CN108255053A

CN108255053A - 一种计算机高精度授时装置

Info

Publication number: CN108255053A
Application number: CN201810214286.1A
Authority: CN
Inventors: 王廷银; 吴允平; 苏伟达; 李汪彪; 吴钦缘; 郎毅; 潘明阳; 郑凯
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: CN108255053B

Abstract

本发明涉及一种计算机高精度授时装置，由计算机RS‑232串口（U101）、接口电路（U102）和GPS/北斗接收机（U103）组成。其中，接口电路（U102）分别与计算机RS‑232（U101）、GPS/北斗接收机（U103）相连。DC‑DC转换模块（U203）和电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）、光电隔离芯片（U204）相连；D触发器（U202）和电平转换芯片（U201），D触发器（U202）和光电隔离芯片（U204）相连。本发明接口电路设置有光电隔离功能，结构简单、防雷防浪涌性能好等优点，提高授时精度。

Description

一种计算机高精度授时装置

技术领域

本发明涉及一种计算机高精度授时技术领域，特别是涉及一种计算机高精度授时装置。

背景技术

时间，是物质存在和运动的基本特征之一，是国际单位制七个基本物理量其中之一，是目前测量精度最高的一个基本物理量；精确时间更是推动高新技术发展的铺路石，是人类各项活动顺利开展的重要保证。

在人类进入信息社会后，物联网的层次推进应用，越来越多的设备分布在各个重要节点，然后又在中心汇聚，为行业的大数据服务提供数据依据，原本看起来很难收集和使用的数据现在很容易地用来发挥巨大作用，这些来自分布式设备的大数据正逐步为人类创造更多的价值。在整个系统中，必须保障全局时间的严格同步，如果系统中的各分布式设备不具备统一的时钟基准，那么得到的测量结果由于时钟差异将无法反映出真实情况，由于各数据无法反应在哪个时刻获取，它们之间就没有确定的关联性，最终这些数据也就无法发挥出应有的效果。例如，精确的时间同步对于涉及国家经济社会安全的诸多关键基础设施至关重要，如通信系统、电力系统、金融系统等（移动通信需要精密的时间同步以确保基站的同步运行、电力网需要精密的时间同步以有效传输和分配电力、金融系统需要精密的时间同步以保障经济的正常运行），高精度的时间服务系统已经成为衡量一个国家科技水平的最核心技术指标。

GPS/北斗接收机通过解码卫星信号输出的NMEA-0813协议报文（包含UTC时间、位置等数据）及同步时标1PPS（1 Pulse Per Second）信号，PPS信号是占空比为10％左右周期为1秒的矩形波，报文是在接收机输出高电平PPS信号（时长约100ms）后输出的。采用GPS/北斗接收机作为应用系统的授时技术路线已是本领域常用的技术手段，由于嵌入式微处理器（如单片机、ARM、DSP、FPGA等）具有实时性高、中断资源使用方便、接口电平匹配等特点，基于嵌入式微处理器结合GPS/北斗接收机的应用系统具体方案是：嵌入式微处理器的串口直接和GPS/北斗接收机串口相连，通过解码GPS/BD接收机输出的协议报文获得时间信息，从而实现时间同步，在一些时间精度要求高的应用场合，还会结合PPS时标信号（该信号精度可达到纳秒级）来提高时间同步精度。如专利ZL01134726.0提供了一种GPS卫星授时遥测地震仪，实现同步数据测量、记录，同步定时起爆等；ZL200710180533.2公开了一种高精度数据录取授时仪，将GPS的秒脉冲信息和绝对时间信息传递给录取控制板并校正控制板的内部时钟，以满足精度要求不高于为1×10^-4秒的应用场合，提供异步串行测试接口且通信速率不高于38400bps、测试帧长度固定的真值设备或被测设备输出数据的录取；专利ZL200710176937.4提供了一种基于全球定位系统接收机的芯片级授时与同步方法及其设备，以满足低成本的要求，其一个实施例可在使用普通温度补偿晶振（0.5PPM）的情况下，实现200ns级别的授时精度和50ns级别的同步精度；ZL200810060615.8提供了一种基于GPS技术对电表授时的装置，为保证授时的精度，利用固定的补偿值补偿MCU和电表通信时间所产生的延时，具体是采用PPS信号触发中断，把内部的当前时间信息全部存储起来，当把GPS发送的报文信息全部解码出来后再把解码得到的时间信息加上触发后到解码完成所用的时间即可保证MCU内部的时钟与GPS时钟保持比较高度的一致（误差在1us以内）；CN105281859A公开了一种精确授时方法，在不需增加其他辅助设备前提下，在每分钟零秒时刻实现RTC时钟和GPS UTC时钟同步，达到较精确的授时效果。

