CN102243475B - 基于北斗的dcf77时间码发生方法 - Google Patents

Abstract

一种基于北斗的DCF77时间码发生方法，步骤如下：一，北斗卫星授时接收模块接收北斗卫星信号作为本发明中时间同步时钟的时钟源，并对接收到的北斗卫星信号进行处理得到北斗时间信息和秒脉冲信息；然后北斗卫星授时接收模块将获取的北斗时间信息和秒脉冲信息分别提供给时间维护处理模块和DCF77码元生成模块；二，时间维护处理模块接收到北斗时间信息后，进行信息解析，并重新组帧后转发给DCF77码元生成模块；三，DCF77码元生成模块根据接收到的秒脉冲信息和转发的北斗时间信息，生成分脉冲信息，将获取的分脉冲信息和秒脉冲信息作为码元生成的时间基点，通过正确的码字寻址和码元寻址，得到码元值生成DCF77码输出。

Description

基于北斗的DCF77时间码发生方法

技术领域

本发明涉及一种同步时钟时间信号的发生方法，特别是涉及一种北斗卫星同步时间信号DCF77时间码的发生方法。

背景技术

随着高新科学技术的发展以及国际经济以及技术交流的不断加深，各国授时技术手段趋于多样化。而各以本国授时技术为依托而开发出的产品，就呈现出了授时输入接口、手段、需求的多样化。

DCF77码是德国无线长波对时信号的时间码，其无线长波可覆盖欧洲地区。

DCF77中‘D’表示Germany，‘C’表示Longwave，‘F’表示near Frankfurt，‘77’表示无线发射频率为77.5KHz。DCF77信号发射设备在德国联邦物理技术研究院的原子钟控制下，将时间信息编码调制后无线发射出去。DCF77时间码为每秒钟一个码元，每分钟发射一帧完整的时间信息(包括年、月、日、星期几、时、分、秒以及一些辅助的时间信息)。

DCF77时间码的一个码元周期是1秒，二进制0用前100ms为低电平，后900ms为高电平的脉冲表示；二进制1用前200ms低电平，后800ms高电平的脉冲表示。其码元波形如图1所示。

德国以及欧洲生产设备一般都具有通过以上所述的DCF77时间码进行授时的接口。而我国电力、通讯、石化、冶金、国防、金融等一些行业中都有通过DCF77对时设备的使用，如何为这些设备安全、准确授时，是我们不可回避的问题。

虽然现在市场上都有GPS转DCF77时间码输出的时钟，但是GPS系统由美国控制，存在巨大的安全隐患，使以上领域中授时的可靠性大大降低，威胁这些重要领域的系统安全。

为解决DCF77在实际运用中的安全性、准确性问题，我们可以基于北斗时间系统，融入快速数字信号处理技术，利用可编程逻辑芯片，生成准确可靠的DCF77时间码。

发明内容

本发明的目的提供一种安全可靠，进而准确性高的基于北斗的DCF77时间码发生方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，它包括以下步骤：

步骤一，北斗卫星授时接收模块接收北斗卫星信号作为本发明中时间同步时钟的时钟源，并对接收到的北斗卫星信号进行处理得到北斗时间信息和秒脉冲信息；然后北斗卫星授时接收模块将获取的北斗时间信息和秒脉冲信息分别提供给时间维护处理模块和DCF77码元生成模块；

步骤二，时间维护处理模块接收到北斗时间信息后，进行信息解析，并重新组帧后转发给DCF77码元生成模块；

步骤三，DCF77码元生成模块根据接收到的秒脉冲信息和转发的北斗时间信息，生成分脉冲信息，将获取的分脉冲信息和秒脉冲信息作为码元生成的时间基点，通过正确的码字寻址和码元寻址，得到码元值生成DCF77码输出。

所述的步骤二还包括如下操作：时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块输出时间的连续性和正确性进行判断；在判断的过程中，首先判断是否存在时间异常标志，若存在时间异常标志且经判断时间重新连续可信，则取消时间异常标志，更新时间信息；若存在时间异常标志且经判断时间不连续，则将秒连续计数清零，重新进行连续性判断；若没有时间异常标志且经判断时间连续，则更新时间信息；若没有时间异常标志且经判断时间不连续，则置时间异常标志。

所述的步骤二还包括如下操作：时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块的工作状态进行检测，若北斗卫星授时接收模块的工作状态为不可用，则根据自身已接收的时间信息，累加产生正确的北斗时间信息。

