开源时钟定时卡 Time Card 固件技术文档

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    时钟定时卡系统架构                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  ┌─────────────┐    ┌──────────────┐    ┌─────────────────┐     │
│  │   GPS接收机  │────│  TOD Slave   │────│  时间调整模块    │     │
│  └─────────────┘    └──────────────┘    └─────────────────┘     │
│                                                                 │
│  ┌─────────────┐    ┌──────────────┐    ┌─────────────────┐     │
│  │  PPS信号    │────│  PPS Slave   │────│   PI伺服环路    │     │
│  └─────────────┘    └──────────────┘    └─────────────────┘     │
│                                                 │               │
│  ┌─────────────┐    ┌──────────────┐    ┌─────────────────┐     │
│  │  时钟源选择  │────│ Clock Detector│    │ Adjustable Clock│◄────┤
│  └─────────────┘    └──────────────┘    └─────────────────┘     │
│                                                 │               │
│  ┌─────────────┐    ┌──────────────┐    ┌─────────────────┐     │
│  │  信号生成    │────│Signal Generator│   │  频率计数器     │     │
│  └─────────────┘    └──────────────┘    └─────────────────┘     │
│                                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │                AXI4 互连总线                             │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                              │                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │                PCIe接口                                  │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

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-- 时钟调整逻辑伪代码
每个系统时钟周期:
  if 时间设置调整激活 then
    直接设置时钟时间
  elsif 正偏移调整 and 正漂移调整 then
    时钟 += 系统时钟周期 + 2ns
  elsif 偏移调整 and 漂移调整符号相反 then
    时钟 += 系统时钟周期  -- 调整相互抵消
  elsif 负偏移调整 and 负漂移调整 then
    时钟 += 系统时钟周期 - 2ns
  elsif 仅正调整 then
    时钟 += 系统时钟周期 + 1ns
  elsif 仅负调整 then
    时钟 += 系统时钟周期 - 1ns
  else
    时钟 += 系统时钟周期

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偏移计算:
offset = PPS_timestamp - 最近的秒变化时间

漂移计算:
drift = (当前间隔 - 1秒) / 测量间隔

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控制函数: u(t) = Kp × e(t) + Ki × ∫e(t)dt

其中:
- u(t): 控制变量(偏移/漂移调整)
- e(t): 误差信号
- Kp: 比例系数
- Ki: 积分系数

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GPS信号 ──┐
          │
          ▼
    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
    │ TOD Slave   │────│   时间比较   │────│  粗调整     │
    └─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
                                                 │
PPS信号 ──┐                                     ▼
          │                              ┌─────────────┐
          ▼                              │ Adjustable  │
    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐   │   Clock     │
    │ PPS Slave   │────│ PI控制器    │───│             │
    └─────────────┘    └─────────────┘   └─────────────┘
                                                 │
本地振荡器 ────────────────────────────────────────┘

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偏移误差 = PPS时间戳 - 期望时间
偏移调整 = Kp_offset × 偏移误差 + Ki_offset × ∫偏移误差dt

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漂移误差 = (实际周期 - 标准周期) / 测量间隔
漂移调整 = Kp_drift × 漂移误差 + Ki_drift × ∫漂移误差dt

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状态转换图:
初始化 ──► 获取时间 ──► 粗同步 ──► 精同步 ──► 保持同步
   ▲                                    │         │
   │                                    ▼         │
   └──────────── 失步检测 ◄──────── 监控状态 ◄─────┘

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时间戳精度 = 1 / (系统频率 × 倍频因子)
例如: 50MHz × 4 = 200MHz → 5ns精度

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实际时间戳 = 原始时间戳 - 输入延迟 - 电缆延迟 + 高分辨率校正

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例如: 1000ns调整分散到1000个周期
每周期调整: 1ns

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Bit[0]: Enable - 时钟使能
Bit[1]: TimeSet - 时间设置模式
Bit[7:4]: Source - 调整源选择

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Bit[0]: PPS Valid - PPS信号有效
Bit[1]: Period Error - 周期错误
Bit[2]: Width Error - 脉宽错误

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- Adjustable Clock: 使能，同步源1(TOD+PPS)
- PPS Generator: 使能，高电平输出
- PPS Slave: 使能，高电平输入
- TOD Slave: 使能，高电平UART
- SMA选择器: FPGA PPS和GNSS PPS输出

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优先级顺序:
SMA 10MHz → MAC 10MHz → DCXO → 外部时钟

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故障检测 ──► 故障分类 ──► 应急措施 ──► 故障恢复 ──► 正常运行
    │                                      ▲
    ▼                                      │
状态记录 ──► 告警上报 ──► 维护介入 ──────────┘