一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法
阅读说明：本技术 一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法 (Multi-clock-source seamless switching circuit and method of high-precision time keeping equipment ) 是由 唐金锋 王瑞晓 秦臻 姜甜 郑堃 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法,属于高精度守时设备领域。本发明的高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法,通过时钟监测模块、校时及守时控制、时钟切换及输出控制模块的协同工作,将守时设备中的所有时钟均执行守时操作,同时每个时钟均与其接入的本地时钟源实时进行频率校准同步,能够在某一个或多个时钟出现工作异常时,实现时钟异常自动检测并自动无缝切换时钟和同步时间信号。本发明的切换方法能够实现本地时钟源的无缝切换,不会造成秒脉冲的丢失同时最大限度的保证守时设备的守时精度。(The invention discloses a multi-clock-source seamless switching circuit and a method of high-precision time keeping equipment, and belongs to the field of high-precision time keeping equipment. According to the multi-clock-source seamless switching circuit and method of the high-precision time keeping equipment, all clocks in the time keeping equipment execute time keeping operation through the cooperative work of the clock monitoring module, the time correction and time keeping control module and the clock switching and output control module, and simultaneously each clock and a local clock source connected with the clock perform frequency calibration synchronization in real time, so that automatic detection of clock abnormity and automatic seamless switching of clocks and synchronous time signals can be realized when one or more clocks are abnormal in work. The switching method can realize seamless switching of the local clock source, cannot cause loss of the second pulse, and simultaneously furthest ensures the time keeping precision of the time keeping equipment.)
技术领域
本发明属于高精度守时设备领域，尤其是一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法。
背景技术
在电力系统和分布式测试控制装备系统中，状态参数的同步采集测量和同步指令控制等操作意义重大。为了解决异地分布式系统的同步采集测量和同步指令控制问题，需要采用高精度守时设备对异地设备进行时间同步操作，从而实现异地分布式系统时间同步从而实现同步操作。
高精度守时设备一般具备三个主要功能：校时功能、守时功能和授时功能。(1)校时功能是指通过外部GPS接收机/或其他设备接口提供的标准时间，对设备自身的时间进行校准，使本地时间能够与标准绝对时间“对齐”；(2)守时功能是在完成校时后，GPS失锁或没有外部标准时钟源的情况下，仅依靠本地高精度时钟维持本地时间的运行，以期能够在较长的时间内与标准绝对时间尽可能的一致。(3)授时功能是守时设备为其他系统或设备对外输出内部运行的标准时间和秒脉冲信号。为保证本地时钟的可靠性，通常在本地设置多个时钟源，即使本地某一个或多个时钟源出现异常时，也能够依靠正常工作的其他时钟执行守时功能。在多个本地时钟源之间进行时钟源切换时，现有常用的切换方法通常是由软件实现，当某个本地时钟异常后向软件提交中断，由软件来完成时钟源的切换和精度损失的补偿，该处理方法会引起守时精度的损失或秒脉冲的丢失。
通过检索审查现有公开的文献，CN201010127209.6的中国发明专利公开了一种时钟切换方法，该发明主要关注用于电路工作两个同频时钟的检查及切换方法，其涉及的时钟与应用于守时设备的时钟概念不同，同时该电路仅完成时钟切换功能，无法保留和保持设备中的绝对时间信息，不适用于守时设备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有依靠软件进行多个本地时钟源切换，会引起守时精度的损失或秒脉冲的丢失的缺点，提供一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路，包括N个时钟监控模块、N个校时及守时控制模块和时钟切换处理模块；