所述的步骤二在单片机中进行开发实现。

所述单片机的输出端与显示电路相连接。

所述的步骤三中还包括如下操作：在北斗卫星授时接收模块故障或者秒脉冲缺失时，DCF77码元生成模块利用本地分频得到的秒脉冲进行维持；且每个秒脉冲到来时锁存从上一个秒脉冲开始计数的计数值。

所述的步骤三中还包括如下操作：DCF77码元生成模块延迟秒脉冲500ms，得到半秒脉冲送给时间维护处理模块作为中断。

所述的步骤三在可编程逻辑芯片中进行开发实现，所述的可编程逻辑芯片中包括接收存储单元和脉冲处理单元，接收存储单元和脉冲处理单元均与码元生成单元相连接。

所述可编程逻辑芯片的输入端还与本地晶振相连接，其输出端还与电平转换芯片相连接。

采用上述技术方案的本发明，使用北斗卫星导航系统作为时间源，消除了GPS安全隐患，保证了系统的可靠性；使用快速数字信号处理方法，保证处理的实时性与时间精度。具有以下优点：

1、DCF77码元生成中利用北斗卫星信号作为时间源，装置输出时间信息的安全性得到保证；

2、单片机对北斗卫星授时接收模块的时间信息进行连续性判断与维护，可有效解决接收模块串口输出时间出现的重秒，跳秒，缺秒等问题；

3、可编程逻辑芯片对脉冲进行了有无判断与保护，故障时可利用本地时间进行维持输出秒脉冲，在接收模块出现秒脉冲缺失或者接收模块指示工作异常时切换到本地维护脉冲模式，且可以保证单片机的中断不会缺失；且生成本地秒脉冲时，不是按照晶振的标称频率，而是实时锁存两个秒脉冲之间的本地频率计数值，得到晶振故障时的当前频率，减少频率准确度引起的误差。

4、利用可编程逻辑芯片进行脉冲生成，同步于卫星接收模块输出的1PPS，稳定可靠，精度高达300ns左右，远远高于无线长波授时的精度。

附图说明

图1为DCF77时间码中码元“0”与码元“1”的波形图；

图2为本发明的整体原理框图；

图3为DCF77码生成方法的流程图；

图4为本发明中时间连续性处理的流程图；

图5为本发明中DCF77码元生成模块脉冲处理方法的流程图；

图6为本发明的硬件原理框图；

图7为图6中可编程逻辑芯片的内部原理框图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本发明包括以下步骤：

步骤一，北斗卫星授时接收模块接收北斗卫星信号作为本发明中时间同步时钟的时钟源，并对接收到的北斗卫星信号进行处理得到北斗时间信息和秒脉冲信息；然后北斗卫星授时接收模块将获取的北斗时间信息和秒脉冲信息分别提供给时间维护处理模块和DCF77码元生成模块；

步骤二，时间维护处理模块接收到北斗时间信息后，进行信息解析，并重新组帧后转发给DCF77码元生成模块。需要指出的是，此步骤是在假定北斗卫星授时接收模块输出的时间连续、正确且状态可用的前提下作出的。另外，此步骤在单片机中进行开发实现。为便于显示，上述单片机的输出端还与显示电路相连接。

步骤三，DCF77码元生成模块根据接收到的秒脉冲信息和转发的北斗时间信息，生成分脉冲信息，将获取的分脉冲信息和秒脉冲信息作为码元生成的时间基点，通过正确的码字寻址和码元寻址，得到码元值生成DCF77码输出，如图3所示。需要说明的是，此步骤是在假定北斗卫星授时接收模块无故障或者秒脉冲正常的前提下，DCF77码元生成模块所作出的操作步骤，且在该步骤中，DCF77码元生成模块延迟秒脉冲500ms，得到半秒脉冲送给时间维护处理模块作为中断。另外，步骤三在可编程逻辑芯片中进行开发实现。为保证正常实施，可编程逻辑芯片的输入端还与本地晶振相连接，其输出端还与电平转换芯片相连接。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，在本实施例在实施例1的基础上，步骤二增加了如下操作：时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块输出时间的连续性和正确性进行判断，以保证时间输出的正确性。如图4所示，在判断时间连续性的过程中，首先判断是否存在时间异常标志，若存在时间异常标志，则先对异常秒数进行计数后再判断时间是否连续，在时间异常标志置1时如果连续3秒时间连续，即秒连续计数至少等于3，此时判断时间可信，取消时间异常标志，即时间异常标志＝0，同时更新当前时间寄存器Tr，置异常秒计数＝0，秒连续计数＝0；若存在时间异常标志且经判断时间不连续，则将秒连续计数清零，不使用接收到的时间更新时间寄存器。若没有时间异常标志且经判断时间连续，则更新时间寄存器Tr，将异常秒计数＝0；若没有时间异常标志且经判断时间不连续，则置时间异常标志，异常秒计数＝1、秒连续计数＝0。需要说明的是，发送时间＝Tr+异常秒计数。

