CN102882626A - 融合b码解码技术的ieee1588智能电网时间传输方法与装置 - Google Patents
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Abstract
融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法，在智能电网变电站时间传输装置上的嵌入式处理器和网络接口模块的时间信号输入端有两组输入信号：一组是1PPS和NMEA0183，另一组是IRIG-B，通过信号选择模块负责选择出时间精度最高的一组信号，1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B；解码模块将信号选择模块选择出来的信号进行串并转换，为嵌入式处理器和网络接口模块提供时间戳；IRIG-B解码模块中时间报文解析的时间协议为NMEA0183，GPS接收机根据NMEA0183协议的标准规范，将位置、速度信息通过串口传送到处理器，NMEA0183协议是GPS接收机的标准协议。
Description
技术领域
本发明涉及一种融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法与装置。
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，融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置旨在提供一种高准确度的时间传输装置。IEEE 1588与其他常用于EthernetTCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要的区别是：IEEE 1588是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。IEEE1588定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，设定冗余的网络路径进入PTP协议的非激活状态。与SNTP/NTP相反，时间印章更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置可以达到微秒以内的精度。
为了IEEE1588智能电网时间传输装置的准确度，目前的B码技术主要是使用多片单片机组合成联合控制系统，补偿同步系统的时延。但是这并没有补偿和修正从发射端到接收端传输过程中引入的误差。同时单片机的运行速度比较慢，在处理过程中会引入时延较大，这就会给系统的参考时间带来很大的误差。在硬件平台上采用ARM7，甚至更低平台，运行速度较慢。
发明内容
本发明目的是提出一种融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，尤其是时间准确度高、长期稳定性好的IEEE1588智能电网时间传输装置。B码解码指B码基准解码接收技术授时的标准时间发送的方法与装置。该方法与装置以IRIG-B（TTL电平或RS422）码解码模块为核心。
本发明的技术方案是：融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法，在智能电网变电站的时间传输装置的嵌入式处理器和网络接口模块的时间信号输入端设有两组输入信号：一组是1PPS和NMEA0183，另一组是IRIG-B，通过信号选择模块负责选择出时间精度最高的一组信号，优先级别为1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B；IRIG-B码解码模块将信号选择模块选择出来的信号进行串并转换，为嵌入式处理器和网络接口模块提供时间戳；LED指示模块，负责指示出当前系统的运行状态。
嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端；
IRIG-B解码模块中时间报文解析的时间协议为NMEA0183，GPS接收机根据NMEA0183协议的标准规范，将位置、速度信息通过串口传送到中央处理器，NMEA0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议；解析模块解析的语句有GGA和RMC；GGA中解出GPS锁星数，解出的锁星数用于时间源选择单元，判断GPS的工作状态是否正常；RMC语句中解析出时间信息；
补偿和修正从发射端到接收端传输过程中引入的误差的方法：
进一步的，IRIG-B码准时沿提取连续两个P码元（即为IBIG-B码的帧头），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码元的要求时才可认为是帧头，但此时秒脉冲信号的准时沿、上升沿已经过去了8ms；设有屏蔽信号Mask，在1PPS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1PPS信号的同步提取；即提取出的秒脉冲信号（irigb_pulse）。在CPLD中判断帧头信息需要对B码信号的高电平计时，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1PPS（每秒的脉冲数）到来的前1ms打开，截取整个P0码元；
