CN102880045B

CN102880045B - 基于gps、北斗卫星、光纤b码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统

Info

Publication number: CN102880045B
Application number: CN201210343941.6A
Authority: CN
Inventors: 张熀松
Original assignee: NANJING ADES ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: Nanjing Xieao Intelligent Control System Co., Ltd.
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: CN102880045A

Abstract

本发明提出一种基于GPS、北斗卫星、光纤B码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统，包括：GPS接收机、北斗接收机、IBIG-B码解码终端、GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B秒脉冲提取和解码模块、信号选择控制单元、时钟模块和实时时间计数电路。本发明采用GPS、北斗卫星或光纤B码作为时间源，GPS、北斗卫星授时源同时有效时，根据用户配置要求，选择其中一路卫星授时源优先，另一路作为备用授时源。当卫星授时源都失效时，根据两路直流B码的时间质量，决定使用哪一路B码授时源，精度高、长期稳定性好。

Description

基于GPS、北斗卫星、光纤B码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统

技术领域

本发明涉及关于一种同步时钟时间信号发生装置，且特别是有关于一种基于GPS、北斗卫星、光纤B码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统。

背景技术

随着我国经济持续快速发展，对电力需求快速增长；另外，随着数字经济和IT时代的发展，电力消费者对用电力的要求也越来越高。现有电力系统已无法满足需求，加快电力生产，输送和消费方式的转变，推动电力行业发展模式的转变，建立具有中国特色的坚强智能电网是时代所趋。

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，采用先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，通过清晰的逻辑时序实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全。

智能电网发展中逻辑时序是关键，智能电网逻辑时序的实现依赖于精密的时间分辨率，因此时间同步系统就成了智能电网发展中的重中之重。目前我国应用于电力行业的时间同步系统的时钟源大都采用对我国免费开放的美国GPS系统作为主时钟源。但是我国自建国以来，就受到资本主义世界的“围追堵截”，尤其是以美国为首的北约。在日益紧张的国际环境中，一旦美国关闭或调整GPS信号，我国的电力系统将处于瘫痪状态。因此开发一种兼容GPS、北斗、IRIG-B的时间同步模式，迫在眉睫。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种精度高、长期稳定性好的同步时钟时间输出系统。

为达上述目的，本发明提出一种提出基于GPS、北斗卫星、光纤B码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统。GPS接收机、北斗接收机、IBIG-B码解码终端、GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B秒脉冲提取和解码模块、信号选择控制单元、时钟模块和实时时间计数电路。

其中GPS接收机、北斗接收机、IBIG-B码解码终端分别连接GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B秒脉冲提取和解码模块，GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B码准时沿提取和解码模块、时钟模块和实时时间计数电路分别连接信号选择控制单元，GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、IRIG-B秒脉冲提取和解码模块分别输出一个外部时间基准信号至信号选择控制单元，信号选择控制单元从上述四路外部时间基准信号中选择一路作为时间同步信号输入时钟单元，并根据时间同步信号和时钟单元输出信号输出时间同步信号。

本发明中，GPS配置与解析模块包括GPS UART模块、GPS解析模块和GPS配置模块，GPS解析模块和GPS配置模块分别与UART模块相连，GPS解析模块用于解析出GPS锁星数、位置信息、时间信息、定位状态信息和GPS配置状态信息，GPS配置模块进行GPS波特率的配置。

本发明中，北斗配置与解析模块包括北斗UART模块、北斗解析模块和北斗配置模块，北斗解析模块和北斗配置模块分别连接北斗UART模块，北斗解析模块解析出北斗接收机跟踪锁定的卫星数、时间信息、定位状态信息、时间状态信息和GPS配置状态信息，北斗配置模块进行北斗的波特率、零值、时区、输出语句、位置和模式的配置。