所述时钟监控模块，用于对输入的时钟信号进行倍频处理并监控外部时钟信号是否正常；
所述校时及守时控制模块，用于在本地时钟信号的驱动下，当有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现标准同步时间的产生；
若无外部标准秒脉冲及标准同步时间输入且其他外部时钟信号均工作异常，则根据内部锁定的同步时间，执行守时功能；
若无外部标准秒脉冲及标准同步时间输入且其它外部时钟信号中的一个工作正常，则将所述工作正常的时钟信号作为标准时钟源，对内部时钟进行校频，同时通过校频时钟实现标准同步时间的产生；
所述时钟切换及输出控制模块，用于将校时及守时控制模块输出的秒脉冲和标准同步时间进行处理，输出一个同步秒脉冲和一个标准同步时间；
N为大于等于2的正整数。
进一步的，所述时钟切换及输出控制模块，用于将N个校时及守时控制模块产生的秒脉冲组合生成一个同步秒脉冲；
所述时钟切换及输出控制模块，用于对时钟的状态进行周期性检测，当同步秒脉冲的上升沿时，对时钟信号进行检测，基于检测结果，锁存时钟工作状态正常的对应的校时及守时控制模块输入的同步时间信息，并将锁存的同步时间信息作为最终的同步时间进行输出。
进一步的，所述时钟切换及输出控制模块基于状态机实现对时钟的状态进行周期性检测。
进一步的，所述时钟切换及输出控制模块基于一个N输入的逻辑或处理将N个校时/守时控制模块产生的秒脉冲组合生成一个同步秒脉冲。
本发明的高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路的切换方法：
时钟监控模块对输入的时钟信号进行倍频处理并监控外部时钟信号是否正常；
校时及守时控制模块在本地时钟信号的驱动下，当有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现标准同步时间的产生；
若无外部标准秒脉冲及标准同步时间输入且其他外部时钟信号均工作异常，则根据内部锁定的同步时间，执行守时功能；
若无外部标准秒脉冲及标准同步时间输入且其他外部时钟信号中的一个工作正常，则将所述工作正常的时钟信号作为标准时钟源，对内部时钟进行校频，同时通过校频时钟实现标准同步时间的产生；
时钟切换及输出控制模块将校时及守时控制模块输出的秒脉冲和标准同步时间进行处理，输出一个同步秒脉冲和一个标准同步时间；
N为大于等于2的正整数。
进一步的，时钟切换及输出控制模块将N个校时及守时控制模块产生的秒脉冲综合生成一个同步秒脉冲；
时钟切换及输出控制模块，对时钟的状态进行周期性检测，当同步秒脉冲的上升沿时，对时钟信号进行检测，基于检测结果，锁存时钟工作状态正常的对应的校时及守时控制模块输入的同步时间信息，并将锁存的同步时间信息作为最终的同步时间进行输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的高精度守时设备的多时钟源无缝切换电路及方法，通过时钟监测模块、校时及守时控制、时钟切换及输出控制模块的协同工作，将守时设备中的所有时钟均执行守时操作，同时每个时钟均与其接入的高优先级本地时钟源实时进行频率校准同步，能够在某一个或多个时钟出现工作异常时，实现时钟异常自动检测并自动无缝切换时钟和同步时间信号。本发明的切换方法能够实现本地时钟源的无缝切换，不会造成秒脉冲的丢失同时最大限度的保证守时设备的守时精度。本发明采用纯硬件电路实现时钟的切换效率高，实时性好，能够更好减小时钟切换过程导致的时钟准确度损失。本发明的电路能够综合所有时钟源实时维持同步秒脉冲信号，保证在时钟切换过程中秒脉冲不丢失。
附图说明
图1为本发明的实施例的电路结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提出一种基于硬件电路实现的守时设备多时钟源无缝切换电路及控制方法，能够在没有软件参与的情况下实现多个时钟源之间的平滑无缝切换，从而避免因时钟源切换导致的守时时钟精度损失，同时可有效解决切换过程中秒脉冲丢失的问题。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明的实施例的电路结构图；该实施例的电路包括第一时钟监控模块、第二时钟监控模块、第三时钟监控模块、第一校时及守时控制模块、第二校时及守时控制模块、第三校时及守时控制模块和时钟切换及输出控制模块；
第一时钟监控模块、第二时钟监控模块、第三时钟监控模块对应的输入接口用于输入第一时钟信号，第二时钟信号、第三时钟信号，其输出分别对应为第一时钟信号工作状态及内部时钟信号、第二时钟信号工作状态及内部时钟信号、第三时钟信号工作状态及内部时钟信号；
第一校时及守时控制模块的输入接口用于输入第一时钟监控模块的输出信号和外部校时秒脉冲及标准同步时间输入信号，输出接时钟切换及输出控制模块；
第二校时及守时控制模块的输入接口用于输入第一时钟监控模块的输出信号、第二时钟监控模块的输出信号和外部校时秒脉冲和标准同步时间输入信号，输出接时钟切换及输出控制模块；
第三校时及守时控制模块输入接口用于输入第一时钟监控模块的输出信号、第二时钟监控模块的输出信号、第三时钟监控模块的输出信号和外部校时秒脉冲和标准同步时间输入信号，输出接时钟切换及输出控制模块；