另外，上述的步骤二还包括如下操作：时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块的工作状态进行检测，若北斗卫星授时接收模块的工作状态为不可用，则根据自身已接收的时间信息，累加产生正确的北斗时间信息。除此以外，将系统工作状态信息以及时间信息输出到显示接口，同时工作状态信息要送给脉冲处理与DCF77生成模块；

这样，在实施例1的基础上，加上实施例2增加的操作，步骤二时间维护处理模块处理流程如下：

i)整秒中断到来，本秒开始，进入步骤ii。

ii)等待。如有串口中断到来，接收数据进行缓存，直到整帧接收完成跳到步骤iii；否则一直等到半秒中断到来，跳到步骤iv。

iii)解析接收数据状态信息与时间信息，如果状态指示不可用，则跳到步骤iv；否则，进行时间连续性处理，处理后可保证输出时间连续正确，结束后跳到步骤v。

iv)自动计算时间进行本秒时间生成与发送。跳到步骤v。

v)时间驱动显示接口显示；如果连续3秒接收不到串口数据、时间不连续或者状态指示异常，则进行告警灯指示。结束本秒。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是，在本实施例在实施例1的基础上，步骤三增加了如下操作，即进行秒脉冲容错处理：如图5所示，在北斗卫星授时接收模块故障或者秒脉冲缺失时，DCF77码元生成模块利用本地分频得到的秒脉冲进行维持；且每个秒脉冲到来时锁存从上一个秒脉冲开始计数的计数值，保证正确锁存当前晶振频率，而不是用标称频率。这样，经过秒脉冲处理，即可获取精确的分脉冲、半秒脉冲、秒脉冲信息等等。另外，还可接收单片机发送的时间信息，以分脉冲与秒脉冲作为码元生成的时间基点，通过正确的码字寻址以及码元寻址，得到码元值生成DCF77码输出。

如图6所示，实现上述方法的硬件装置包括包括北斗接收模块、单片机、可编程逻辑芯片，显示接口电路，电平转换芯片、本地10MHz晶振等等。其中，接收模块为北斗接收模块，北斗接收模块接收北斗卫星信号，单片机对时间信息进行维护和处理；时间信息和秒脉冲信号输入到可编程逻辑芯片中，本地钟振的频率也输入到可编程逻辑芯片中作为工作时钟，生成直流DCF77时间码信号。

其各个模块功能具体工作方式如下：

1、北斗天线与北斗接收模块：选取北斗卫星接收模块和卫星接收天线，进行卫星授时获得准确时间，接收模块保证要有时间信息串口输出，同时要有秒脉冲输出，而且要保证串口数据能在上半秒发送完成；时间信息串口发送给单片机，秒脉冲送给可编程逻辑芯片FPGA。

2、单片机：单片机接收北斗接收模块通过串口转发的时间信息判断时间正确性以及容错处理，进行解帧并验证信息的正确性；时间信息要进行格式的转变，ASCII码或者其他格式编码要转变为BCD码，通过年月日计算得到具体的星期几、闰秒状态等，存储到发送缓存，而且要对发送数据进行偶校验获得偶校验值存储到发送缓存；根据接收模块发送的状态信息，或者判断连续3秒接收模块没有数据到来，则认为系统工作状态异常，可驱动LED指示灯显示告警状态，便于用户了解；再者，把维护得到时间信息送给可编程逻辑器件的同时也送到显示数码管，通过数码管显示维护的时间信息，便于用户了解内部时间维护正确性。

