CN107896134A - 一种高精度模块化时间同步设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度模块化时间同步设备，该设备基于IRIG‑B和PTP通讯协议，包括自身频率源、时间源处理模块、信号输入接口、信号输出接口和插件板，可通过Web界面进行配置，配置选项包括外部源输入设置、本地时钟源输出设置、系统设置以及PTP和NTP相关端口设置等；支持卫星信号时间源、B码时间源、1PPS+TOD时间源以及自身守时频率源之间互为冗余；支持双钟冗余，冗余主时钟实时与外部GPS/BD卫星或者外部同源B码信号同步，同时通过1PPS+TOD为主时钟输入冗余时间信号，当主时钟发现输入的GPS/BD信号及B码均不正常时，切换至与冗余主时钟输出的1PPS+TOD信号同步。
Description
技术领域
本发明涉及一种时间同步设备，具体是一种高精度模块化时间同步设备。
背景技术
对于大型分布式应用系统，系统功能往往是由多个分布式节点分级协同处理，各节点对信息进行初步的采样、加工，然后通过复杂的数据传输网络进行汇聚后，再由后台服务器进行集中处理。因此信息在传输处理的过程中要在网络中频繁传输，对于某些对信息的时效性有要求的应用场合，就需要采用某种机制对节点的时间信息进行严格的同步。而且随着信息系统的发展趋势逐渐从“平台中心化”向“网络中心化”的转变，分布式应用系统得到了越来越广泛的应用，其对时钟同步的要求也越来越高。
随着通讯技术的日益发展和网络规模的不断扩大，对于多终端的网络系统，其各个子系统、各个终端之间的同步性和实时性要求越来越严格。为了保证整个网络系统的协调工作，需要有时间统一子系统即网络时间同步设备，以负责接收通信系统传递过来的时间信息，并提供统一的时间信息和中断信号。目前常规采用的IP网络定时协议由NTP(Network Timing Protocol，即网络时间同步协议)等。NTP协议时通过估算数据包在以太网网络的往返延迟使设备对服务器或时钟源(如GPS/BD、铷钟、石英钟等)同步，其时间戳处理在系统应用层，会导致NTP系统的时间误差达到几十甚至几百毫秒。针对高精度时间同步的需求，业界制定了PTP(Precision Timing Protocol，即精确时间同步协议)协议，其同步精度最大延时可达亚微秒级，具有高精度，支持多种时钟同步网络拓扑，自持对网络变动的自适应等优势。
时间统一子系统即精密网络时间同步设备在中心计算机系统中具有非常重要的地位，它负责接收通信系统传递过来的时间信息，并为中心计算机系统提供统一的时间信息和中断信号，保证全系统的协调工作。
国外方面，许多组织都已决定将该协议用于其基于现场总线的以太网络。ODVA(开放式网络设备供应商协会)己决定将IEEE 1588用于CIP Sync(CIP同步)，一种对Ethernet/IP-CIP的实时扩展；西门子公司也致力于用IEEE 1588修改其PROFINET V3，并在即将推出的同步实时交换ASIC中加入IEEE 1588协议；Beckhoff和Jetter的解决方案也研究采用该协议或类似的方法来保证时钟同步；EPSG(Ethernet Powerlink标准联盟)己经计划将该协议作为其第二版本规范的固定内容。
软件支持方面，SUN公司开发了JPCSI接口函数(Java Precision ClockSynchronization Interface)来支持对IEEE 1588的应用。温特图尔苏黎士应用科技大学和赫斯曼电子股份有限公司合作研究开发实时以太网中与IEEE 1588协调的时钟同步技术。苏黎士应用科技大学则向PTP方案的使用者提供支持，此服务将集中于终端设备的普通时钟，包括软件协议栈，VHDL设计和芯片，这些都基于赫斯曼的研究技术。额外提供的服务包括评价工具包，一致性兼容性检测等内容。
硬件支持方面，Intel公司推出的Inte1 IXP465嵌入式网络处理器中集成了支持IEEE 1588协议的硬件单元，为IEEE 1588在嵌入式系统的应用打开了方便之门。
而在国内，目前商业应用已跟随国外发展应用PTP技术；国防行业B码同步居多，对于NTP、PTP尚处应用的初级阶段，全自主的解决方案目前没有应用案例。
