一种应用于大型加速器的精确授时系统

1.本发明涉及加速器通信技术领域，尤指一种应用于大型加速器的精确授时系统。


背景技术：

2.加速器是一种复杂的使带电粒子增加速度(动能)的装置，加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。授时系统是确定和发播精确时刻的时频系统，在大型加速器运行过程中很多数据分析高度依赖于高精度时间同步，所以需要有一种可以精准授时系统。


技术实现要素：

3.针对大型加速器，本发明旨在提供一种时间通信方式，尤指一种应用于大型加速器的精准授时系统。
4.本发明所采用的技术方案是：一种应用于大型加速器的精确授时系统，所述的精确授时系统是基于事件定时系统实现全域的高精度同步时间戳，所述的事件定时系统主要由事件产生器和事件接收器构成，事件产生器和事件接收器通过光纤网络以星型拓扑结构进行连接；所述的事件定时系统包括一个定时主站和两个或两个以上的定时子站。
5.所述的定时主站是包含事件产生器的站点；所述的定时子站是包含事件接收器的站点。
6.所述的定时主站的软件模块主要包括：事件中断程序模块、utc时间获取及处理模块和utc秒数发送模块；工作执行逻辑如下：程序启动并完成初始化后，utc时间获取模块通过ntp协议获取utc时间并锁定，并对锁定后的utc时间进行截断处理，只保留utc时间的秒部分(下称utc秒数)，该utc秒数作为定时主站软件程序维持的秒时间的初始值；事件中断程序模块负责响应由gps时间服务器(内置高精度铷原子钟)输出的秒脉冲产生的外部触发中断，事件中断程序模块收到中断后，立即对定时主站的秒时间进行自加运算，以保持和utc秒数的一致，并把定时主站的秒时间换为32位事件码(0对应事件码0x70，1对应事件码0x71)，且保证在本秒内发送到事件定时网络中的所有定时子站，作为定时子站下一秒的时间基准。同时，软件程序还周期性判断定时主站的秒时间和通过ntp获取的utc秒数是否相同，以此判断事件定时系统的秒时间是否正确。
7.所述定时子站的主要软件模块包括：时间注册模块和时间读取模块。软件模块功能如下：时间注册模块负责初始化事件定时时间参数，并将事件定时时间注册至epicsepicsgeneraltime框架；时间读取模块用于读取事件接收器中秒寄存器和计数寄存器，并通过数据处理及换算，给出精确时间。时间读取模块可给出当前的实时时间，也可以给出收到某个事件码的锁存时间。另外，配合epicsgeneraltime框架，还可以为epicspv提供精确的时间。
8.所述的连接事件产生器和事件接收器之间的多模光纤长度最长为550米，即两个事件接收器的之间的物理连接距离可达1100米。
9.所述的事件产生器可以接收外部ttl电平信号产生事件码，并把事件码发送到事件定时网络中的各个事件接收器。
10.所述的事件产生器通过gps时间服务器产生的秒脉冲产生“秒”事件码，发送到各个事件接收器，用于同步复位分布在不同地理位置的事件接收器的纳秒计数器。
11.所述的事件产生器把精确的utc秒数通过32位事件码发送到各个事件接收器，用于同步分布在不同地理位置的事件接收器的秒时间。
12.所述的事件产生器把高精度分布式时钟通过事件定时网络发送到各个事件接收器，事件接收器使用高精度计数时钟来计数产生纳秒时间，通过把秒时间和纳秒时间进行组合，得到完整的精度可到10ns级别的高精度时间戳。
13.一种应用于大型加速器的精确授时系统，所述的授权系统的工作逻辑原理如下：
14.s1、gps时间服务器产生的秒脉冲信号输入到事件产生器产生“秒事件码”，定时主站以事件钟频率把“秒事件码”发送到事件定时网络中的所有事件接收器；定时主站在每次“秒事件码”产生后，保证该秒内把精确的utc秒数以32位事件码方式发送到事件定时网络中的所有事件接收器；同时，定时主站把事件产生器产生的分布式时钟发送到事件定时网络中的所有事件接收器。
