CN201185428Y

CN201185428Y - 时间综合测量仪

Info

Publication number: CN201185428Y
Application number: CNU2007200704664U
Authority: CN
Inventors: 邱祖雄; 王雅芬
Original assignee: Shanghai Taitan Communication Engineering Coltd
Current assignee: Shanghai Taitan Communication Engineering Coltd
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2017-05-30

Abstract

本实用新型涉及一种时间综合测量仪，其特征在于，由GPS参考时间间隔测量系统模块、主芯片、高分辨率网络测量系统模块和液晶屏组成，GPS参考时间间隔测量系统模块分别与GPS全球定位系统、内置铷钟、主芯片和高分辨率网络测量系统模块连接，主芯片与液晶屏连接。本实用新型利用先进的中央处理技术，在一块主板上可实现对包括NTP在内的多种时间信号的精确测量，其本身还可以用作一台高性能的基准时钟，提供多种时间频率输出。

Description

时间综合测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种时间综合测量仪，该仪器除可精确测量IRIG，DCF77等时间码信号以外，尤其实现了对于NTP网络时间信号的直接精确测量，属于通信技术领域。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，许多行业对时间精度的要求也越来越高。在电力、交通、通信、金融等各个领域，精确的时间信号才能够保证各种自动化设备的正常运行，而1秒钟的时间差都有可能导致数据统计失误，造成无法挽回的经济损失。

目前针对这一问题普遍的解决方法是建立时间同步系统。即将绝对时间UTC应用于各大厂矿企业内，使得厂内有时间标记需求的设备能够使用同一个时间参照体系，从而实现各类设备内部时间的一致。

当前应用最成熟的是GPS卫星对时技术。GPS是美国的全球卫星导航系统，由24颗在空间运行的GPS卫星和地面控制站组成，在地球表面任一地点、任一时刻GPS卫星信号接收器都可收到足够多数量的GPS卫星信号。精确计算接收器所在当前空间位置和时间，其时间精度相对UTC时间误差可达纳秒级。GPS时钟是一个非常精确的时间源，绝大多数的时间同步网络都把它作为基准时间源。

获得时间信息后还要对信息进行分发和传输，才能够最终到达各种需要对时的装置。常用的时间信号格式有IRIG-B时间码、脉冲信号、时间报文等，以模拟或数字时间信号的方式进行传输。

当前国内许多电厂、变电站、通信大楼内分别建立了独立的GPS时间同步系统，但由于各站内的GPS性能良莠不齐，直接影响到时间基准信号的准确性；即使所有电站全部使用同样的GPS设备，当某些设备由于特殊原因无法接收GPS信号而切换到内部保持输出时，与其他正常运行的GPS设备也会造成信号的差异。因此仅实现局部的同步是远远不够的，迫切需要建立统一的时间同步网，即利用通信网络采用NTP网络时间协议进行对时已成为发展趋势。NTP接收装置可以通过TCP/IP网络、采用广播模式或请求模式，实现NTP客户机与NTP服务器的对时；还可用复杂的算法对传输过程中的时间延迟进行补偿，并且减轻多个由于同步源而产生的差错，实现了准确性达到毫秒级、甚至微秒级的时间服务。另外还可借由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击，保障了网络安全。NTP对时可利用原有的网络结构，距离不受任何限制，是一种更为先进、更为可靠的时间同步方式。

无论是局部区域的同步还是网同步，都需要以精确的时间信息为基础。一方面需明确各同步点的时钟信息是否准确，避免因设备老化或疏于维护造成经济损失；另一方面从主时钟到下游时钟或用户设备，往往由于传输距离或是网络堵塞造成时延，要消除这些时延也需要获取各点的时间精度，只有对时间进行精确的测量才能够保证数据的准确。

国内现有技术只能对1PPS时间脉冲信号进行测量，而对于NTP通过网络协议传播的信号精度无法直接测量，只能通过转换装置先将其转换为模拟或数字信号，再利用统计学推算，这显然无法满足当前时间同步组网的要求。

现有测量方法具体描述如下：

1.测量所用装置和仪表：

(1)基准参照时钟源，能跟踪GPS，相对UTC时间＜100ns，提供秒脉冲(1PPS)测量口，测量精度达10ns；

(2)数字示波器，能测试时间信号的波形和电平。

2.测量原理图

如附图1所示，将基准参照时钟源提供的1路1PPS信号和待测时间信号分别接入数字示波器的A、B端口，以基准参照时钟源信号作为触发将两路信号的波形进行对比，两路信号起始上升沿的相位差Δt定义为待测信号的精确度。

现有技术的主要缺点在于：

1.无法直接测量网络时间信号的精度，只能通过转换装置间接测量，无法保证测量的准确；

2.基准参照时钟源的选择无统一标准，参照物的不同可能导致最终测量结果的偏差；

3.人为读取相位差Δt，容易造成较大误差；

4.测量仪器较多，基准参照时钟源还需外接GPS天线，仪器之间接线繁琐。携带极为不便，不利于用户现场的信号测试。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可实现包括NTP等网络时间信号在内多种时钟信号的直接测量，能获得高精度的时间测量结果，可消除测量结果读取的误差，且易于携带的时间综合测量仪。

为实现以上目的，本实用新型的技术方案是提供一种时间综合测量仪，其特征在于，由GPS参考时间间隔测量系统模块、主芯片、高分辨率网络测量系统模块和液晶屏组成，GPS参考时间间隔测量系统模块分别与GPS全球定位系统、内置铷钟、主芯片和高分辨率网络测量系统模块连接，主芯片与液晶屏连接。

