CN108628157A - 一种复杂环境下的基于vpx板卡的北斗授时和守时系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，能够支持NTP、PTP网络授时功能、支持IRIG‑B码时间输出功能、支持IRIG‑B码输入守时功能、支持内部高稳定晶体的守时功能。本发明包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG‑B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG‑B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块。

Description

一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统。
背景技术
随着我国自主研发的二代北斗卫星导航系统(Bei Dou Satellite NavigationSystem,BDS)加入到已有的例如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)等全球导航卫星系统(Global Navigation Satellites System，GNSS)授时序列，精密时间应用愈加广泛。
VPX总线较之VME总线，最重要的一个不同就是VPX总线采用了新一代7排MultiGigRT2连接器。MultiGig RT2连接器性能优异，不仅特性阻抗可控，插入损耗低，而且在传输速率高达6.25Gbps时，串扰仍小于3％。MultiGig RT2连接器连接紧密而坚固，可以在军事和航空航天等恶劣环境中应用。在守时方面，目前的恒温晶振可按照20ms/月的守时要求，稳定度在7.7e-9，但是如果环境问题范围是-40度到65度的恶劣环境，原子钟能满足要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种在复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块；
北斗RNSS定位模块输出1PPS信号和串口数据到1PPS+串口数据解析模块，1PPS+串口数据解析模块解析出PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
IRIG-B码解析模块接收外部IRIG码流，将IRIG-B码流解析成PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
PTP网络协议解析模块接收外部PTP主时钟，将PTP主时钟解析成PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
多路选择器从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块：
时钟驯服及守时模块的时钟源产生1PPS信号，该信号通过输入的PPS信号完成驯服，并将驯服后的频率准确、相位稳定的PPS信号输出给TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块用于产生不同类型的时间信息。
进一步地，所述选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块采用以下策略：
当北斗RNSS模块时间有效时，优先选用北斗RNSS模块的时间；
当北斗RNSS模块长时间无效时，且IRIG-B码、PTP网络授时同时有效时，优先选用PTP网络授时：当选用PTP网络授时方式时，作为从时钟从网络中解析PTP协议，恢复出1PPS和时间信息，并对内部时间进行修正，此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准；当选用IRIG-B码时，根据IRIG-B码流提取出的时间信息对内部时间进行修正，此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
进一步地，IRIG-B码流通过后插板IRIG-B码输入输出航插，经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块。
进一步地，PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块。
进一步地，当输入的PPS信号无效时，时钟驯服及守时模块输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定，从而达到守时的目的。
本发明的有益效果：
本发明北斗授时和守时系统具备1PPS+TOD授时功能；能够支持NTP、PTP网络授时功能；支持IRIG-B码时间输出功能；支持IRIG-B码输入守时功能；支持内部高稳定晶体的守时功能。
附图说明
图1是本发明复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明流程作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块；
将北斗B1/B3信号经北斗RNSS模块接收航插输入到北斗RNSS模块，然后由北斗RNSS模块后输出1PPS信号和串口数据，其中1PPS信号指示秒脉冲时刻，串口数据中包括有该脉冲时刻的时间(年月日时分秒毫秒)。
1PPS+串口数据解析模块接收RNSS定位模块中解析出PPS信号和时间信息，PPS信号输出给多路选择器。
IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块接收来自外部设备的时间信息(IRIG-B码通过后插板IRIG-B码输入输出航插经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块，PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块)，然后解析成PPS信号和时间信息，其中PPS信号均输出给多路选择器。
信号多路选择器的功能从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块。当北斗RNSS模块时间有效的时候，优先选用北斗RNSS模块的时间。当北斗RNSS模块长时间无效时，且IRIG-B码、PTP网络授时有效时，选用解析PTP协议的时间和解析IRIG-B码的时间。由于PTP网络授时的经精度优于IRIG-B码授时，因此当外部IRIG-B码和PTP网络授时同时有效时，优先选用PTP网络授时。当选用PTP网络授时方式时，可以作为从时钟，从网络中解析PTP协议，恢复出1PPS和时间信息，并对系统内部时间进行修正，此时系统输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准。当选用外部IRIG-B码时，系统可以从外部设备提供的IRIG-B码码流中提取出时间信息，用于对系统内部时间进行修正，此时系统输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
时钟驯服和守时模块的时钟源采用原子钟，原子钟产生1PPS信号，该PPS信号通过输入的PPS信号完成驯服，输出经过驯服之后的频率准确、相位稳定的PPS信号。当输入的PPS信号无效时，输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定，从而达到守时的目的。
时钟驯服和守时模块产生稳定的PPS信号之后，该PPS信号和时间信息分别输出给PPS+TOD模块、IRIG-B码模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块，分别产生3种不同类型的时间信息：
1PPS信号和TOD码流信息，其中1PPS信号指示秒脉冲时刻，TOD串行码流指示具体的时间。
IRIG-B码信号，B码码流的帧头参考和1PPS的上升沿对齐，指示整秒时刻的位置，码流中包括该时刻的具体时间。
以太网接口NTP网络协议：系统可以用作时间具备NTP网络授时功能，可以通过以太网将时间传递到局域网内的其他设备。
以太网接口PTP网络协议：系统可以作为主时钟，为局域网内的其他设备提供时间参考信息。
本发明在硬件实现上包括后插板、VPX总线和功能板三部分，其中：
后插板为射频基带处理模块电路，包括北斗RNSS定位模块、北斗RNSS接收信号航插和IRIG-B信号输入输出航插；其中北斗RNSS定位模块负责接收处理BD2B3频点IQ支路信号、BD2B1频点I支路信号、GPS系统L1频点C/A码信号和Glonass系统F1频点民用信号；
VPX总线负责后插板和功能板的互联以及数据传输；
功能板为数字处理模块，由SOC处理器芯片、内存DDR芯片、以太网PHY芯片、高稳时钟、电源电路、复位电路及相应外设电路组成；功能板通过VPX总线为内网设备提供NTP网络时钟，通过VPX总线外网网络接收外部PTP主时钟；其中：
SOC处理器芯片：包含FPGA和ARM芯片；其中FPGA负责解析后插板北斗RNSS定位模块传输过来的1PPS和串口时间信息，提供授时和守时相关的1PPS、TOD、B码，连接第2个以太网控制器接口；ARM负责运行linux系统和时统处理软件模块，其中包括1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、信号多路选择器模块、时钟驯服和守时模块、PPS+TOD模块、IRIG-B码模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块；
内存DDR芯片：用于ARM运行linux操作系统及其他功能。
以太网PHY芯片：需要两个以太网口，其中内网网络为内网设备提供NTP网络时钟，外网网络接受外部PTP网络时钟，内网采用标准PHY芯片实现，外网采用支持IEEE1588协议的PHY实现(支持PTP功能)。
高稳时钟(选用原子钟)：负责时钟驯服和守时。
复位电路：采用专用集成芯片实现，该芯片可实现上电监控和手动控制(软件控制)功能。
电源电路：该主处理器需要1.1v、1.5v、2.5v、3.0v、3.3v等电压，本设计首先采用DC-DC转换芯片，将机箱提供的12v电源降到4v电压，再通过LDO实现所需的其他各种电压，其中DDR3的VTT电压需要单独处理。由于机箱管理协议要求可控制处理单元的上电，因此设计电源开关控制电路。
本发明还包括软件设计：
本地原子钟10M输入经过FPGA内部PLL之后倍频程100M，作为系统工作时钟，同时驱动频率累加器，用于产生PPS信号。
时钟驯服模块：根据锁频环辅助锁相环的原理，在FPGA中测量北斗PPS脉冲和本地100M时钟产生的PPS脉冲的相位差，该相位差进行滤波之后，用来控制频率累加器，改变PPS的相位，使得输出的PPS和北斗PPS脉冲相位一致，同时保持输出稳定。利用北斗PPS脉冲为基准，测量100M时钟产生PPS脉冲的频率，从而计算出本地原子钟的频率偏差，经过滤波之后调整频率，从而保证100M频率的准确性。
在外界的北斗PPS无效时，之前有效期间的频率修正量依然有效，输出PPS的相位不做调整。
北斗RNSS模块串口数据解析：由ARM处理器完成，获得时间信息后写入FPGA的寄存器中。
IRIG-B码输入解析模块：由FPGA完成，完成调幅信号的解调、同步信号产生等。
TOD信号产生模块由FPGA完成，由于TOD的码流协议各家厂家可能不同，可以考虑由ARM按照规定的将数据流拼接完成后，通过FPGA发出。
NTP网络协议中的时间戳产生器由FPGA完成，时钟驯服模块产生的PPS信号作为计数开始，不停的计时，结合寄存器保存的时间信息。当ARM软件解析到NTP客户端发出的时间请求指令时，从FPGA中读出时间，并加上估计的运算、协议时延填入NTP时间信息结构体中，同理ARM发出NTP协议包时也从FPGA中读出时间填入相应结构体中。
本发明达到的功能指标：
1.系统具备1PPS+TOD授时功能；
2.系统支持NTP、PTP网络授时功能；
3.支持IRIG-B码时间输出功能；
4.支持IRIG-B码输入守时功能；
5.支持内部高稳定晶体的守时功能。
本发明达到的性能指标：
1. 1PPS精度：100ns，机箱内部3.3VTTL电平单端输出，65欧阻抗，后插板输出R422电平。
2.TOD输出：机箱内部3.3V差分信号，信号标准为3.3V EIA-889M0LVDS，后插板输出RS422电平.
3.NTP网络授时，局域网内(一级交换)精度优于10ms；
4.守时精度：一个月内优于20ms。
5.IRIG-B授时精度优于1us，后面板输出信号为RS422差分信号。