本发明中，时钟模块包括校正脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路、分频电路、重启动电路，GPS接收器输出外部时间基准信号至校正脉冲发生电路；校正脉冲发生电路根据外部时间基准信号输出校正脉冲至相位比较电路；相位比较电路比较上述校正脉冲和恒温晶振输出的系统内时间信号的相位；分频系数控制电路连接上述相位比较电路和分频电路，且分频系数控制电路根据相位比较结果调整分频电路的分频系数；分频电路根据分频系数对晶振时钟信号进行分频，从而得到系统内时间信号；重启动电路连接上述分频电路并根据系统内时间信号和校正脉冲的相位比较结果重启分频电路中的分频计数器，分频电路的输出连接实时时间计数电路。

综上所述，本发明采用GPS、北斗卫星或光纤B码作为时间源，GPS、北斗卫星授时源同时有效时，根据用户配置要求，选择其中一路卫星授时源优先，另一路作为备用授时源。当卫星授时源都失效时，根据两路直流B码的时间质量，决定使用哪一路B码授时源，精度高、长期稳定性好。

附图说明

图1是本发明一实施例的原理框图。

图2是图1中GPS配置与解析模块的原理框图。

图3是图1中北斗配置与解析模块的原理框图。

图4是图1中时钟单元的原理框图。

图5是图1中信号选择控制单元的原理框图。

图6是图1中实时时间计数电路的写入流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

本实施例中，GPS接收机与北斗接收机的输出语句格式和配置语句格式都是NMEA-0183。从两者的逻辑设计框图（图2和图3）可以看到，GPS配置与解析模块与北斗配置与解析模块结构完全相同，只是因为GPS接收机与北斗接收机的输出语句和配置语句的信息的组织方式不同，所以在解析或配置的过程中，在具体操作上，有细微的差别。

GPS配置与解析模块包括GPS UART模块、GPS解析模块和GPS配置模块。GPS解析模块解析的语句有GGA、RMC和ACK。GGA中解出GPS锁星数和位置信息，解出的锁星数用于信号选择单元，判断GPS的工作状态是否正常；RMC语句中解析出时间信息和定位状态信息；ACK语句通过置位ack_statusGPS[7..0]标志位，告诉后续模块刚才对GPS的配置有没有成功。通过设置GPS配置模块的baudrate_gps[7..0]取值和set_baudrate_com_blck启动标志，能进行GPS波特率的配置。

北斗配置与解析模块包括北斗UART模块、北斗解析模块和北斗配置模块，北斗解析模块解析的语句有GGA、RMC、SAT、TIME2和ACK。GGA中解出北斗的位置信息；能从SAT语句中解析出北斗接收机跟踪锁定的卫星数；RMC语句中解析出时间信息和定位状态信息；TIME2语句中解析出时间状态信息，解出的时间状态信息用于信号选择单元，判断北斗的工作状态是否正常；ACK语句通过置位ack_statusBD[7..0]标志位，告诉后续模块刚才对北斗的配置有没有成功。通过对北斗配置模块进行设置，能配置北斗的波特率、零值、时区、输出语句、位置和模式。

IRIG-B码准时沿的提取模块，IRIG-B码解码终端接收到IRIG-B码后把秒脉冲和时间信息解调出来。时间信息可以串行或并行的形式输出。在每一个IRIG-B码上升沿到来时开始计数，下降沿到来时停止计数，然后读出计数值，据此计数值判断出是2ms或5ms或8ms据此来判断IRIG-B码的值，同时做一个状态机来把不同序列的年和自1月1日起到现在的天、当前的时分秒写入相应的寄存器，在一帧完成后通知单片机取走数据，转换成串口数据输出。同时在连续两个8ms处解出秒脉冲。在00秒到来时解出分脉冲、在00分到来时解出时脉冲。