进一步的，IRIG-B码时间信息的提取IRIG-B码每秒发送一次，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，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，转化成BCD码，最后把BCD码时间转化为二进制时间；
IRIG-B解码模块产生1PPS信号给网络接口模块，网络接口模块记下此刻的时间戳；IRIG-B解码模块把秒以上的时间通过串口发送给嵌入式处理器（中断方式），嵌入式处理改变当前系统时间；网络接口模块记下时间戳后，并且触发到CPU的PTP中断，嵌入式处理器系统响应中断并且读取时间戳；
嵌入式处理器与网络接口模块同步内核线程检查开始两个秒脉冲的时间并且使用one step模式调整网络接口模块的时间，确保秒以上时间准确；
IRIG-B解码模块产生的1PPS与网络接口模块的时间同步内核线程，以后每秒的脉冲到来的时候，读取时间戳，做temporary rate调整。
融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是在智能电网变电站上使用，包括信号选择控制模块、IRIG-B码解码模块、嵌入式处理器、网络接口模块、LED指示模块和包括通用异步接收/发送模块UART串并转换单元；信号选择控制模块的输入端支持两组信号输入：一组信号是1PPS和NMEA0183，另一组信号是IRIG-B，通过信号选择模块选择并输出的信号接至串并转换单元，再连接到嵌入式处理器和网络接口模块的时间信号输入端；UART是一个并行输入串行输出的模块，包括波特率发生模块和接收器模块；波特率发生模块即一个分频器实现；分频器对系统主时钟的分频数为652，每一计数周期使输出电平高、低变化，可得到波特率对应的UART的时钟；接收器模块，完成一个最大似然判决，接收器模块从捕捉到数据串的第一个0开始工作，也就是验证起始位的到来，验证完后，开始接收8位数据，并进行串并转换，随后检测停止位，正确则输出；嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端。
IRIG-B码解码模块采用CPLD进行B码的解码融合滤波技术，嵌入式处理器采用ARM9硬件平台，PHY采用工业级网络接口芯片DP83640，对时精度达到纳秒级；采用CPLD进行B码的解码，融合滤波技术，有效的提高了B码解码的时间准确度。在IEEE1588协议上，融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置在ARM9硬件平台上采用linux2.6.21系统，系统运行稳定快速，PHY采用工业级芯片DP83640，对时精度达到纳秒级。
嵌入式处理器和网络接口模块：IRIG-B解码模块产生1PPS信号给网络接口模块，网络接口模块记下此刻的时间戳；IRIG-B解码模块把秒以上的时间通过串口发送给嵌入式处理器（中断方式），嵌入式处理改变当前系统时间；网络接口模块记下时间戳后，并且触发到CPU的PTP中断，嵌入式处理器系统响应中断并且读取时间戳；
嵌入式处理器与网络接口模块同步内核线程检查开始两个秒脉冲的时间并且使用one step模式调整网络接口模块的时间，确保秒以上时间准确；
IRIG-B解码模块产生的1PPS与网络接口模块的时间同步内核线程，以后每秒的脉冲到来的时候，读取时间戳，做temporary rate调整；
嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端。LED指示模块，负责指示出当前系统的运行状态。
信号选择模块，时间信息的来源有两个途径：一种是1PPS和NMEA0183，另一种是IRIG-B；时间信息源选择模块选择出时间精度最高的一组信号，优先级别为1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B；
IRIG-B解码模块，时间报文解析的时间报文格式#NMEA0183，解析模块解析的语句有GGA、RMC；GGA中解出GPS锁星数，解出的锁星数用于时间源选择单元，判断GPS的工作状态是否正常；RMC语句中解析出时间信息；
B码解码指B码基准解码接收技术授时的标准时间发送的方法与装置。该方法与装置以IRIG-B（TTL电平或RS422）码解码模块为核心。
本发明的有益效果是，融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置模块化的设计也使本发明很容易适应低端设备，所以该系统的智能电网中有广阔的应用前景。尤其是一种时间准确度高、长期稳定性好的IEEE1588智能电网时间传输装置。
附图说明
图1为本发明硬件框图；
图2为本发明软件框图；
图3为本发明时间信息源选择模块设计框图；
图4为本发明串口时间报文解析示意图；
图5为本发明UART模块框图。
具体实施方式