Claims (5)

1.一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，其特征在于，包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块；
北斗RNSS定位模块输出1PPS信号和串口数据到1PPS+串口数据解析模块，1PPS+串口数据解析模块解析出PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
IRIG-B码解析模块接收外部IRIG-B码流，将IRIG-B码流解析成PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
PTP网络协议解析模块接收外部PTP主时钟，将PTP主时钟解析成PPS信号和时间信息，并将PPS信号输出给多路选择器；
多路选择器从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块；
时钟驯服及守时模块的时钟源产生1PPS信号，该信号通过输入的PPS信号完成驯服，并将驯服后的频率准确、相位稳定的PPS信号输出给TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块用于产生不同类型的时间信息。
2.如权利要求1所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，其特征在于，所述选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块采用以下策略：
当北斗RNSS定位模块时间有效时，优先选用北斗RNSS定位模块的时间；
当北斗RNSS定位模块长时间无效时，且IRIG-B码、PTP网络授时同时有效时，优先选用PTP网络授时：当选用PTP网络授时方式时，作为从时钟从网络中解析PTP协议，恢复出1PPS和时间信息，并对内部时间进行修正，此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准；当选用IRIG-B码时，根据IRIG-B码流提取出的时间信息对内部时间进行修正，此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
3.如权利要求2所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，其特征在于，当输入的PPS信号无效时，时钟驯服及守时模块输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定，从而达到守时的目的。
4.如权利要求1或2或3所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，其特征在于，所述IRIG-B码流通过后插板IRIG-B码输入输出航插，经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块。
5.如权利要求1或2或3所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时系统，其特征在于，所述PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块。
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