与基于嵌入式微处理器的应用系统相比，计算机虽然资源丰富，对外接口标准化如USB口和RS232串口等，使用方便，但是实时性差很多；通常，采用GPS/北斗接收机对计算机实现授时的技术方案是：GPS/北斗接收机的TTL电平串口收、发和1PPS信号通过电平转换芯片连接到计算机的RS232串口，然后计算机开发软件读取解析RS232串口报文。为了提高对计算机的授时精度，往往还结合1PPS信号实现，如2006年3月22日文献CN1749916A公开了一种用计算机接入GPS秒脉冲信号实现精确时间对准的方法，GPS数据通过RS232电平传送给计算机的第一个COM口，PPS秒脉冲经过电平转换电路变换为RS232电平，将RS232电平的PPS信号通过计算机第二个COM口接入该计算机，设置该计算机的第二个COM的串口控制器，使得PPS信号能够直接触发串口中断；2009年4月1日ZL200820109345.0提供了一种计算机授时卡及系统，将GPS模块连接到PCI卡，计算机读取PCI卡实现授时；2016年1月20日授权公告号CN103412839B提供一种方法，用于解决传统的VxWorks操作系统下基于CPCI总线的北斗授时定位模块驱动程序在保证有效控制的同时开发难度很大的问题；2017年5月31日文献CN106774637A公开了一种利用1PPS信号进行计算机校时的装置及方法，计算机在同时收到GPS数据和1PPS信号的下一个整秒完成校时。

即使GPS/北斗接收机可以提供很精确的时间信号，但由于计算机系统的非实时特点，在串口以及1PPS信号等任务中断处理存在时延因素，以及1PPS信号的高电平持续时间一般在100ms左右，很难实现对计算机实现毫秒级甚至更高的时间精度。因此，如何实现对计算机时间的高精度授时，仍然是一件很有价值的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算机高精度授时装置，该装置先将GPS/北斗接收机中串口输出和1PPS信号进行光电隔离，然后对1PPS信号进行调理整形，再经过接口电路电平转换，从计算机RS232串口接入到计算机，接口电路和GPS/北斗接收机相连，实现对计算机的高精度授时，具有结构简单、可靠性强、防雷防浪涌性能好等特点。

为了达到上述目的，本发明所述一种计算机高精度授时装置，由计算机RS-232、接口电路、GPS/北斗接收机组成，其中接口电路分别与计算机RS-232、GPS/北斗接收机U103相连。

所述的接口电路由电平转换芯片、DC-DC转换模块、二极管A、二极管B二极管D202、电阻A、电阻B、电阻C、电阻D、电阻E、电容、D触发器、和光电隔离芯片组成；其中：

接口电路中的电平转换芯片的1To端、2To端、3To端分别与计算机RS-232 第2引脚RXD、第8引脚CTS、第6引脚DSR相连；

接口电路中的二极管A一端分别与计算机RS-232的第7引脚RTS、第4引脚DTR相连，二极管A、二极管的另一端和电阻A的一端相连，电阻A的另一端和电容的一端、DC-DC转换模块的Vin端相连，电容C201的另一端接AGND地，DC-DC转换模块的VCC端和接口电路的网络标号VCC相连；

接口电路中的电平转换芯片的1Ti端、2Ti端、3Ti端分别和光电隔离芯片的第7引脚、D触发器的Q端、D触发器的Q’端相连，电阻B的一端和光电隔离芯片的第7引脚相连，电阻B另一端接AGND地，D触发器的CP端和光电隔离芯片的第5引脚、电阻C一端相连，电阻C的另一端接AGND地；

接口电路的网络标号VCC和电平转换芯片的VCC端、D触发器的VCC端、光电隔离芯片的第8引脚、光电隔离芯片的第6引脚相连；

接口电路中的光电隔离芯片的第1引脚与电阻D一端相连，电阻D的另一端与GPS/北斗接收机的TX端相连，光电隔离芯片的第3引脚和电阻E一端相连，电阻E的另一端和GPS/北斗接收机的1PPS端相连，光电隔离芯片的第2引脚、第4引脚接GND地。