时钟切换及输出控制模块的输入接口接第一时钟监控模块的输出信号、第二时钟监控模块的输出信号、第三时钟监控模块的输出信号、第一校时及守时控制模块的输出信号、第二校时及守时控制模块的输出信号和第三校时及守时控制模块的输出信号，输出秒脉冲信号和同步时间输出信号。
本发明的多时钟源切换控制电路的工作方法，如下：
所述时钟监控模块内部包含一个PLL电路模块，用于对输入时钟信号进行倍频处理并监控外部时钟信号是否正常工作；
所述校时及守时控制模块，用于校时、校频及守时控制；当有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部的时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现内部同步时间产生；
模块内部电路有三个时钟输入，分别是第一时钟信号，第二时钟信号和第三时钟信号，三个时钟中的一个作为本地时钟。根据不同的时钟输入配置其工作的情形分3种情况：(1)接入第一时钟信号，第一时钟信号作为本地时钟；(2)接入第一时钟信号和第二时钟信号，第二时钟信号作为本地时钟；(3)接入第一时钟信号、第二时钟信号和第三时钟信号，第三时钟信号作为本地时钟。三种工作情形分别对应图1中的第一校时及守时控制模块、第二校时及守时控制模块和第三校时及守时控制模块。
当接入第一时钟信号，第一时钟信号作为本地时钟时，第一校时及守时控制模块仅有一个时钟工作：第一时钟信号；在第一时钟信号驱动下，若有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部的时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现内部同步时间产生；否则，根据内部锁定的同步时间，执行守时功能；
当接入第一时钟信号和第二时钟信号，第二时钟信号作为本地时钟校时，第二校时及守时控制模块有两个时钟工作：第一时钟信号和第二时钟信号。内部核心电路在第二时钟信号驱动下，当有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部的时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现内部同步时间产生；当没有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入，第一时钟信号输入工作正常时，将第一时钟信号作为标准时钟源，对内部第二时钟信号进行校频，同时通过校频时钟实现内部同步时间产生。当没有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入，同时第一时钟信号工作异常时，根据内部锁定的同步时间，在第二时钟信号的驱动下执行守时功能。
当接入第一时钟信号、第二时钟信号和第三时钟信号，第三时钟信号作为本地时钟校时，第三校时及守时控制模块有3个时钟工作：第一时钟信号、第二时钟信号和第三时钟信号，在第三时钟信号驱动下，当有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入时，将内部时间与外部标准同步时间执行同步对齐操作，同时根据外部输入的秒脉冲对内部的时钟进行校频，校频完成后通过校频时钟实现内部同步时间产生；当没有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入，第一时钟信号输入工作正常时，该模块会将第一时钟信号作为标准时钟源，对内部第三时钟信号进行校频，同时通过校频时钟实现内部同步时间产生；当没有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入，第一时钟信号工作异常，第二时钟信号输入工作正常时，将第二时钟信号作为标准时钟源，对内部第三时钟信号进行校频，同时通过校频时钟实现内部同步时间产生；当没有外部标准秒脉冲及标准同步时间输入，第一时钟信号和第二时钟信号工作异常时，根据内部锁定的同步时间，在第三时钟信号的驱动下执行守时功能。
时钟切换及输出控制模块，用于将第一校时及守时控制模块、第二校时及守时控制模块和第三校时及守时控制模块输出的秒脉冲和标准同步时间进行综合处理，最终输出一个秒脉冲和一个标准同步时间。
时钟切换及输出控制模块内部使用一个三输入的逻辑或处理将三个守时控制模块产生的秒脉冲组合生成一个秒脉冲PPS_OUT，即接口信号18，能够保证第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号任一时钟工作正常都能输出一个高精度的同步秒脉冲信号。模块内部使用一个状态机对三个时钟的状态进行周期性检测，每次检测到PPS_OUT信号的上升沿时，对三个时钟进行检测，若第一时钟信号工作状态正常则锁存第一校时及守时控制模块输入的同步时间信息；如果第一时钟信号工作状态不正常，第二时钟信号工作状态正常，则锁存第二校时及守时控制模块输入的同步时间信息；如果第一时钟信号和第二时钟信号工作状态不正常，第三时钟信号工作状态正常，则锁存第三时钟信号输入的同步时间信息；锁存同步时间信息后，将锁存的同步时间信息作为最终的同步时间信息输出信号经第二接口输出。
根据上述的功能结构，用Verilog HDL语言对控制器的逻辑设计进行描述，并应用到某个守时设备研制中，并对该守时设备的功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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