星导航时间信号并发送到信号选择模块；恒温晶振持续输出晶振时钟信号至信号选择模块。当信号选择模块没有接收到卫星导航时间信号时，输出晶振时钟信号至所述信号处理单元；当信号选择模块接收到卫星导航时间信号时，输出卫星导航时间信号至信号处理单元。信号处理单元对接收到的时间信号进行处理后，在组合仪表显示屏、导航设备显示屏和车载时钟显示屏上显示出当前时间。由于三个显示屏的时间来源都来自于信号处理单元，所以三者显示的时间能够保持实时一致。

二、系统设计

在汽车的卫星导航设备中集成两个时间源，一为卫星导航信号接收器，优先级为高；二为内置OCXO恒温晶振，优先级为低。采用查询方式来选择时间信号，当有高优先级的时间信号时，输出高优先级信号，当无法获取高优先级信号时，输出低优先级信号。对选择后输出的时间信号进行处理，再通过输送到相应的显示单元中进行时间显示。以使各个设备显示的时间保持同步一致。表1为时间源的优先级列表。

表1

该系统包含：卫星导航信号接收器、恒温晶振、控制器、信号选择模块、信号处理单元、组合仪表显示屏、导航设备显示屏、车载时钟显示屏以及晶振校准模块9个模块如图1。

恒温晶振选用精度为1e-8的OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator,恒温槽控制晶体振荡器），该晶振采用精密控温，使晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上，具有很高的频率精度和稳定度，是目前石英晶振器件中频率稳定度最高的一种。控制器选用车规级单片机；信号选择模块选用CPLD（Complex Programable Logic Devic，复杂可编程逻辑器件）；信号处理单元选用ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）。控制器利用自带的串口-USART1接口（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，全双工通用同步/异步串行收发接口），与卫星导航信号接收器进行双向通信信号选择模块的功能也可以集成在信号处理单元中。

上电后本系统开始初始化，初始化完成后，控制器发送开启命令到卫星导航信号接收器，卫星导航信号接收器开始接收卫星导航信号，并且将接收到的卫星导航信号发送至控制器。判断该卫星导航信号是否正确，当没有接收到卫星导航信号或者卫星导航信号不稳定、幅度跳跃比较大时，判断当前卫星导航信号不正确，输出卫星导航信号错误代码到信号选择模块。当判断当前卫星导航信号正确时，从卫星导航信号中提取出卫星导航时间信号，并且转换为系统可识别的编码格式，输送到信号选择模块和晶振校准模块系统程序流程如图2所示。

当汽车上的卫星导航设备中卫星导航信号接收器时间关闭时或没有配置导航设备，控制器可以根据导航调节旋钮进行时间调节。在导航使用设置状态下通过旋转调节按钮组调整时钟。时钟应当显示小时和分钟，同时能够确认上午或者下午，按照中国惯例采用24小时制。时钟数据应当保存在KAM中并能在点火周期内不丢失。电池切断后，时钟数据应当复位到00:00:00（小时：分钟：秒）。时钟数据范围是00:00:00到23:59:59，存储的秒数据应当有足够的精度以满足错误调整。当时钟数据需要更新的，秒应当递增。当发现已经经过了1分钟（从上一次分钟增加开始），分钟应当递增，同时秒应当被清零。当发现已经经过了1小时（从上一次小时增加开始），小时应当递增，同时分钟应当被清零。

当发现已经到达了一天的小时数（时钟从23:59:59到了00:00:00），小时应当被清零并开始计算新的一天。

当接收到晶振时钟信号，就累计晶振频率，根据上一次的最新时间计算出当前的最新时间。信号处理单元将当前的最新时间，分别处理为适合不同显示屏显示的信号并通过总线输出，所述组合仪表显示屏、导航设备显示屏、车载时钟显示屏在接收到相应的信号后进行时间显示。

三、误差修正

根据接收的卫星导航时间信号对恒温晶振进行频率修正，每隔1h对恒温晶振进行一次修正，以更好地降低晶振温度漂移的误差。恒温晶振持续输出晶振时钟信号至所述信号选择模块。信号选择模块对接收到的信号进行排序选择，当接收到卫星导航时间信号和晶振时钟信号时，输出高优先级信号，即输出卫星导航时间信号。当接收到卫星导航信号错误代码时，即没有接收到高优先级信号时，输出低优先级低信号，即输出晶振时钟信号。信号处理单元接收到卫星导航时间信号，就将其刷新为最新时间。

四、结论

利用卫星导航时间信号作为同步源，对三种设备显示的时间进行同步。并且在卫星导航时间信号正常的情况下，通过卫星导航时间信号对恒温晶振进行频率修正。这样使系统在GPS无信号或干扰太大导致不能提供时间基准从而丧失同步源的情况下，由恒温晶振继续提供高精度时钟信号输出，从而保证系统显示时间的准确性。通过以上技术方案，使导航设备显示屏，组合仪表显示屏，车载时钟显示屏上显示的时间完全一致，并且时间非常精准。

[1]王玉龙.谈谈晶振[J].家电维修,2006,（3）.

[2]胡锦伦.综合GPS时间[J].电波科学学报,1997，（3）.