高精度网络同步时钟原理剖析

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      高精度网络同步时钟原理剖析，主要讲述时钟走时精度的三要素：自主走时精度、网络同步方式、网络延时控制。

 1、自主走时精度控制：

       时间精度是根据各个用户所要求对LED电子时钟时间的度量作出的分类，是用来进行计量的一种方式方法。时间精度按量级可分为：纳秒（ns）、皮秒（ps）、微秒（us）、毫秒（ms）、秒（s）、分（min）、小时（h）等，时间的精度除了自身的产品能从网络获取时间外，还依靠在断网的情况下自身走时精度。我公司的GPS/NTP网络联网校时时钟不仅能从GPS/NTP网络获取时间，其自身时精度高达5PPM，产品正是因为采用了进口时间芯片DS3231，才能得到如此优异的表现，DS3231是一款低成本、非常精确的I2C集成温度补偿的实时时钟（RTC）晶体振荡器（TCXO）和晶体。该装置包括一个电池输入，能保证LED时钟电源断开时也能精确走时。晶体谐振器的集成提高了LED时钟的长期精度减少及生产线中的零件所造成的误差。

       LED时钟精度高达5PPM细节特点：

              1、高度精确的RTC完全管理所有计时功能，减少生产过程中的误差可能。

              2、实时时钟计数秒、分、小时、月、日、星期和年，闰年补偿有效期至2100年。

              3、精度在0°C到+40°C之间为±2ppm。

              4、精度在-40°C到+85°C之间为±3.5ppm。

              5、功耗操作延长电池备份时间。

              具体电路设计图如下：

2、保证时间精度的网络同步方式：

       以上介绍了时钟时间的精度的自身走时精度，然而再精确的走时机构始终会有误差，加上无人值守的环境很多，如在电力、金融、通信、交通、广电、石化、冶金、国防、教育、IT、公共服务设施等各个领域，时间很重要往往又不被人们去花时间去操作，这就需要有一个稳定可靠的时间源能为时钟提供时间，让人们能享受到时间带来的很似”不重要“的方便。立显GPS/NTP网络校时系统采用SMT表面贴装技术生产，大规模集成电路设计，以高速芯片进行控制，具有精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单等特点，全自动智能化运行，免操作维护。这样的时间源很多，如：NTP服务器、GPS卫星系统、CDMA基站等。其同步拓扑图如下：

3、网络同步过程延时控制：

       通常、我们将网络布局中提供时间源的设备称为时间服务器，获取时间信息的设备称为客户端，如时钟客户端等。客户端和服务端都有一个时间轴，分别代表着各自系统的时间，当客户端想要同步服务端的时间时，客户端会构造一个NTP协议包发送到NTP服务端，客户端会记下此时发送的时间t0，经过一段网络延时传输后，服务器在t1时刻收到数据包，经过一段时间处理后在t2时刻向客户端返回数据包，再经过一段网络延时传输后客户端在t3时刻收到NTP服务器数据包。特别声明，t0和t3是客户端时间系统的时间、t1和t2是NTP服务端时间系统的时间，它们是有区别的。对于时间要求不那么精准设备，直接使用NTP服务器返回t2时间也没有太大影响。但是作为一个标准的通信协议，它是精益求精且容不得过多误差的，于是必须计算上网络的传输延时。客户端与服务端的时间系统的偏移定义为θ、网络的往返延迟定义为δ，基于此，可以对t2进行精确的修正，已达到相关精度要求，它们的计算公式如下：

 

4、标准的网络同步时钟产品图片如下：