此外，基于PTP协议的精确时间同步系统主要由主时钟和丛端设备组成，其时间戳处理位于物理层，导致部署PTP时间同步网络需要进行一定的硬件升级。现有PTP时间同步方案中，主时钟支持输出信号的格式较少，导致授时规模的扩展性不高。另外，现有时间同步系统一般采用单类型冗余方案(如双通道电源冗余)，其系统可靠性一般不高，存在一定的隐患，甚至可能造成时间同步系统失效或授时错误，从而带来无法估计的损失。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种高精度模块化时间同步设备，支持GPS、北斗以及B码时间源信号输入，产生与UTC保持同步的脉冲信号、IRIG-B时间码、串口时间报文、NTP/PTP网络时间报文、地面授时信号等时间信息，支持E1通道承载地面有线授时业务，保证时间信号输出的有效性，提供稳定、可靠、精确的时间和频率基准。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高精度模块化时间同步设备，该设备基于IRIG-B和PTP通讯协议，采用模块化设计，包括自身频率源、时间源处理模块、信号输入接口、信号输出接口、插件板。
优选地，所述自身频率源配备铷原子钟或恒温晶振，保证高稳定性及高守时性能，使服务提供商与网络设备制造商可以基于网络性能、应用需求来选择最佳的保持水平。
优选地，所述时间源处理模块包括卫星信号解码模块、B码解码模块，用于配合传输的时间信号以及对时间信号的校验。
优选地，所述信号输入接口采用双天线双模输入设计，基于时钟源信号的质量或用户设置的优先等级，支持在E1/GPS/BD/TOD/PPS信号之间进行自动切换来选择优先参考源。
优选地，所述信号输出接口包括B码和PTP码两种信号输出接口，能够以B码及PTP码格式向下级从时钟或其他边界时钟进行授时工作，可分别提供遵循IRIG-B和IEEE1588v2标准的时码信息，2路PTP/NTP授时网口物理上互相独立，每路可为多达上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准，可通过连接多台1588网络交换机或千兆网交换机并将其级联进行接口扩展。
优选地，所述插件板为MCP插件板、光纤B码插件板、直流电B码插件板、PPS+TOD插件板和PTP插件板中的一种。
优选地，所述MCP插件板为系统核心控制板，用于控制整个装置的运行；包含2路BD/GPS双模输入接口，该接口采用标准SMA接口，接标准的BD/GPS双模外置天线；包含1路B码输入接口，该接口采用单模光纤接口；包含1路TOD接口，可配置输入或者输出，标准RJ45，通过网页手动配置成输入或者输出接口，遵循NMEA0183/CCSA行业标准通信协议；包含1路1PPS秒脉冲输出接口，采用标准SMA接口，稳定上升沿时间<50ns，脉宽可调；包含2路PTP/NTP授时网口，采用100/1000M自适应以太网接口，支持IEEE802.3的标准，采用RJ-45的电接口；包含2路管理网口MNP1和MNP2，标准RJ45；包含1路RS232调试口，115200波特率，USB-A接口，用于系统调试。
优选地，所述直流B码插件板用于扩展直流B码时钟接口；所述直流B码插件板包含14路直流B码输出接口，支持RS485电平；所述直流B码插件板包含2路直流B码输入接口，支持RS485电平；所述光纤B码插件板用于扩展光B码时钟接口；所述光纤B码插件板包含10路光纤B码输出，ST接口；所述光纤B码插件板包含2路光纤B码输入，ST接口。
优选地，所述PPS+TOD插件板用于扩展PPS和TOD功能；所述PPS+TOD插件板包含1路PPS输入接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含2路PPS输出接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含1路10M输出接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含8路PPS+TOD输出接口，标准RJ45；所述PTP插件用于扩展PTP和NTP功能，包含4路以太网对时输出接口，SFP接口。两路100BASE T，两路100/1000BASET。
本发明支持硬件和软件两个层面的配置与定制，灵活度高；可同时实现PTP和B码信号的在线热备，稳定性高；可以为从时钟和边界时钟授时，应用范围广；可支持Linux和Windows等多种操作平台，适配度高
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)可灵活配置性主要体现两个方面，一是高精度模块化时间同步设备(主时钟)功能插板采用模块化设计，可通过更换插件板实现其功能和接口的灵活配置；二是可通过高精度模块化时间同步设备的两个配置端口通过Web界面对其进行配置，配置选项包括外部源输入设置、本地时钟源输出设置、系统设置以及PTP和NTP相关端口设置等。