本发明所述一种计算机高精度授时装置，具体的控制方法是：当计算机控制其RS-232串口的RTS或DTR输出高电平时（+3V～+15V），二极管A、二极管B导通，向DC-DC转换模块的Vin端提供能源，经DC-DC转换模块转换后由其VCC端输出，向电平转换芯片、D触发器和光电隔离芯片供电；当计算机控制其RS-232串口的RTS输出低电平时（-3V～-15V），二极管A、二极管B截止，DC-DC转换模块的Vin端无电压，DC-DC转换模块的VCC端无输出，电平转换芯片，、D触发器、光电隔离芯片无电源供给；由此实现对接口电路的稳定供电和低功耗设计。

本发明所述一种计算机高精度授时装置，GPS/北斗接收机的两路输出信号（TX、1PPS）采用光电隔离措施。

本发明所述一种计算机高精度授时装置，GPS/北斗接收机的1PPS引脚，输出占空比为10％左右周期为1秒矩形波，经电阻连接到光电隔离芯片的输入端（第3引脚），然后从对应的输出端（第5引脚）连接到D触发器的CP端，由D触发器工作原理可知，D触发器的Q端和Q’端会输出互补的占空比为50％周期为2秒的方波。

采用本发明的有益效果是：当需要对计算机授时，通过控制计算机RS-232串口的RTS或DTR输出信号，接口电路实现能源自给；两路信号（1PPS、TX）有光电隔离，具有结构简单、防雷防浪涌性能好等优点，接口电路还可将1PPS信号整形为占空比为50％周期为2秒的方波，有利于后续计算脉宽，提高授时精度。

本发明的目的、特征及优点将通过实施例并结合附图进行详细说明。本发明中的所有元件均可采用具有相同或相似功能的其他型号代替，代替后的电路也属于本专利保护范围。

附图说明

图1是本发明所述的一种计算机高精度授时装置原理框图。

图2是本发明所述的一种计算机高精度授时装置实施例连接方式图。

图3是本发明实施例的波形时序图。

具体实施方式

图1中，U101是计算机RS-232串口，U102是接口电路，U103是GPS/北斗接收机。计算机RS-232串口（）U101）和接口电路（U102）相连，接口电路（U102）和GPS/北斗接收机（U103）相连。

图2中，U201是电平转换芯片，U202是D触发器，U203是DC-DC转换模块，U204是光电隔离芯片，U101是计算机RS-232串口，U103是GPS/北斗接收机；R201是电阻A、R202是电阻B、R203是电阻C 、R204是电阻D、R204是电阻E。

图3中，TP1是GPS/北斗接收机（U103）的1PPS引脚输出波形，TP2是D触发器（U202）的Q端输出波形，TP3是D触发器（U202）的Q’端输出波形。

实施例1

RS-232串口（U101）的第2引脚RXD、第8引脚CTS、第6引脚DSR分别和电平转换芯片（U201）的1To端、2To端、3To端相连；RS-232串口（U101）的第7引脚RTS、第4引脚DTR分别和二极管（D201）、二极管（D202）的一端相连，二极管（D201）、二极管（D202）的另一端和电阻（R201）的一端相连，电阻（R201）的另一端和电容（C201）的一端、DC-DC转换模块（U203）的Vin端相连，电容（C201）的另一端接AGND地，DC-DC转换模块（U203）的VCC端和接口电路（U102）的网络标号VCC相连。

电平转换芯片（U201）的1Ti端、2Ti端、3Ti端分别和D触发器（U204）的第7引脚、D触发器（U202）的Q端、D触发器（U202）的Q’端相连，电阻B（R202）的一端和光电隔离芯片（U204）的第7引脚相连，电阻B（R202）另一端接AGND地，D触发器（U202）的CP端和光电隔离芯片（U204）的第5引脚、电阻C（R203）一端相连，电阻C（R203）的另一端接AGND地。

接口电路（U102）的网络标号VCC和电平转换芯片（U201）的VCC端、D触发器（U202）的VCC端、光电隔离芯片（U204）的第8引脚、光电隔离芯片（U204）的第6引脚相连。

光电隔离芯片（U204）的第1引脚和电阻D（R204）一端相连，电阻D（R204）的另一端和GPS/北斗接收机（）U103）的TX端相连，光电隔离芯片（U204）的第3引脚和电阻E（R205）一端相连，电阻E（R205）的另一端和GPS/北斗接收机（U103）的1PPS端相连，光电隔离芯片（U204）的第2引脚、第4引脚接GND地。具体的控制方法是：当计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS或DTR输出高电平时（+3V～+15V），二极管A（D201）、二极管B（D202）导通，向DC-DC转换模块（U203）的Vin端提供能源，经DC-DC转换模块（U203）转换后由其VCC端输出，向电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）和光电隔离芯片（U204）供电；当计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS输出低电平时（-3V～-15V），二极管A（D201）、二极管B（D202）截止，DC-DC转换模块（U203）的Vin端无电压，DC-DC转换模块（U203）的VCC端无输出，电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）、光电隔离芯片（U204）无电源供给；由此实现对接口电路（U102）的稳定供电和低功耗设计。