15.s2、事件接收器把接收到的utc秒数暂存在“秒移位寄存器”；事件接收器使用事件产生器产生的分布式时钟作为纳秒计数器的计数时钟；事件接收器接收到“秒事件码”后，把“秒移位寄存器”中的utc秒数赋值到“秒寄存器”中，同时复位纳秒计数器。
16.s3、精确时间戳由秒寄存器的值和纳秒计数器的计数值组成，时间读取模块通过读取“秒寄存器”和“计数寄存器”的值，然后进行换算，得到精确时间，完成精准授时。
17.本发明的有益效果是：本发明中的连接事件产生器和事件接收器的多模光纤长度最长可达550米，使得本发明适用于大型加速器设备，本发明中事件定时系统除了可以提供高稳定和高精度的触发信号和时钟信号外，还可以基于事件定时系统实现全域的高精度同步时间戳；本发明的用于为大型加速器在大范围内(千米)提供精度可达10ns级别的精确时间戳，用于同步分布在大型加速器不同地理位置设备的时间，从而保证所有设备提供的数据具有高度时间相关性。此外，结合加速器领域广泛应用的epicsepicsgeneraltime框架，还可以为epicspv(过程变量：process variable)打上精确时间戳，从而使加速器全局pv具备高度相关的时间戳。
附图说明
18.图1是本发明中事件定时系统的拓扑图。
19.图2是基于事件定时系统实现高精度时间戳框图。
20.图3是本发明中定时主站的执行逻辑流程图。
21.图4是本发明中定时子站的执行逻辑流程图。
22.图5是本发明中两个定时子站的时间戳差统计图。
具体实施方式
23.以下结合说明书附图，详细说明本实施例具体实施方式：
24.一种应用于大型加速器的精确授时系统，所述的精确授时系统是基于事件定时系
统实现全域的高精度同步时间戳，所述的事件定时系统主要由事件产生器和事件接收器构成，事件产生器和事件接收器通过光纤网络以星型拓扑结构进行连接；所述的事件定时系统包括一个定时主站和两个或两个以上的定时子站。其中所述的定时主站是包含事件产生器的站点；所述的定时子站是包含事件接收器的站点。
25.更具体的是，本实施例中所使用的硬件为芬兰mrf公司、中国科学院上海应用物理研究所分别研制的事件定时板卡，软件部分为自主设计与开发，所述的事件产生器和事件接收器之间的多模连接光纤长度为550米，可应用于大型加速器的事件定时系统，除了可以提供高稳定和高精度的触发信号和时钟信号外，还可以基于事件定时系统实现全域的高精度同步时间戳。
26.事件定时系统主要由事件产生器和事件接收器构成，事件产生器和事件接收器以星型拓扑结构进行连接，典型的事件定时系统组成如图1所示，即包含一个定时主站(包含事件产生器的站点)和两个及以上的定时子站(包含事件接收器的站点)。
27.事件产生器可以接收外部时钟产生事件码，并把事件码发送到事件定时网络中的各个事件接收器。事件产生器使用gps时间服务器产生的秒脉冲产生“秒事件码”，并发送到各个事件接收器，用于同步复位分布在不同地理位置的事件接收器的纳秒计数器；事件产生器把精确的utc秒数发送到各个事件接收器，可以同步分布在不同地理位置的事件接收器的秒时间；事件产生器还把高精度计数时钟通过事件定时网络发送到各个事件接收器，用于计算纳秒部分的时间。通过把秒时间和纳秒时间进行组合，可得到完整的精度可到10ns级别的高精度时间戳。具体实现逻辑如图2所示。