2)提供了一种具有高冗余的时间同步设备。高冗余主要体现在高精度模块化时间同步设备的多时间信号源冗余、双钟冗余、双电源冗余，从而具备多重冗余的特性。
3)本发明精度与目前现有设备的精度相比，明显得到提高。设备高精度主要体现在高精度模块化时间同步设备对B码和PTP时间同步从端设备的告授时精度，其硬件时间戳分辨率可达5ns，背靠背网络授时精度优于100ns，多跳典型背景流量授时精度<500ns。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
本发明实施例提供了一种高精度模块化时间同步设备，该设备基于IRIG-B和PTP通讯协议，包括自身频率源、时间源处理模块、信号输入接口、信号输出接口、插件板；所述自身频率源配备铷原子钟(或恒温晶振)，所述时间源处理模块包括卫星信号解码模块、B码解码模块等，用于配合传输的时间信号以及对时间信号的校验。所述信号输入接口采用双天线双模输入设计，基于时钟源信号的质量或用户设置的优先等级，支持在E1/GPS/BD/TOD/PPS信号之间进行自动切换来选择优先参考源。所述信号输出接口具有B码和PTP码两种信号输出形式，能够以B码及PTP码格式向下级从时钟或其他边界时钟进行授时工作，可分别提供遵循IRIG-B和IEEE 1588v2标准的时码信息，2路PTP/NTP授时网口物理上互相独立，每路可为多达上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准，可通过连接多台1588网络交换机或千兆网交换机并将其级联进行接口扩展。
PTP时间输出通过RJ45端口输出，借助网线、交换机等网络传输机制，传递包含PTP协议时间信号的标准网络数据包，实现和从端设备的交互、授时。
根据现场情况，设定时钟每秒与从端PTP板卡进行一次包交互协议操作。每块从端PTP板卡，每秒计算一次与主时钟偏差，并调整自身时间。
B码时间输出，通过专门的凤凰端子输出，借助线缆传输(本项目中使用普通网线中的两根线缆)，传递电平信号为从端B码板卡授时。每秒为一个标准B码信号输出单元，其中包含每个整秒发生的一个秒脉冲上升沿，以及在两个整秒直接，已高低电平作为信号传递的时间相关数据。需要说明的是，国军标B码信号中的年信号，需要通过两秒的电平数据合在一起确定。
高精度模块化时间同步设备可通过更换插件板进行功能和接口的灵活配置，所述插件板可选MCP插件板、光纤B码插件板、直流电B码插件板、PPS+TOD插件板和PTP插件板等。
本具体实施的高精度模块化时间同步设备可通过Web界面进行配置，配置选项包括外部源输入设置、本地时钟源输出设置、系统设置以及PTP和NTP相关端口设置等；支持卫星信号时间源、B码时间源、1PPS+TOD时间源以及自身守时频率源之间互为冗余；支持双钟冗余；冗余主时钟实时与外部GPS/BD卫星或者外部同源B码信号同步，同时通过1PPS+TOD为主时钟输入冗余时间信号。当主时钟发现输入的GPS/BD信号及B码均不正常时，切换至与冗余主时钟输出的1PPS+TOD信号同步。具备双电源冗余，双电源间实现无缝切换；具备高稳铷原子钟作为自身频率源。当外部时间源均失效时，可使用自身频率源进行守时，守时性能优于1us/day。当多个外部信号源间进行切换时，高稳频率源保证稳定平滑切换。
本发明中，高精度模块化时间同步支持同时接收GPS、北斗或B码信号，实际工作时其输入可为上级时间同步系统传过来的多路直流B码信号。如在某一具体使用环境中，本系统输入时钟源为3路B码时间信号，则其中2路可分别接主备2台高精度时间服务器，另外1路备用。在本实施例中，高精度时间服务器配备一块MCP主控板和一块直流电B码插件板。其中MCP主控板为系统核心控制板，它控制整个装置的运行，包含接口如下：
2路BD/GPS双模输入接口：采用标准SMA接口，接标准的BD/GPS双模外置天线；
1路B码输入接口：采用单模光纤接口；
1路TOD接口：可配置输入或者输出，标准RJ45，通过网页手动配置成输入或者输出接口，遵循NMEA0183/CCSA行业标准通信协议；
1路1PPS秒脉冲输出接口：采用标准SMA接口，稳定上升沿时间<50ns，脉宽可调；
2路PTP/NTP授时网口，采用100/1000M自适应以太网接口，支持IEEE802.3的标准，采用RJ-45的电接口；
2路管理网口(MNP1和MNP2)，标准RJ45；
1路RS232调试口，115200波特率，USB-A接口，用于系统调试。