具体的控制方法是：当计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS或DTR输出高电平时（+3V～+15V），二极管A（D201）、二极管B（D202）导通，向DC-DC转换模块（U203）的Vin端提供能源，经DC-DC转换模块（U203）转换后由其VCC端输出，向电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）和光电隔离芯片（U204）供电；当计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS输出低电平时（-3V～-15V），二极管A（D201）、二极管B（D202）截止，DC-DC转换模块（U203）的Vin端无电压，DC-DC转换模块（U203）的VCC端无输出，电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）、光电隔离芯片（U204）无电源供给；由此实现对接口电路的稳定供电和低功耗设计。

实施例2

本实施例所采用的硬件设备如实施例1。

采用本实施例所述一种计算机高精度授时装置的接口电路，使用时：

如果计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS或DTR输出高电平+3V～+15V，那么二极管A（D201）、二极管B（D202）导通，向DC-DC转换模块（U203）的Vin端提供能源，经DC-DC转换模块（U203）转换后由其VCC端输出，向电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）和光电隔离芯片（U204）供电，由此实现对接口电路的稳定供电。

如果计算机控制其RS-232串口（U101）的RTS输出低电平-3V～-15V，那么二极管A（D201）、二极管B（D202）截止，DC-DC转换模块（U203）的Vin端无电压，DC-DC转换模块（U203）的VCC端无输出，电平转换芯片（U201）、D触发器（U202）、光电隔离芯片（U204）无电源供给，由此实现对接口电路的低功耗目标。

Claims

1.一种计算机高精度授时装置，其特征在于接口电路由计算机RS-232串口（U101）、接口电路（U102）和GPS/北斗接收机（U103）组成，其中，其中接口电路（U102）分别与计算机RS-232 （U101）、GPS/北斗接收机（U103）相连。

2.根据权利要求1所述的一种计算机高精度授时装置，其特征在于所述的接口电路（U102）由电平转换芯片（U201）、DC-DC转换模块（U203）、二极管A（D201）、二极管B（D202）、电阻A（R201）、电阻B（R202）、电阻C（R203）、电阻D（R204）、电阻E（R205）、电容（C201）、D触发器（U202）、和光电隔离芯片（U204）组成；其中：

接口电路（U102）中的电平转换芯片（U201）的1To端、2To端、3To端分别与计算机RS-232（U101）第2引脚RXD、第8引脚CTS、第6引脚DSR相连；

接口电路（U102）中的二极管（D201）、二极管（D202）的一端分别与计算机RS-232（U101）的第7引脚RTS、第4引脚DTR相连，二极管A（D201）、二极管B（D202）的另一端和电阻A（R201）的一端相连，电阻A（R201）的另一端和电容（C201）的一端、DC-DC转换模块（U203）的Vin端相连，电容（C201）的另一端接AGND地，DC-DC转换模块（U203）的VCC端和接口电路（U102）的网络标号VCC相连；

接口电路（U102）中的电平转换芯片（U201）的1Ti端、2Ti端、3Ti端分别和光电隔离芯片（U204）的第7引脚、D触发器（U202）的Q端、D触发器（U202）的Q’端相连，电阻B（R202）的一端和光电隔离芯片（U204）的第7引脚相连，电阻B（R202）另一端接AGND地，D触发器（U202）的CP端和光电隔离芯片（U204）的第5引脚、电阻C（R203）一端相连，电阻C（R203）的另一端接AGND地；

接口电路（U102）的网络标号VCC和电平转换芯片（U201）的VCC端、D触发器（U202）的VCC端、光电隔离芯片（U204）的第8引脚、光电隔离芯片（U204）的第6引脚相连；

接口电路（U102）中的光电隔离芯片（U204）的第1引脚与电阻D（R204）一端相连，电阻D（R204）的另一端与GPS/北斗接收机（U103）的TX端相连，光电隔离芯片（U204）的第3引脚和电阻E（R205）一端相连，电阻E（R205）的另一端和GPS/北斗接收机（U103）的1PPS端相连，光电隔离芯片（U204）的第2引脚、第4引脚接GND地。