專利名稱：時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，該儀器除可精確測(cè)量IRIG， DCF77等 時(shí)間碼信號(hào)以外，尤其實(shí)現(xiàn)了對(duì)于NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)的直接精確測(cè)量，屬于通信 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，許多行業(yè)對(duì)時(shí)間精度的要求也越來越高。在 電力、交通、通信、金融等各個(gè)領(lǐng)域，精確的時(shí)間信號(hào)才能夠保證各種自動(dòng)化設(shè) 備的正常運(yùn)行，而1秒鐘的時(shí)間差都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)失誤，造成無法挽回的 經(jīng)濟(jì)損失。
目前針對(duì)這一問題普遍的解決方法是建立時(shí)間同步系統(tǒng)。即將絕對(duì)時(shí)間UTC 應(yīng)用于各大廠礦企業(yè)內(nèi)，使得廠內(nèi)有時(shí)間標(biāo)記需求的設(shè)備能夠使用同一個(gè)時(shí)間參 照體系，從而實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備內(nèi)部時(shí)間的一致。
當(dāng)前應(yīng)用最成熟的是GPS衛(wèi)星對(duì)時(shí)技術(shù)。GPS是美國(guó)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 由24顆在空間運(yùn)行的GPS衛(wèi)星和地面控制站組成，在地球表面任一地點(diǎn)、任一 時(shí)刻GPS衛(wèi)星信號(hào)接收器都可收到足夠多數(shù)量的GPS衛(wèi)星信號(hào)。精確計(jì)算接收器 所在當(dāng)前空間位置和時(shí)間，其時(shí)間精度相對(duì)UTC時(shí)間誤差可達(dá)納秒級(jí)。GPS時(shí)鐘 是一個(gè)非常精確的時(shí)間源，絕大多數(shù)的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)都把它作為基準(zhǔn)時(shí)間源。
獲得時(shí)間信息后還要對(duì)信息進(jìn)行分發(fā)和傳輸，才能夠最終到達(dá)各種需要對(duì) 時(shí)的裝置。常用的時(shí)間信號(hào)格式有IRIG-B時(shí)間碼、脈沖信號(hào)、時(shí)間報(bào)文等，以 模擬或數(shù)字時(shí)間信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多電廠、變電站、通信大樓內(nèi)分別建立了獨(dú)立的GPS時(shí)間同步 系統(tǒng)，但由于各站內(nèi)的GPS性能良莠不齊，直接影響到時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的準(zhǔn)確性； 即使所有電站全部使用同樣的GPS設(shè)備，當(dāng)某些設(shè)備由于特殊原因無法接收GPS 信號(hào)而切換到內(nèi)部保持輸出時(shí)，與其他正常運(yùn)行的GPS設(shè)備也會(huì)造成信號(hào)的差 異。因此僅實(shí)現(xiàn)局部的同步是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，迫切需要建立統(tǒng)一的時(shí)間同步網(wǎng)，即 利用通信網(wǎng)絡(luò)采用NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議進(jìn)行對(duì)時(shí)己成為發(fā)展趨勢(shì)。NTP接收裝置可 以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、采用廣播模式或請(qǐng)求模式，實(shí)現(xiàn)NTP客戶機(jī)與NTP服務(wù)器 的對(duì)時(shí)；還可用復(fù)雜的算法對(duì)傳輸過程中的時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償，并且減輕多個(gè)由 于同步源而產(chǎn)生的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確性達(dá)到毫秒級(jí)、甚至微秒級(jí)的時(shí)間服務(wù)。另 外還可借由加密確認(rèn)的方式來防止惡毒的協(xié)議攻擊，保障了網(wǎng)絡(luò)安全。NTP對(duì)時(shí) 可利用原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，距離不受任何限制，是一種更為先進(jìn)、更為可靠的時(shí)間 同步方式。
無論是局部區(qū)域的同步還是網(wǎng)同步，都需要以精確的時(shí)間信息為基礎(chǔ)。一 方面需明確各同步點(diǎn)的時(shí)鐘信息是否準(zhǔn)確，避免因設(shè)備老化或疏于維護(hù)造成經(jīng)濟(jì) 損失；另一方面從主時(shí)鐘到下游時(shí)鐘或用戶設(shè)備，往往由于傳輸距離或是網(wǎng)絡(luò)堵 塞造成時(shí)延，要消除這些時(shí)延也需要獲取各點(diǎn)的時(shí)間精度，只有對(duì)時(shí)間進(jìn)行精確 的測(cè)量才能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)只能對(duì)1PPS時(shí)間脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)于NTP通過網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議傳播的信號(hào)精度無法直接測(cè)量，只能通過轉(zhuǎn)換裝置先將其轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信 號(hào)，再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)推算，這顯然無法滿足當(dāng)前時(shí)間同步組網(wǎng)的要求。
現(xiàn)有測(cè)量方法具體描述如下
1. 測(cè)量所用裝置和儀表
(1) 基準(zhǔn)參照時(shí)鐘源，能跟蹤GPS，相對(duì)UTC時(shí)間〈100ns，提供秒脈沖(1PPS) 測(cè)量口，測(cè)量精度達(dá)10ns;
(2) 數(shù)字示波器，能測(cè)試時(shí)間信號(hào)的波形和電平。
2. 測(cè)量原理圖
如附圖1所示，將基準(zhǔn)參照時(shí)鐘源提供的1路1PPS信號(hào)和待測(cè)時(shí)間信號(hào)分 別接入數(shù)字示波器的A、 B端口，以基準(zhǔn)參照時(shí)鐘源信號(hào)作為觸發(fā)將兩路信號(hào)的 波形進(jìn)行對(duì)比，兩路信號(hào)起始上升沿的相位差A(yù)t定義為待測(cè)信號(hào)的精確度。
現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于
1. 無法直接測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)的精度，只能通過轉(zhuǎn)換裝置間接測(cè)量，無法保證 測(cè)量的準(zhǔn)確；