参见附图，图1-2了基本架构，融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，在输入端有两组输入信号。一组是1PPS和NMEA0183，另一组是IRIG-B，信号选择模块负责选择出时间精度最高的一组信号，优先级别为1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B。IRIG码解码模块将信号选择模块选择出来的信号进行串并转换，为嵌入式处理器和网络接口模块提供时间戳。嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端。LED指示模块，负责指示出当前系统的运行状态。具体措施如下：信号选择模块（参见图3）：时间信息的来源有两个途径：一种是1PPS和NMEA0183，另一种是IRIG-B。时间信息源选择模块如下图所示。信号选择模块负责选择出时间精度最高的一组信号，优先级别为1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B。
IRIG-B解码模块：
时间报文解析的时间报文格式#NMEA0183，解析模块解析的语句有GGA、RMC。GGA中解出GPS锁星数，解出的锁星数用于时间源选择单元，判断GPS的工作状态是否正常；RMC语句中解析出时间信息。基于CPLD的IRIG-B码解码器的设计；也可以对IRIG-B码的解码与卫星授时的实现，可基于单片机的B码解码。
如图4串口时间报文解析示意图。
设计中通用异步接收/发送装置UART包括二个模块：UART并行输入成为串行输出的芯片，包括波特率发生模块，接收器模块。如图5。
（1）波特率发生模块，波特率发生器实际上就是一个分频器，具体是通过一个计数器实现。本设计采用16倍频采样的方案，也就是采用16倍于波特率的时钟，即若波特率为9600，则波特率发生器的输出时钟为9600×16。同时，因为系统主时钟为100MHz，所以分频电路对系统主时钟的分频数为652，每一计数周期使输出电平高、低变化，即可得到9600波特率对应的UART的时钟。
（2）接收器模块，为了避免噪声影响，能够得到正确的起始信号和有效数据，需要完成一个简单的最大似然判决，其方法如下：由于bclk信号的频率为波特率的16倍，则对于每个数据都会有16个采样值，最终的采样比特值为出现次数超过8次的电平逻辑值。接收模块从捕捉到数据串的第一个0开始工作，也就是验证起始位的到来，验证完后，开始接收8位数据，并进行串并转换，随后检测停止位，正确则输出。
IRIG-B码准时沿的提取连续两个P码元即为IBIG-B码的帧头，在CPLD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1PPS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1PPS信号的同步提取。
IRIG-B码时间信息的提取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。
嵌入式处理器和网络接口模块
IRIG-B解码模块产生1PPS信号给网络接口模块，网络接口模块记下此刻的时间戳；IRIG-B解码模块把秒以上的时间通过串口发送给嵌入式处理器（中断方式），嵌入式处理改变当前系统时间；网络接口模块记下时间戳后，并且触发到CPU的PTP中断，嵌入式处理器系统响应中断并且读取时间戳；
嵌入式处理器与网络接口模块同步内核线程检查开始两个秒脉冲的时间并且使用one step模式调整网络接口模块的时间，确保秒以上时间准确；
IRIG-B解码模块产生的1PPS与网络接口模块的时间同步内核线程，以后每秒的脉冲到来的时候，读取时间戳，做temporary rate调整。
Claims (9)
1.融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法，其特征是在智能电网变电站时间传输装置上的嵌入式处理器和网络接口模块的时间信号输入端有两组输入信号：一组是1PPS和NMEA0183，另一组是IRIG-B，通过信号选择模块负责选择出时间精度最高的一组信号，1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B；解码模块将信号选择模块选择出来的信号进行串并转换，为嵌入式处理器和网络接口模块提供时间戳；
IRIG-B解码模块中时间报文解析的时间协议为NMEA0183，GPS接收机根据NMEA0183协议的标准规范，将位置、速度信息通过串口传送到处理器，NMEA0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议；解析模块解析的语句有GGA和RMC；GGA中解出GPS锁星数，解出的锁星数用于时间源选择单元，判断GPS的工作状态是否正常；RMC语句中解析出时间信息。
2.根据权利要求1所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法，其特征是补偿和修正从发射端到接收端传输过程中引入的误差的方法：
