CN106502088A - 一种双模授时机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子产品生产测试领域，特别涉及一种双模授时机，所述授时机包括：北斗二代/GPS双模接收机模块、电源模块、计数模块、CPU控制模块、输出模块。本发明利用北斗二代/GPS双模接收机接收卫星信号，保证了北斗二代卫星和GPS卫星的双通道运行，保证信号源的稳定，计数模块选择恒温晶振模块，建立北斗1pps随机误差数学模型，在线修正北斗1pps随机误差，能够有效的消除北斗秒脉冲信号的随机误差，提高时间精度，同时，本发明的电源模块利用太阳能电池的光伏作用，达到节能、供电稳定便于安装的效果。

Description

一种双模授时机
【技术领域】
本发明涉及电子产品生产测试领域，特别涉及一种双模授时机。
【背景技术】
卫星授时机是通信、导航、雷达众多领域的时间基准，研制生产过程中1PPS秒脉冲，开机冷启动时间，定位精度等都是卫星授时机和导航接收机需要重点考核的指标。但因为以上这些信号需要每秒出现一次，科研人员手工测量并记录无法跟上信号变化。目前，共有五种授时方式：长、短波授时，电话拨号授时，SDH网络授时，计算机互联网授时和卫星授时。短波授时只能达到毫秒级，传输质量受到电离层的影响；电话拨号授时的方式以电话线作为传输介质，同步精度较低，一般为100毫秒；SDH网络授时技术是把与铯原子钟同步的时间信号嵌入到SDH网络。但授时信息的传递会因SDH网络的复用段开销阻断影响，因此，此授时方法不太可靠；卫星授时是当今信息社会授时方式的主流，美国的GPS更是起主导作用，从安全角度考虑，随着北斗二代卫星导航系统的组网实施运行，用北斗授时产品取代GPS授时产品是发展的必然。
目前，为克服GPS授时方式的安全漏洞，阻断美国在GPS授时的垄断地位，利用北斗二代卫星导航系统的组网实行的授时机运行已成为很多业内专家的研究方向，但是，北斗二代系统可实现单向授时，授时精度为50ns，可满足大多数的应用需求，但对于时间精度要求较高的应用无法满足，而且目前该类应用方案主要以分立元件搭建的系统为主，实现成本高，体积大，应用受限，例如本发明人2014年11月19申请的中国专利CN 104460310 A公开了一种双模授时机，本授时机的授时通道主要来自北斗二代卫星系统，精确性虽然比GPS高，但安全性和可靠性相对较低，而且不能实现脱离电网电路。因此，在授时机的授时应用过程中需要解决以下几个问题：(1)提高授时机授时的安全性、可靠性、精确性；(2)使授时机能脱离电网电路，利用清洁能源，达到节能降耗，不便于移动的缺陷。
【发明内容】
鉴于上述内容，有必要提供一种双模授时机，能提高授时机授时的安全性、可靠性、精确性，并且，能脱离电网电路，利用清洁能源，达到节能降耗，便于移动的目的。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双模授时机，包括：北斗二代/GPS双模接收机模块、电源模块、计数模块、CPU控制模块和输出模块，所述北斗二代/GPS双模接收机模块与CPU控制模块相连；所述电源模块包括太阳能电源，分别与北斗二代/GPS双模接收机模块、CPU控制模块相连；所述计数模块包括CPLD计数器和恒温晶振模块，所述CPLD计数器分别与恒温晶振模块、CPU控制模块相连，所述输出模块包括脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块，脉冲输出模块上设有PPS接口、PPM接口和PPH接口；所述CPU控制模块分别与脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块相连。
进一步的，所述北斗二代/GPS双模接收机模块为BDM100接收机，接收机内置支持北斗二代和GPS两个频点的定位模块，接收机的RF接口通过同轴电缆与授时天线相连，接收机的J6输出口与CPU控制模块相连，输出信号为1PPS时钟脉冲输出。
