ESM7400工控主板高精度时钟同步方案：PPS与IRIG-B实现亚毫秒级误差

在电力自动化、轨道交通等工业控制场景中，嵌入式系统对时间同步精度要求极为严苛，通常需要将误差控制在1毫秒以内。这要求设备不仅需要可靠的外部对时机制，其本地时钟系统也必须具备良好的保持精度能力。因此，一套高效的校时方案至关重要。

常见的高精度时间源主要包括以下几种，实际应用中需根据场景的精度要求与实施条件进行选择：

1. NTP服务器：通过网络协议获取时间。
2. IRIG-B信号：通过专用接口接收来自时间服务器的IRIG-B时间码。
3. GPS模块：通过串口接收GPS卫星发送的时间信息。
4. 本地RTC：读取板载实时时钟芯片的时间。

一个典型的基于英创ESM7400工控主板的时钟系统构成如下图所示，它集成了多种时间源接口与本地RTC增强方案。

ESM7400高精度时钟系统连接示意图

英创工控主板的标准RTC方案已能满足一般应用。若对本地时钟的长期稳定性有更高要求，可如图中所示，外接RX-8025T等高精度温补时钟芯片，以获得更优的时间保持性能。

整个嵌入式系统的时间同步流程遵循一套严谨的逻辑，其典型流程如下图所示。

嵌入式系统时间同步典型流程图

英创工控主板通过软硬件协同，提供了保障系统时间精度的一系列方法，最高可实现系统时间与基准源的误差小于1毫秒。实现高精度的前提是具备可靠的基准时间信号源，如PPS、IRIG-B、NTP或GPS。

下面以ESM7400为例，阐述保持系统时间精度的基本软件流程：

1. 系统启动初始化：上电后，首先从板载RTC芯片读取时间，用于初始化操作系统时间。
2. 首次时间校准：应用程序启动后，主动从可用的高精度时间源（IRIG-B、NTP或GPS）获取标准时间，对系统时间进行一次有效校准。
3. 持续微调同步：开启PPS秒脉冲同步线程，进行持续的高精度时间微调，可将精度提升至50微秒以内。此线程需持续运行。
4. 回写RTC：定期（如每日1-2次）将校准后的精准系统时间回写至板载RTC，确保RTC自身时间的准确性。
5. 执行应用任务：在稳定的高精度时间基础上，运行其他工业控制任务。

一、使用IRIG-B信号获取标准时间

ESM7400内核已集成IRIG-B解码驱动，简化了开发。使用时需将IRIG-B信号接入主板的GPIO15引脚。驱动提供了便捷的接口，示例代码如下：

#define IRIG_B_SET_SYSTIME  0x00
#define IRIG_B_SET_RTCTIME  0x01

int ret, i1, fd;
struct tm t;

fd = open("/dev/irig-b", O_RDWR); // 打开IRIG-B解码设备
i1 = IRIG_B_SET_SYSTIME; // 设置：获取IRIG-B时间并同步到系统时间
write(fd, &i1, sizeof(int));

i1 = IRIG_B_SET_RTCTIME; // 设置：获取IRIG-B时间并同步到外部RTC芯片(rtc0)
write(fd, &i1, sizeof(int));

ret = read(fd, &t, sizeof(struct tm)); // 仅读取IRIG-B时间数据
if(ret == 0)
    printf("time:%d-%d-%d %d:%d:%d\n", t.tm_year, t.tm_mon, t.tm_mday, t.tm_hour, t.tm_min, t.tm_sec);
else
    printf("irig-b get time failed!\n");

对于NTP与GPS协议，内核未提供专用驱动，需要在应用层实现协议解析。常见的公共NTP服务器地址有：

• 中国国家授时中心：114.118.7.161
• 阿里云NTP：118.31.3.89

二、使用PPS秒脉冲实现高精度同步

ESM7400内核内置了GPIO-PPS驱动，支持通过PPS（秒脉冲）信号实现极高精度的秒级同步，理论精度可达30微秒以内。PPS信号需接入GPIO8引脚。

该驱动的核心功能是提供精确的硬件时间戳并上报事件，实际的时间校正需要应用程序调用adjtimex()系统调用来完成。这涉及到对Linux系统时间机制的深入理解，相关的驱动开发和系统调优知识可以在运维/DevOps板块找到更多资料。基本应用流程如下：

1. 打开PPS设备：open("/dev/pps0", O_RDWR);
2. 设置捕获参数：ioctl(fd, PPS_SETPARAMS, ¶ms);
3. 获取时间戳：ioctl(fd, PPS_FETCH, &fdata);
4. 校验数据并计算时间偏差。
5. 调整系统时间：adjtimex(&tx);

其中步骤3至5需要在独立的线程中循环执行，以实现持续同步。

PPS同步微调过程日志输出

上图为同步线程的日志输出，各字段含义如下：

• 序列：PPS脉冲的捕获序列号，连续递增表明信号捕获稳定。
• 系统时间：当前的系统时间（秒.纳秒）。
• PPS时刻：PPS脉冲在当前秒内到达的精确纳秒时刻。
• 偏移：系统时间相对于PPS脉冲的偏差（微秒），负值表示系统时间慢于PPS。
• 调整：系统已累计调整的时间量（微秒）。

三、无外部基准源时的RTC增强方案

在缺乏IRIG-B、NTP、GPS等外部基准源的场景下，系统时间完全依赖板载RTC。为了提升此时钟方案的精度与可靠性，可采用外接RX-8025T高精度时钟芯片的方案。

硬件上，通过I2C总线连接RX-8025T至ESM7400，并将RX-8025T产生的中断信号（与秒沿对齐）接入ESM7400的GPIO25引脚。配套驱动可定期将高精度RTC的时间同步到系统时间，默认每10秒同步一次。在晶振误差为20ppm的条件下，能保证系统时间与RTC的偏差小于300微秒。

启用此功能的代码如下：

#define RTC_TIMER_IRQ_CTRL_ON   0x5170
#define RTC_TIMER_IRQ_CTRL_OFF  0x5171

// 打开 RTC 设备
rtc_fd = open("/dev/rtc0", O_RDONLY);
// 使能RTC中断同步功能
ioctl(rtc_fd, RTC_TIMER_IRQ_CTRL_ON, 1);
// ... 程序运行 ...
// 关闭RTC中断同步功能
ioctl(rtc_fd, RTC_TIMER_IRQ_CTRL_OFF, 1);

该增强方案的硬件参考电路如下图所示：

RX-8025T外接电路原理图

本方案所占用主板资源及用途总结如下，合理规划这些GPIO和接口是嵌入式Linux网络/系统开发的基础：

主板资源	用途说明
GPIO8	PPS秒脉冲信号输入
GPIO15	IRIG-B时间码信号输入
GPIO25	连接RX-8025T中断输出，需外接约10K上拉电阻
GPIO26/27	I2C总线，与RX-8025T通信，需外接约4.7K上拉电阻
串口	接收GPS模块数据
网口	与NTP服务器进行网络通信