连续两个P码元即为IBIG-B码的帧头，在FPGA中判断帧头信息需要对B码信号的高电平计时，当连续两个脉冲的高电平时间达到P码元的要求时才可认为是帧头，但此时秒的准时刻（上升沿）已经过去了8ms。为了能够使提取出的秒脉冲信号irigb_pulse，设计一个屏蔽信号Mask，在PPS到来的前1ms打开，截取整个P0码元，那么同步脉冲将是Mask与进入的IRIG-B信号“与”的结果，利用这种组合逻辑实现PPS信号的同步提取

IRIG-B码每秒发送一次，为100个码元。码元有Pr码、P码、逻辑1、逻辑0，其中Pr码和P码的高电平宽度为8ms，逻辑1的高电平宽度为5ms，逻辑0的高电平宽度为2ms。因此我们可以根据不同码元的高电平宽度不同识别出码元，待识别完毕之后，对数据进行串并转化，最后把BCD码时间转化为二进制时间。

图4是图1中时钟单元的原理框图。时钟模块包括校正脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路、分频电路、重启动电路，GPS接收器输出外部时间基准信号至校正脉冲发生电路；校正脉冲发生电路根据外部时间基准信号输出校正脉冲至相位比较电路；相位比较电路比较上述校正脉冲和恒温晶振输出的系统内时间信号的相位；分频系数控制电路连接上述相位比较电路和分频电路，且分频系数控制电路根据相位比较结果调整分频电路的分频系数；分频电路根据分频系数对晶振时钟信号进行分频，从而得到系统内时间信号；重启动电路连接上述分频电路并根据系统内时间信号和校正脉冲的相位比较结果重启分频电路中的分频计数器，分频电路的输出连接实时时间计数电路。

图5是图1中信号选择控制单元的原理框图。系统包含四路外部时间基准信号，分别是两路直流B码授时源，GPS、北斗卫星授时源。信号选择控制单元的主要作用是：从外部时间基准信号中筛选出进入时钟单元的时间同步信号PPS_IN；从四路外部时间基准信号和时钟单元输出信号PPS_OUT中筛选出输出时间同步信号PPS。

PPS_IN的筛选原则如下：

北斗卫星授时源有效时，使用卫星授时源；

GPS、北斗卫星授时源同时有效时，根据用户配置要求，选择其中一路卫星授时源优先，另一路作为备用授时源；

当卫星授时源都失效时，根据两路直流B码的时间质量，决定使用哪一路B码授时源；

四路外部时间基准信号都不满足要求时，PPS_IN持续低电平。

PPS的筛选原则如下。

时钟单元送出的OSCIsReady信号为0时，说明晶振不稳定，此时时钟单元输出的秒脉冲PPS_OUT精度没有达到要求，信号选择控制单元按照PPS_IN的筛选原则筛选PPS信号。时钟单元送出的OSCIsReady信号为1时，以PPS_OUT作为PPS信号源。

时间质量的判断方法如下；

GPS接收机：跟踪锁定卫星数Lockstar_gps大于等于3时，GPS接收机工作正常，输出秒脉冲的随机误差的标准差小于100ns，否则，不正常。

北斗接收机：时间质量标示status_time_bd等于字符“A”时，北斗接收机输出秒脉冲有效，输出秒时钟误差的标准差小于100ns，否则，无效。

B码：时间质量标示timeQ2小于等于3时，表明秒准时沿的误差的标准差小于100ns。

实时时间计数器由于需要记录多种不同类型的时间值，因此它是由多个不同模的计数器组成的，包括模60、模24、模12计数器等。考虑到每月的天数各不相同，以及年份中会出现闰年，秒计数值中会出现60（闰秒）的情况，这些计数器在级联的同时，还附加了额外的逻辑以实现月份中的天数能符合实际年份、月份和秒值的要求。