进一步的，所述电源模块包括单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池，所述单晶硅太阳能电池板安装在所述双模授时机外壳上，超级电容、蓄电池分别安装在授时机内部，所述单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池依次相连。
进一步的，所述CPU控制模块为基于ARM9嵌入式32位微处理器的TQ2440的开发板，采用linux操作系统完成嵌入式操作。
进一步的，所述LCD显示模块包括LCD显示屏、单片机接口、背光驱动，所述LCD显示屏大小为3.2寸，单片机接口个数为8个，背光驱动安装在LCD显示屏背面。
进一步的，所述PPS接口、PPM接口、PPH接口外部分别包裹有一层橡胶O型圈，O型圈厚度为1mm-2mm，内径分别与PPS接口、PPM接口、PPH接口的外径相同，外径为10mm-12mm。
进一步的，所述方法包括如下步骤：
(1)信号接收：所述北斗二代/GPS双模接收机模块通过授时天线和BDM100型接收机接收北斗二代卫星信号和GPS信号；
(2)信号修正：在北斗二代卫星信号正常时，CPU控制模块跟踪输入北斗二代卫星的秒脉冲跳变，在北斗二代卫星的秒脉冲失效时，CPU控制模块判别北斗秒脉冲为不正常时钟源，并选择GPS秒脉冲修；
(3)信号传递：修正后的北斗二代秒脉冲信号或GPS秒脉冲信号分别送到CPU控制模块和计数器模块，计数器模块中的恒温晶振模块产生的时间脉冲在CPLD计数器中对北斗二代/GPS双模接收机接收的秒脉冲进行间隙计数，秒脉冲对计数值进行无延时锁存，触发CPU控制模块中断，通知CPU控制模块读取该计数值；同时，CPU控制模块接收到北斗二代/GPS双模接收机的时间信息后，由CPU控制模块的中断子程序读取CPLD计数器中的计数值；同时，CPU控制模块对接收机的状态进行判断，如果接收机正常工作，则由CPU控制模块根据历史数据和本次计数结果进行计算，计算结果送至CPLD计数器，当计数值等于2FAF080时，输出秒脉冲低电平反馈到CPU控制模块，当计数值等于CPU控制模块送来的数值时，计数器清零并重新开始计数，同时，输出秒脉冲高电平反馈到CPU控制模块，CPU控制模块对接收的数据进行处理并将信息通过输出模块显示。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明选用的北斗二代/GPS双模授时机的芯片为UM220，UM220通过天线不仅能够接收北斗二代卫星信号，还能接收GPS卫星信号，而且能实现北斗二代卫星与GPS卫星的自动切换，在北斗信号正常时，CPU控制模块跟踪输入北斗秒脉冲(1pps)跳变；在北斗秒脉冲(1pps)失效时，CPU控制模块能迅速判别北斗秒脉冲为不正常时钟源，自动选择GPS秒脉冲修正本地时钟，同时，授时机接收模块设置有一键切换功能，能满足用户不同的需要，保证了授时机能高效、精确、稳定的接收信号，高效运行；本发明的CPU控制模块选用ARM9嵌入式32位微处理器,选用TQ2440开发板，TQ2440开发板是广州天嵌科技有限公司研制的嵌入式系统开发板，具有处理器效率高、电功耗低、发热量小、内存大、可进行扩展、接口丰富的特点，同时，本发明的控制系统选用Linux具有内核小、功能强大、API丰富、效率高、易于定制剪裁等，这些特征组合保证了本发明的CPU处理器能快速、大批量的对数据信号进行同步处理，保证了授时机的高效授时，发明选用恒温晶振模块不存在随机误差，在较短时间内累计误差也很小的特点，通过建立北斗1pps随机误差数学模型，对一段时间内相邻两北斗秒脉冲间的计数值求动态平均并取整，提出了在屏蔽北斗伪秒脉冲后利用高精度晶振在线修正北斗1pps随机误差的方法，据此方法研制出同步在线测量的授时机，能够有效的消除北斗秒脉冲信号的随机误差，提高时间精度，保证同步测量装置的测量质量。
2、本发明的授时机外壳上安装有单晶硅太阳能电池板，能进行光伏作用，将光能转化为电能，完成清洁能源的利用，起到节能降耗的作用，同时在授时机内部还将超级电容与蓄电池相连，构成混合储能单元，超级电容不但作为能量储存装置，同时在白天时储存光伏电池提供的能量，这样在夜间或阴雨天光伏电池不能发电时向负载供电，而且与光伏电池及控制器相配合，实现能量的最大化利用，将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源系统，可以提高电源系统储存能量和短时高功率输出能力，同时也具备持久的供电性能，能有效保证授时机的供电。
