基于VxWorks和FPGA的授时系统设计与实现

dragongfly

摘要∶时间同步是海洋石油地震勘探中各系统协同工作的前提，同步精度直接影响着地震数据的精度;设计了一套基于嵌入式实时操作系统 VxWorks和 FPGA的授时系统，精度优于50 μs;该系统采用工控 VME机箱作为各模块载体，基于GPS时间源和 FPGA三级计时器进行精准时钟守护;软件基于 VxWorks 设计，详细介绍了基于 SNTP 协议的网络时间服务编程方法;同时基于GPIO设计了一套通讯协议实现软件模块和 FPGA 模块的通讯;该系统在中国海洋石油物探船上实际应用结果表明∶授时精度满足海洋石油勘探的时间同步精度要求，长时间且稳定的提供时间服务满足可靠性要求;在不失实时性和精度的前提下，该系统采用了模块化设计，良好的扩展能力，使之易于扩展出具有时间标定或时间服务的应用系统。

0 @; x/ W, z( v. l1 e' S0 ]) |/ N* l- _中国海油开展自主海上地震勘探装备研发，实现海洋地震拖缆采集装备产业化应用并跻身国际先进行列。拖缆综合导航系统是物探船的"大脑"，负责指挥和控制地震勘探作业过程。"海途"拖缆综合导航系统由综合导航系统软件和导航数据采集平台组成，导航数据采集平台为船载各系统提供时间服务、采集外部设备数据并进行时间戳标定、根据导航算法计算的响炮时间实时同步触发外部设备等，可见具备内部时钟并给数据时间戳标定（数据授时）是拖缆综合导航系统工作的前提，而时间同步（时间授时）又是船载外部系统能与拖缆综合导航系统协同工作的前提。
实现时间同步通常采用授时系统（时间服务器）的方式，目前市场上常见授时系统分为两种，一种为通用设备，常用于Internet 上提供用户计算机时间的同步，受 Internet 网络环境影响，同步实时性、精度通常不高;另一种是专用设备，通常作为专业组件内置于专业设备之中，不能被其他系统所利用。针对物探船相对封闭的的局域网环境，本文基于 VxWorks 和现场可编程阵列（FPGA，field-pro-grammable gate array）设计并实现了一套授时系统，该系统既能作为时钟基准用于内部数据授时，又能作为时间服务器用于同步局域网系统时间。在本授时系统之上扩展的导航数据采集平台，是"海途"拖缆综合导航系统的核心单元。
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1、系统总体设计
- @& |. F5 N% b% V, \- N本系统采用欧式通用计算机总线（VME，versamodule eurocard）工控机箱作为授时系统各模块搭载箱体，前插版和后插板基于 VME 背板总线互通互连，如图1所示。其中，前插版为系统主控板，采用GE公司 VG5单板计算机和 VxWorks 实时操作系统;后插板为时钟守护板，主要包括 FPGA 模块、授时模块及外部天线插座和网络插座等。前插板和后插板采用通用型输入输出（GPIO，general purpose IO）组件接口进行通讯，物理上采用 P2 接插件连接。
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1.1  流程设计
全球定位系统（GPS，global positioning system）提供了全球、全天候、实时的精密导航和定位能力，同时提供了协调世界时（UTC，coordinate universal time）作为时间系统，它是目前应用最为广泛的主动式卫星授时手段。
本文选用i-Lotus公司的M12MTiming GPS为授时模块，为本授时系统提供时间参考基准。物探船的速度一般不超过8m/s，M12MTiming GPS基于GPS卫星C/A Code 工作，最大能捕获12颗GPS卫星，动态速度达到515m/s，秒脉冲（1 PPS，one pulse per second）定时精度达到12 ns @6-sigma，通讯协议支持NMEA 0183 v3.0，能极大地满足海洋地震勘探的时间精度需要。M12M Timing GPS授时模块以标准的晶体管一晶体管逻辑集成电路（TTL，tran-sistor-transistor logic）电平形式每秒产生1 PPS 信号的同时，会以RS232串口形式同步输出一个与1PPS相对应的整数秒UTC时间信息，串口UTC时间信息与TTL电平信号延迟在50ms之内，时序如图2所示。
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9 q+ Y# [$ g# @% i! K3 ?通过主控板捕获授时模块输出的 UTC 时间信息，将解析后的年月日时间信息交由系统主控板实时时钟（RTC，real-time clock）维护，时分秒信息通过 GPIO组件接口交由 FPGA模块维护，如图3 所示。
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在以太网局域网环境中，网络时间协议（NTP，net-work time protocal）是当前最常用的计算机系统时间同步协议。NTP时间同步协议基于复杂的最优主时钟选择算法实现，带来的结果是时间同步收敛较慢，同时在同步过程中占用较多的系统资源，不能很好应对地震勘探中的实时性要求。简单网络时间协议（SNTP，simple network time protocal）在 NTP基础上做了优化和改进，简化了复杂的时间同步计算过程，轻量级设计使得其在保证同步精度的前提下，更加适合于局域网内需要时间同步的计算机系统数量不是很多、单个时钟源情形，SNTP在局域网范围内时间同步精度可以达到0.1 ms的精度，能满足地震勘探做时间同步的精度需求。地震勘探中各系统处于相对封闭的局域网环境中，各系统构成相对 比较固定，采用SNTP协议能简化协议实现的复杂度，降低资源占用率和提
. Y$ s5 s" y5 }& w: S- B- ?升运行效率，可为其他应用最大留出系统资源。本系统（运行于系统主控板的应用软件）为 SNTP的服务端，其他系统为客户端，如图4所示。
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niubility

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VIC56

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