28.本实施例中，所述的定时主站还包括事件中断程序模块、utc时间获取及处理模块和utc秒数发送模块。工作执行逻辑如下：程序启动并完成初始化后，utc时间获取模块通过ntp协议获取utc时间并锁定，并对锁定后的utc时间进行截断处理，只保留utc时间的秒部分(以下称为utc秒数)，该utc秒数作为定时主站软件程序维持的秒时间的初始值；事件中断程序模块负责响应由gps时间服务器输出的秒脉冲产生的外部触发中断，事件中断程序模块收到中断后，立即对定时主站的秒时间进行自加运算，以保持和utc秒数的一致，并把定时主站的秒时间换为32位事件码(0对应事件码0x70，1对应事件码0x71)，且保证在本秒内发送到事件定时网络中的所有定时子站，作为定时子站下一秒的时间基准。同时，软件程序还周期性判断定时主站的秒时间和通过ntp获取的utc秒数是否相同，以此判断事件定时系统的秒时间是否正确。
29.本实施例中，所述的定时子站的主要软件模块包括：时间注册模块和时间读取模块。软件模块功能如下：时间注册模块负责初始化事件定时时间参数，并将事件定时时间注册至epicsepicsgeneraltime框架；时间读取模块用于读取事件接收器中秒寄存器和计数寄存器，并通过数据处理及换算，给出精确时间。时间读取模块可给出当前的实时时间，也可以给出收到某个事件码的锁存时间。另外，配合epicsgeneraltime框架，还可以为epicspv提供精确的时间。
30.所述的事件产生器可以接收外部时钟产生事件码，并把事件码发送到事件定时网络中的各个事件接收器。
31.所述的事件产生器通过gps时间服务器产生的秒脉冲输入信号产生“秒事件码”，发送到各个事件接收器，用于同步复位分布在不同地理位置的事件接收器的纳秒计数器。
32.所述的事件产生器把精确的utc秒数发送到各个事件接收器，用于同步分布在不同地理位置的事件接收器的秒时间。
33.所述的事件产生器把高精度计数时钟通过事件定时网络发送到各个事件接收器，用于计算纳秒部分的时间。通过把秒时间和纳秒时间进行组合，可得到完整的精度可到10ns级别的高精度时间戳。
34.一种应用于大型加速器的精确授时系统，所述的授权系统的工作逻辑原理如下：
35.s1、gps时间服务器产生的秒脉冲信号输入到事件产生器产生“秒事件码”，定时主站以事件钟频率把“秒事件码”发送到事件定时网络中的所有事件接收器；定时主站在每次“秒事件码”产生后，保证该秒内把精确的utc秒数以32位事件码方式发送到事件定时网络中的所有事件接收器；同时，定时主站把事件产生器产生的分布式时钟发送到事件定时网络中的所有事件接收器。
36.s2、事件接收器把接收到的utc秒数暂存在“秒移位寄存器”；事件接收器使用事件产生器产生的分布式时钟作为纳秒计数器的计数时钟；事件接收器接收到“秒事件码”后，把“秒移位寄存器”中的utc秒数赋值到“秒寄存器”中，同时复位纳秒计数器。
37.s3、精确时间戳由秒寄存器的值和纳秒计数器的计数值组成，时间读取模块通过读取“秒寄存器”和“计数寄存器”的值，然后进行换算，得到精确时间，完成精确授时
38.本实施例实验效果如图5所示，5万次(每次间隔1秒)随机获取的两个事件接收器的时间差统计图，最大时间偏差为25ns(与使用的计数时钟有关系，计数时钟为40mhz)；在本实施例中，时间戳精度取决于计数器时钟频率，比如计数器时钟为100mhz，则时间戳可达到的精度为10ns；本发明中的事件产生器和事件接收器连接的光纤长度为550米，使得本发明适用于大型加速器装置；本发明中事件定时系统除了可以提供高稳定和高精度的触发信号和时钟信号外，还可以基于事件定时系统实现全域的高精度同步时间戳；本发明的用于为大型加速器在大范围内(千米)提供精度可达10ns级别的精确时间戳，用于同步分布在大型加速器不同地理位置设备的时间，从而保证所有设备提供的数据具有高度时间相关性。此外，结合加速器领域广泛应用的epicsepicsgeneraltime框架，还可以为epicspv(过程变量：process variable)打上精确时间戳，从而使加速器全局pv具备高度相关的时间戳。
39.上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。