【附图说明】
图1是本发明的工作流程示意图；
图2是供电模块的电路连接示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一种双模授时机，包括北斗二代/GPS双模接收机模块、电源模块、计数模块、CPU控制模块和输出模块，北斗二代/GPS双模接收机模块与CPU控制模块相连；电源模块包括太阳能电源，分别与北斗二代/GPS双模接收机模块、CPU控制模块相连；计数模块包括CPLD计数器和恒温晶振模块，CPLD计数器分别与恒温晶振模块、CPU控制模块相连，输出模块包括脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块，脉冲输出模块上设有PPS接口、PPM接口和PPH接口；CPU控制模块分别与脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块相连。
北斗二代/GPS双模接收机模块为BDM100接收机，接收机内置支持北斗二代和GPS两个频点的定位模块，接收机的RF接口通过同轴电缆与授时天线相连，接收机的J6输出口与CPU控制模块相连，输出信号为1PPS时钟脉冲输出。
电源模块包括单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池，单晶硅太阳能电池板安装在双模授时机外壳上，超级电容、蓄电池分别安装在授时机内部，单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池依次相连。
CPU控制模块为基于ARM9嵌入式32位微处理器的TQ2440的开发板，采用linux操作系统完成嵌入式操作。
LCD显示模块包括LCD显示屏、单片机接口、背光驱动，LCD显示屏大小为3.2寸，单片机接口个数为8个，背光驱动安装在LCD显示屏背面。
PPS接口、PPM接口、PPH接口外部分别包裹有一层橡胶O型圈，O型圈厚度为1mm-2mm，内径分别与PPS接口、PPM接口、PPH接口的外径相同，外径为10mm-12mm。
上述双模授时机的工作方法为：
接收机信号自动切换：授时天线通过同轴电缆连接到北斗星通的BDM100接收机上，在北斗信号正常时，CPU控制模块跟踪输入北斗秒脉冲(1pps)跳变；在北斗秒脉冲(1pps)失效时，CPU控制模块能迅速判别北斗秒脉冲为不正常时钟源，自动选择GPS秒脉冲修；
授时机工作过程：如图1所示，北斗二代/GPS双模接收机模块接收到时间信息后，分别送到CPU控制模块和计数器模块，计数器模块中的恒温晶振模块产生的时间脉冲在CPLD中对秒脉冲间隙计数，秒脉冲对计数值进行无延时锁存，触发CPU控制模块中断，通知CPU读取该计数值；
CPU控制模块接收到接收机的时间信息后，提取出年、月、日、时、分、秒时间信息及所跟踪的卫星数，并由中断子程序读取CPLD中的计数值；
CPU对接收机的状态进行判断，如果接收机工作工作正常，则由CPU根据历史数据和本次计数结果按照式和式计算出相应的和，并将和相加后送至CPLD；
CPLD中由一个27位秒脉冲计数器不断计数。当计数值等于2FAF080时，输出秒脉冲低电平；当计数值等于CPU送来的数值时，计数器清零并重新开始计数，同时输出秒脉冲高电平，CPU控制模块对接收的数据进行处理，由ARM输出处理后的脉冲、分脉冲和日脉冲，并将信息通过输出模块，最终通过LCD显示屏进行外部显示。