3、可编程逻辑芯片FPGA：FPGA内部功能结构单元如图7，包括3个模块：接收存储单元、脉冲处理单元以及码元生成单元，其功能分别为：

①接收存储单元：模拟串口通信，接收来自单片机的信息并存储。单片机把时间信息组帧后通过串口发送，FPGA进行相应接收后保存。

②脉冲处理单元：得到来自卫星接收模块的秒脉冲信号，根据接收存储单元的秒时间以及闰秒状态，无闰秒时59秒下一个秒脉冲为分秒冲，正闰秒时60秒、负闰秒时58秒下一个秒脉冲为分秒冲，以分秒冲作为码元生成的帧起始点；接收秒脉冲信号，并延迟500ms得到半秒脉冲信号送给单片机作为整秒以及半秒中断；在接收模块故障或者偶然性缺失没有秒脉冲到来时，或者模块指示异常时，根据本地晶振提供10MHz频率信号生成本地维护的秒脉冲，维持系统运行；同时，脉冲处理单元还要根据秒脉冲为起点，生成10Hz信号作为码元生成的内部时间节点。

③码元生成单元：从接收存储单元获得生成码元信息内容，脉冲处理单元得到整分点、整秒点以及10Hz信号，按照DCF77码元格式生成码元输出，码元生成原则是：整分脉冲到来，送本帧第一个bit，如果信息内容为0，则持续100ms低电平，即10Hz信号一个周期时间为低电平，其他9个周期为高电平；如果为1，则持续10Hz信号2个周期低电平，其他8个周期为高电平，以后以每个秒脉冲作为一个码元的起点生成一帧DCF77时间信息。

4、本地晶振：提供工作频率给可编程逻辑芯片。

5、指示灯与数码管作为显示电路：指示灯根据单片机送出的工作状态指示信号指示当前工作状态；数码管根据单片机给出当前时间信息显示时间。

6、电平转换芯片：对FPGA输出DCF77码进行隔离和电平转化，输出适合用户电气特性要求的DCF77时间码。

Claims (7)

1.一种基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一，北斗卫星授时接收模块接收北斗卫星信号作为本发明中时间同步时钟的时钟源，并对接收到的北斗卫星信号进行处理得到北斗时间信息和秒脉冲信息；然后北斗卫星授时接收模块将获取的北斗时间信息和秒脉冲信息分别提供给时间维护处理模块和DCF77码元生成模块；

步骤二，时间维护处理模块接收到北斗时间信息后，进行信息解析，并重新组帧后转发给DCF77码元生成模块；且在此过程中，时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块输出时间的连续性和正确性进行判断；在判断的过程中，首先判断是否存在时间异常标志，若存在时间异常标志且经判断时间重新连续可信，则取消时间异常标志，更新时间信息；若存在时间异常标志且经判断时间不连续，则将秒连续计数清零，重新进行连续性判断；若没有时间异常标志且经判断时间连续，则更新时间信息；若没有时间异常标志且经判断时间不连续，则置时间异常标志；

步骤三，DCF77码元生成模块根据接收到的秒脉冲信息和转发的北斗时间信息，生成分脉冲信息，将获取的分脉冲信息和秒脉冲信息作为码元生成的时间基点，通过正确的码字寻址和码元寻址，得到码元值生成DCF77码输出；此过程中，若北斗卫星授时接收模块故障或者秒脉冲缺失，则DCF77码元生成模块利用本地分频得到的秒脉冲进行维持；且每个秒脉冲到来时锁存从上一个秒脉冲开始计数的计数值。

2.根据权利要求1所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述的步骤二还包括如下操作：时间维护处理模块对北斗卫星授时接收模块的工作状态进行检测，若北斗卫星授时接收模块的工作状态为不可用，则根据自身已接收的时间信息，累加产生正确的北斗时间信息。

3.根据权利要求2所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述的步骤二在单片机中进行开发实现。

4.根据权利要求3所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述单片机的输出端与显示电路相连接。

5.根据权利要求1所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述的步骤三中还包括如下操作：DCF77码元生成模块延迟秒脉冲500ms，得到半秒脉冲送给时间维护处理模块作为中断。

6.根据权利要求5所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述的步骤三在可编程逻辑芯片中进行开发实现，所述的可编程逻辑芯片中包括接收存储单元和脉冲处理单元，接收存储单元和脉冲处理单元均与码元生成单元相连接。

7.根据权利要求6所述的基于北斗的DCF77时间码发生方法，其特征在于：所述可编程逻辑芯片的输入端还与本地晶振相连接，其输出端还与电平转换芯片相连接。

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