IRIG-B码准时沿提取连续两个P码元、即为IBIG-B码的帧头，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码元的要求时才可认为是帧头，但此时秒脉冲信号的准时沿、上升沿已经过去了8ms；设有屏蔽信号Mask，在1PPS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1PPS信号的同步提取；即提取出的秒脉冲信号IBIG。
3.根据权利要求1所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输方法，其特征是IRIG-B码时间信息的提取IRIG-B码每秒发送一次，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，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，转化成BCD码，最后把BCD码时间转化为二进制时间；
IRIG-B解码模块产生1PPS信号给网络接口模块，网络接口模块记下此刻的时间戳；IRIG-B解码模块把秒以上的时间通过串口发送给嵌入式处理器（中断方式），嵌入式处理改变当前系统时间；网络接口模块记下时间戳后，并且触发到CPU的PTP中断，嵌入式处理器系统响应中断并且读取时间戳；
嵌入式处理器与网络接口模块同步内核线程检查开始两个秒脉冲的时间并且使用one step模式调整网络接口模块的时间，确保秒以上时间准确；
IRIG-B解码模块产生的1PPS与网络接口模块的时间同步内核线程，以后每秒的脉冲到来的时候，读取时间戳，做temporary rate调整。
4.融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是在智能电网变电站上使用，包括信号选择控制模块、IRIG-B码解码模块、嵌入式处理器、网络 接口模块、LED指示模块和包括通用异步接收/发送模块UART串并转换单元；信号选择控制模块的输入端支持两组信号输入：一组信号是1PPS和NMEA0183，另一组信号是IRIG-B，时间信息源选择模块选择出时间精度最高的一组信号，优先级别为1PPS和NMEA0183的优先级别高于IRIG-B；通过信号选择模块选择并输出的信号接至串并转换单元，再连接到嵌入式处理器和网络接口模块的时间信号输入端；UART是一个并行输入串行输出的模块，包括波特率发生模块和接收器模块；波特率发生模块即一个分频器实现；分频器对系统主时钟的分频数为652，每一计数周期使输出电平高、低变化，可得到波特率对应的UART的时钟；接收器模块，完成一个最大似然判决，接收器模块从捕捉到数据串的第一个0开始工作，也就是验证起始位的到来，验证完后，开始接收8位数据，并进行串并转换，随后检测停止位，正确则输出；嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端。
5.根据权利要求4所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是IRIG-B码解码模块采用CPLD，嵌入式处理器采用ARM9硬件平台，网络接口模块PHY采用工业级网络接口芯片DP83640，对时精度达到纳秒级。
6.根据权利要求4所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是IRIG-B解码模块产生1PPS信号给网络接口模块，网络接口模块记下此刻的时间戳；IRIG-B解码模块把秒以上的时间通过串口发送给嵌入式处理器，嵌入式处理改变当前系统时间；网络接口模块记下时间戳后，并且触发到CPU的PTP中断，嵌入式处理器系统响应中断并且读取时间戳；嵌入式处理器完成IEEE1588底层协议和驱动，为网络接口提供时间报文，网络接口负责将时间报文传送给客户端。LED指示模块，负责指示出当前系统的运行状态。
7.根据权利要求4所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是嵌入式处理器与网络接口模块同步内核线程检查开始两个秒脉冲的时间并且使用one step模式调整网络接口模块的时间，确保秒以上时间准确。
8.根据权利要求4或5所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是I RIG-B解码模块产生的1PPS与网络接口模块的时间同步内核线程，以后每秒的脉冲到来的时候，读取时间戳，做temporary rate调整。
9.根据权利要求4至8之一所述的融合B码解码技术的IEEE1588智能电网时间传输装置，其特征是UART并行输入成为串行输出的芯片，包括波特率发生模块和接收器模块；
（1）波特率发生模块，波特率发生器是一个分频器，通过一个计数器实现；得到9600波特率对应的UART的时钟；
（2）接收器模块，bclk信号的频率为波特率的16倍，则对于每个数据都会有16个采样值，最终的采样比特值为出现次数超过8次的电平逻辑值；接收模块从捕 捉到数据串的第一个0开始工作，也就是验证起始位的到来，验证完后，开始接收8位数据，并进行串并转换，随后检测停止位，正确则输出。
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