电源模块工作过程：如图2的电源模块电路图所示，单晶硅太阳能电池板与超级电容、蓄电池依次相连，阳光对太阳能电池板进行照射时，通过光伏作用，太阳能电池板将光能转化为电能，直流输出，电能储存在电容中，并同时给蓄电池充电，完成光能向电能的转化，在夜间或阴雨天气时光伏电池不能发电时向负载供电，而且与光伏电池及控制器相配合，将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源系统，向授时机供电。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种双模授时机，其特征在于，包括：北斗二代/GPS双模接收机模块、电源模块、计数模块、CPU控制模块和输出模块，所述北斗二代/GPS双模接收机模块与CPU控制模块相连；所述电源模块包括太阳能电源，分别与北斗二代/GPS双模接收机模块、CPU控制模块相连；所述计数模块包括CPLD计数器和恒温晶振模块，所述CPLD计数器分别与恒温晶振模块、CPU控制模块相连，所述输出模块包括脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块，脉冲输出模块上设有PPS接口、PPM接口和PPH接口；所述CPU控制模块分别与脉冲输出模块、时间报文输出模块和LCD显示模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种双模授时机，其特征在于，所述北斗二代/GPS双模接收机模块为BDM100接收机，接收机内置支持北斗二代和GPS两个频点的定位模块，接收机的RF接口通过同轴电缆与授时天线相连，接收机的J6输出口与CPU控制模块相连，输出信号为1PPS时钟脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的一种双模授时机，其特征在于，所述电源模块包括单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池，所述单晶硅太阳能电池板安装在所述双模授时机外壳上，超级电容、蓄电池分别安装在授时机内部，所述单晶硅太阳能电池板、超级电容和蓄电池依次相连。
4.根据权利要求1所述的一种双模授时机，其特征在于，所述CPU控制模块为基于ARM9嵌入式32位微处理器的TQ2440的开发板，采用linux操作系统完成嵌入式操作。
5.根据权利要求1所述的一种双模授时机，其特征在于，所述LCD显示模块包括LCD显示屏、单片机接口、背光驱动，所述LCD显示屏大小为3.2寸，单片机接口个数为8个，背光驱动安装在LCD显示屏背面。
6.根据权利要求1所述的一种双模授时机，其特征在于，所述PPS接口、PPM接口、PPH接口外部分别包裹有一层橡胶O型圈，O型圈厚度为1mm-2mm，内径分别与PPS接口、PPM接口、PPH接口的外径相同，外径为10mm-12mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的双模授时机工作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)信号接收：所述北斗二代/GPS双模接收机模块通过授时天线和BDM100型接收机接收北斗二代卫星信号和GPS信号；
(2)信号修正：在北斗二代卫星信号正常时，CPU控制模块跟踪输入北斗二代卫星的秒脉冲跳变，在北斗二代卫星的秒脉冲失效时，CPU控制模块判别北斗秒脉冲为不正常时钟源，并选择GPS秒脉冲修；
(3)信号传递：步骤(2)修正后的北斗二代秒脉冲信号或GPS秒脉冲信号分别送到CPU控制模块和计数器模块，计数器模块中的恒温晶振模块产生的时间脉冲在CPLD计数器中对北斗二代/GPS双模接收机接收的秒脉冲进行间隙计数，秒脉冲对计数值进行无延时锁存，触发CPU控制模块中断，通知CPU控制模块读取该计数值；同时，CPU控制模块接收到北斗二代/GPS双模接收机的时间信息后，由CPU控制模块的中断子程序读取CPLD计数器中的计数值；同时，CPU控制模块对接收机的状态进行判断，如果接收机正常工作，则由CPU控制模块根据历史数据和本次计数结果进行计算，计算结果送至CPLD计数器，当计数值等于2FAF080时，输出秒脉冲低电平反馈到CPU控制模块，当计数值等于CPU控制模块送来的数值时，计数器清零并重新开始计数，同时，输出秒脉冲高电平反馈到CPU控制模块，CPU控制模块对接收的数据进行处理并将信息通过输出模块显示。
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