2. 基準(zhǔn)參照時(shí)鐘源的選擇無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照物的不同可能導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果的
偏差；
3. 人為讀取相位差A(yù)t，容易造成較大誤差；
4. 測(cè)量?jī)x器較多，基準(zhǔn)參照時(shí)鐘源還需外接GPS天線，儀器之間接線繁瑣。攜 帶極為不便，不利于用戶現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)測(cè)試。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)包括NTP等網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)在內(nèi)多種時(shí) 鐘信號(hào)的直接測(cè)量，能獲得高精度的時(shí)間測(cè)量結(jié)果，可消除測(cè)量結(jié)果讀取的誤差， 且易于攜帶的時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特 征在于，由GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊、主芯片、高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模 塊和液晶屏組成，GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊分別與GPS全球定位系統(tǒng)、內(nèi) 置銣鐘、主芯片和髙分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊連接，主芯片與液晶屏連接。
本實(shí)用新型通過FPGA芯片實(shí)現(xiàn)NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)信號(hào)的直接測(cè)量，F(xiàn)PGA為大規(guī) ?？删幊踢壿嬓酒?，具有邏輯單元靈活、集成度高等特點(diǎn)，可直接處理NTP信號(hào)， 而無需采用復(fù)雜的電路對(duì)NTP信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而能夠保證測(cè)量的精度。本實(shí)用 新型采用高精準(zhǔn)度的銣原子鐘作為內(nèi)部時(shí)鐘，并將其信號(hào)與GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行對(duì) 比，將GPS信號(hào)長(zhǎng)、穩(wěn)、好的優(yōu)點(diǎn)與原子鐘信號(hào)短、穩(wěn)、好的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行綜合，得 到較高精度的基準(zhǔn)參考時(shí)鐘源信號(hào)，進(jìn)一步確保了測(cè)量結(jié)果的精確性，其本身還 可以用作一臺(tái)高性能的基準(zhǔn)時(shí)鐘，提供多種時(shí)間頻率輸出。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是
(1) 通過FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)NTP、 IRIG-B碼、DCF77等多種時(shí)間信號(hào)的直接 測(cè)量；FPGA可直接處理NTP信號(hào)，而無需采用復(fù)雜的電路對(duì)NTP信號(hào) 進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而能夠保證測(cè)量的精度；
(2) 可將DCF77、 IRIG-B信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，提高測(cè)量的精度；
(3) 擁有真彩觸摸屏和Windows操作系統(tǒng)，并易于攜帶；
(4) 可利用USB直接讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)時(shí)間測(cè)量的原理圖2為時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖3為GPS參考時(shí)間間隔管理系統(tǒng)模塊示意圖4為主芯片示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例
本實(shí)用新型所用的所有組件均為外購。
如圖2所示，為時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖，所述的時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x由GPS 參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊、主芯片、高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊和液晶屏組成， GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊分別與GPS全球定位系統(tǒng)、內(nèi)置銣鐘、主芯片和 高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊連接，主芯片與液晶屏連接。
如圖3所示，為GPS參考時(shí)間間隔管理系統(tǒng)模塊示意圖，所述的GPS參考時(shí) 間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊由GPS接收卡板、微處理器l、可編程邏輯芯片、微處理器 2、脈沖界面1和脈沖界面2組成，可編程邏輯芯片分別與GPS接收卡板、微處 理器l、微處理器2、交流B碼、脈沖界面1和脈沖界面2連接，GPS接收卡板 與微處理器1連接，微處理器2分別與交流B碼和脈沖界面1連接。
GPS接收卡板利用GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行解析，提供1路脈沖信 號(hào)送入微處理器1， 1路脈沖信號(hào)送入可編程邏輯芯片；同時(shí)銣鐘提供1路10MHz 標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)給可編程邏輯芯片，經(jīng)可編程邏輯芯片處理后生成2路10MHz和 1PPS秒脈沖標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，1路直接輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可單獨(dú)作為高性能基準(zhǔn)時(shí)鐘 使用，1路送入高分辨NTP測(cè)量系統(tǒng)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。交流B碼經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換， 串口時(shí)間信號(hào)經(jīng)過9針串口分別接入微控制器2處理后送入可編程邏輯芯片；秒 脈沖、分脈沖，時(shí)脈沖和DCF77時(shí)間信號(hào)經(jīng)過脈沖界面1和2送入可編程邏輯芯 片，該可編程邏輯芯片對(duì)多路時(shí)間輸入信號(hào)處理分析，將待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)秒脈沖 和l(MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算和處理，再將時(shí)間測(cè)量結(jié)果通過微控制器l， 1路傳送至主芯片模塊，經(jīng)處理后顯示在液晶屏上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IRIG-B、秒脈沖 等模擬或數(shù)字信號(hào)形式的時(shí)間信息的精確測(cè)量；1路送至高精度網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模 塊，作為參考信號(hào)。