实时时间计数器中的每个计数器都有置数功能，这使得可以在校时阶段修改这些计数器当前的计数值。实现时间值写入的方法是，在每个时间单元前设置一组寄存器，并且它们的同步置数端由写入使能信号决定，同步置数操作优先于计数操作。选择的外部时间源首先将时间值写入各时间单元的输入寄存器中，随后发出时间写入命令，此时，时间写入使能信号将被置高，各计数器随即进入同步置数状态，当下一主时钟上升沿到来时，时间值就会被写入各计数器中。特别的是，由于GPS接收机、北斗接收机、IRIG-B(DC)码解码出来的时间值是用BCD码表示的，而计数器内部是用二进制表示的，因此，由外部时间源写入的时间还需经过BCD到二进制的转换模块，然后才能被真正写入。时间写入时的简单流程如图6所示。

实时时间计数器中的时间值输出也是通过设置的输出寄存器来完成的。当单片机发出读时间命令时，各时间单元的计数器的值将会被寄存到输出寄存器中，然后CPU再逐一读取此时输出寄存器中的时间值。特别的是，由于CPU直接读取十进制表示的时间值，因此，计数器中的二进制计数值必须通过一个二进制到十进制的转换模块才能输出。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种基于GPS、北斗卫星、光纤B码、高精度恒温晶振的同步时钟时间输出系统，其特征在于，包括:GPS接收机、北斗接收机、IBIG-B码解码终端、GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B秒脉冲提取和解码模块、信号选择控制单元、时钟模块和实时时间计数电路；其中GPS接收机、北斗接收机、IBIG-B码解码终端分别连接GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B秒脉冲提取和解码模块，GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、两个IRIG-B码准时沿提取和解码模块、时钟模块和实时时间计数电路分别连接信号选择控制单元，GPS配置与解析模块、北斗配置与解析模块、IRIG-B秒脉冲提取和解码模块分别输出一个外部时间基准信号至信号选择控制单元，信号选择控制单元从上述四路外部时间基准信号中选择一路作为时间同步信号输入时钟单元，并根据时间同步信号和时钟单元输出信号输出时间同步信号；其中GPS配置与解析模块包括GPS UART模块、GPS解析模块和GPS配置模块，GPS解析模块和GPS配置模块分别与UART模块相连，GPS解析模块用于解析出GPS锁星数、位置信息、时间信息、定位状态信息和GPS配置状态信息，GPS配置模块进行GPS波特率的配置；其中北斗配置与解析模块包括北斗UART模块、北斗解析模块和北斗配置模块，北斗解析模块和北斗配置模块分别连接北斗UART模块，北斗解析模块解析出北斗接收机跟踪锁定的卫星数、时间信息、定位状态信息、时间状态信息和GPS配置状态信息，北斗配置模块进行北斗的波特率、零值、时区、输出语句、位置和模式的配置；其中时钟模块包括校正脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路、分频电路、重启动电路,GPS接收器输出外部时间基准信号至校正脉冲发生电路；校正脉冲发生电路根据外部时间基准信号输出校正脉冲至相位比较电路；相位比较电路比较上述校正脉冲和恒温晶振输出的系统内时间信号的相位；分频系数控制电路连接上述相位比较电路和分频电路，且分频系数控制电路根据相位比较结果调整分频电路的分频系数；分频电路根据分频系数对晶振时钟信号进行分频，从而得到系统内时间信号；重启动电路连接上述分频电路并根据系统内时间信号和校正脉冲的相位比较结果重启分频电路中的分频计数器，分频电路的输出连接实时时间计数电路；

实时时间计数器中的时间值输出通过设置的输出寄存器来完成的；当单片机发出读时间命令时，各时间单元的计数器的值将会被寄存到输出寄存器中，然后CPU再逐一读取此时输出寄存器中的时间值；

采用GPS、北斗卫星或光纤B码作为时间源时，GPS、北斗卫星授时源同时有效时，根据用户配置要求，选择其中一路卫星授时源优先，另一路作为备用授时源；当卫星授时源都失效时，根据两路直流B码的时间质量，决定使用哪一路B码授时源。