需要特别指出的是，2路互相PTP/NTP授时网口物理上独立，每路可为多达上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准，可通过连接多台1588网络交换机或千兆网交换机并将其级联进行接口扩展；2路管理网口用于登录高精度时间服务器的Web管理界面对其功能进行配置，同时还可查看设备各种运行状态。
直流电B码插件板用于扩展直流B码时钟接口，共16路接口，包括14路为直流B码输出接口和2路直流B码输入接口，均支持混合搭配TTL、RS232、RS485等电平。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，该设备基于IRIG-B和PTP通讯协议，采用模块化设计，包括自身频率源、时间源处理模块、信号输入接口、信号输出接口、插件板。
2.如权利要求1所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述自身频率源配备铷原子钟或恒温晶振。
3.如权利要求1所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述时间源处理模块包括卫星信号解码模块、B码解码模块，用于配合传输的时间信号以及对时间信号的校验。
4.如权利要求1所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述信号输入接口采用双天线双模输入设计，基于时钟源信号的质量或用户设置的优先等级，支持在E1/GPS/BD/TOD/PPS信号之间进行自动切换来选择优先参考源。
5.如权利要求1所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述信号输出接口包括B码和PTP码两种信号输出接口，能够以B码及PTP码格式向下级从时钟或其他边界时钟进行授时工作，可分别提供遵循IRIG-B和IEEE 1588v2标准的时码信息，2路PTP/NTP授时网口物理上互相独立，每路可为多达上千台PTP码时间同步从端设备提供纳秒精度的时钟基准，可通过连接多台1588网络交换机或千兆网交换机并将其级联进行接口扩展。
6.如权利要求1所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述插件板为MCP插件板、光纤B码插件板、直流电B码插件板、PPS+TOD插件板和PTP插件板中的一种。
7.如权利要求6所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述MCP插件板为系统核心控制板，用于控制整个装置的运行；包含2路BD/GPS双模输入接口，该接口采用标准SMA接口，接标准的BD/GPS双模外置天线；包含1路B码输入接口，该接口采用单模光纤接口；包含1路TOD接口，可配置输入或者输出，标准RJ45，通过网页手动配置成输入或者输出接口，遵循NMEA0183/CCSA行业标准通信协议；包含1路1PPS秒脉冲输出接口，采用标准SMA接口，稳定上升沿时间<50ns，脉宽可调；包含2路PTP/NTP授时网口，采用100/1000M自适应以太网接口，支持IEEE802.3的标准，采用RJ-45的电接口；包含2路管理网口MNP1和MNP2，标准RJ45；包含1路RS232调试口，115200波特率，USB-A接口，用于系统调试。
8.如权利要求6所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述直流B码插件板用于扩展直流B码时钟接口；所述直流B码插件板包含14路直流B码输出接口，支持RS485电平；所述直流B码插件板包含2路直流B码输入接口，支持RS485电平；所述光纤B码插件板用于扩展光B码时钟接口；所述光纤B码插件板包含10路光纤B码输出，ST接口；所述光纤B码插件板包含2路光纤B码输入，ST接口。
9.如权利要求6所述的一种高精度模块化时间同步设备，其特征在于，所述PPS+TOD插件板用于扩展PPS和TOD功能；所述PPS+TOD插件板包含1路PPS输入接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含2路PPS输出接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含1路10M输出接口，标准SMA接口；所述PPS+TOD插件板包含8路PPS+TOD输出接口，标准RJ45；所述PTP插件用于扩展PTP和NTP功能，包含4路以太网对时输出接口，SFP接口。两路100BASE T，两路100/1000 BASET。
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