如圖4所示，為主芯片示意圖，所述的主芯片由PXA255集成芯片、揚(yáng)聲器 接口、 USB1接口和USB2接口組成，PXA255集成芯片分別與揚(yáng)聲器接口、 USB1 接口和USB2接口連接。
該模塊采用集成芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，可實(shí)現(xiàn)WINDOWS操作界面。通 過液晶觸摸屏可將指令送入主芯片模塊，經(jīng)PXA255芯片處理后將控制信號(hào)送入 的微處理器1實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便的操作。同時(shí)由GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊生成 的時(shí)間測(cè)量結(jié)果信號(hào)經(jīng)PXA255芯片處理后，1路通過USB1接口送入設(shè)備前面板 的USB端口，通過移動(dòng)存儲(chǔ)器就可以方便地記錄測(cè)量數(shù)據(jù)以供分析；另l路測(cè)量 結(jié)果信號(hào)經(jīng)過USB2接口送入高精度網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊中的FPGA芯片以供處理。 同時(shí)PXA255芯片還可將處理后的異常信號(hào)通過外置揚(yáng)聲器進(jìn)行報(bào)警。 所述的高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊為FPGA處理芯片。 待測(cè)的NTP信號(hào)由GPS時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊中的前面板RJ45接口接入本 模塊，同GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)提供的秒脈沖時(shí)間信號(hào)一起送入本模塊中的 FPGA芯片。該芯片是NTP測(cè)量系統(tǒng)的核心部分，可對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算， 并將對(duì)比后生成的精確網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)通過串口送至主CPU模塊，通過液晶屏直接 顯示，同時(shí)測(cè)量結(jié)果還可以通過USB2端口直接輸出。
工作時(shí)，GPS參考時(shí)間間隔系統(tǒng)模塊中，從天線接收下來的GPS信號(hào)通過GPS 接收卡板送入微處理器1進(jìn)行處理，然后送入可編程邏輯芯片。設(shè)備內(nèi)置銣鐘提 供10MHz的標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)作為邏輯芯片的處理參考。包括IRIG-B在內(nèi)的多種時(shí) 間碼信號(hào)通過輸入接口接入微處理器2，再經(jīng)過可編程邏輯芯片處理生成標(biāo)準(zhǔn) 10MHz和1PPS時(shí)間參考信號(hào)，分別送入設(shè)備后端口和高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)作 為參考信號(hào)。上游接入的NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)送入高分辨網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊，經(jīng)模 塊中的關(guān)鍵部件一一FPGA專用集成電路芯片處理后，送入主芯片模塊進(jìn)行處理， 通過外設(shè)在LCD顯示屏中直接顯示出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)NTP信號(hào)的直接測(cè)量。
權(quán)利要求1.一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特征在于，由GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊、主芯片、高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊和液晶屏組成，GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊分別與GPS全球定位系統(tǒng)、內(nèi)置銣鐘、主芯片和高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊連接，主芯片與液晶屏連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的GPS參考 時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊由GPS接收卡板、微處理器1、可編程邏輯芯片、微 處理器2、脈沖界面1和脈沖界面2組成，可編程邏輯芯片分別與GPS接收 卡板、微處理器l、微處理器2、交流B碼、脈沖界面1和脈沖界面2連接， GPS接收卡板與微處理器1連接，微處理器2分別與交流B碼和脈沖界面1 連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的主芯片由 PXA255集成芯片、揚(yáng)聲器接口、 USB1接口和USB2接口組成，PXA255集成芯 片分別與揚(yáng)聲器接口、 USB1接口和USB2接口連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述的高分辨率 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊為FPGA處理芯片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種時(shí)間綜合測(cè)量?jī)x，其特征在于，由GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊、主芯片、高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊和液晶屏組成，GPS參考時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)模塊分別與GPS全球定位系統(tǒng)、內(nèi)置銣鐘、主芯片和高分辨率網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)模塊連接，主芯片與液晶屏連接。本實(shí)用新型利用先進(jìn)的中央處理技術(shù)，在一塊主板上可實(shí)現(xiàn)對(duì)包括NTP在內(nèi)的多種時(shí)間信號(hào)的精確測(cè)量，其本身還可以用作一臺(tái)高性能的基準(zhǔn)時(shí)鐘，提供多種時(shí)間頻率輸出。
文檔編號(hào)H04L12/26GK201185428SQ20072007046
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者王雅芬, 邱祖雄 申請(qǐng)人:上海泰坦通信工程有限公司