本实用新型通过FPGA芯片实现NTP网络对时信号的直接测量，FPGA为大规模可编程逻辑芯片，具有逻辑单元灵活、集成度高等特点，可直接处理NTP信号，而无需采用复杂的电路对NTP信号进行转化，从而能够保证测量的精度。本实用新型采用高精准度的铷原子钟作为内部时钟，并将其信号与GPS卫星信号进行对比，将GPS信号长、稳、好的优点与原子钟信号短、稳、好的优点进行综合，得到较高精度的基准参考时钟源信号，进一步确保了测量结果的精确性，其本身还可以用作一台高性能的基准时钟，提供多种时间频率输出。

本实用新型的优点是：

(1)通过FPGA芯片实现对NTP、IRIG-B码、DCF77等多种时间信号的直接测量；FPGA可直接处理NTP信号，而无需采用复杂的电路对NTP信号进行转化，从而能够保证测量的精度；

(2)可将DCF77、IRIG-B信号转化为脉冲信号，提高测量的精度；

(3)拥有真彩触摸屏和Windows操作系统，并易于携带；

(4)可利用USB直接读取数据进行分析。

附图说明

图1为现有技术时间测量的原理图；

图2为时间综合测量仪结构示意图；

图3为GPS参考时间间隔管理系统模块示意图；

图4为主芯片示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例

本实用新型所用的所有组件均为外购。

如图2所示，为时间综合测量仪结构示意图，所述的时间综合测量仪由GPS参考时间间隔测量系统模块、主芯片、高分辨率网络测量系统模块和液晶屏组成，GPS参考时间间隔测量系统模块分别与GPS全球定位系统、内置铷钟、主芯片和高分辨率网络测量系统模块连接，主芯片与液晶屏连接。

如图3所示，为GPS参考时间间隔管理系统模块示意图，所述的GPS参考时间间隔测量系统模块由GPS接收卡板、微处理器1、可编程逻辑芯片、微处理器2、脉冲界面1和脉冲界面2组成，可编程逻辑芯片分别与GPS接收卡板、微处理器1、微处理器2、交流B码、脉冲界面1和脉冲界面2连接，GPS接收卡板与微处理器1连接，微处理器2分别与交流B码和脉冲界面1连接。

GPS接收卡板利用GPS天线接收GPS卫星信号并进行解析，提供1路脉冲信号送入微处理器1，1路脉冲信号送入可编程逻辑芯片；同时铷钟提供1路10MHz标准参考信号给可编程逻辑芯片，经可编程逻辑芯片处理后生成2路10MHz和1PPS秒脉冲标准时间信号，1路直接输出为标准信号可单独作为高性能基准时钟使用，1路送入高分辨NTP测量系统作为时钟基准信号。交流B码经过模数转换，串口时间信号经过9针串口分别接入微控制器2处理后送入可编程逻辑芯片；秒脉冲、分脉冲，时脉冲和DCF77时间信号经过脉冲界面1和2送入可编程逻辑芯片，该可编程逻辑芯片对多路时间输入信号处理分析，将待测信号与基准秒脉冲和10MHz标准信号进行对比、计算和处理，再将时间测量结果通过微控制器1，1路传送至主芯片模块，经处理后显示在液晶屏上，从而实现对IRIG-B、秒脉冲等模拟或数字信号形式的时间信息的精确测量；1路送至高精度网络测量系统模块，作为参考信号。

如图4所示，为主芯片示意图，所述的主芯片由PXA255集成芯片、扬声器接口、USB1接口和USB2接口组成，PXA255集成芯片分别与扬声器接口、USB1接口和USB2接口连接。

该模块采用集成芯片进行数据的存储和处理，可实现WINDOWS操作界面。通过液晶触摸屏可将指令送入主芯片模块，经PXA255芯片处理后将控制信号送入的微处理器1实现简单方便的操作。同时由GPS参考时间间隔测量系统模块生成的时间测量结果信号经PXA255芯片处理后，1路通过USB1接口送入设备前面板的USB端口，通过移动存储器就可以方便地记录测量数据以供分析；另1路测量结果信号经过USB2接口送入高精度网络测量系统模块中的FPGA芯片以供处理。同时PXA255芯片还可将处理后的异常信号通过外置扬声器进行报警。

所述的高分辨率网络测量系统模块为FPGA处理芯片。

待测的NTP信号由GPS时间间隔测量系统模块中的前面板RJ45接口接入本模块，同GPS参考时间间隔测量系统提供的秒脉冲时间信号一起送入本模块中的FPGA芯片。该芯片是NTP测量系统的核心部分，可对以上信号进行对比计算，并将对比后生成的精确网络时间信号通过串口送至主CPU模块，通过液晶屏直接显示，同时测量结果还可以通过USB2端口直接输出。

工作时，GPS参考时间间隔系统模块中，从天线接收下来的GPS信号通过GPS接收卡板送入微处理器1进行处理，然后送入可编程逻辑芯片。设备内置铷钟提供10MHz的标准参考信号作为逻辑芯片的处理参考。包括IRIG-B在内的多种时间码信号通过输入接口接入微处理器2，再经过可编程逻辑芯片处理生成标准10MHz和1PPS时间参考信号，分别送入设备后端口和高分辨率网络测量系统作为参考信号。上游接入的NTP网络时间信号送入高分辨网络测量系统模块，经模块中的关键部件——FPGA专用集成电路芯片处理后，送入主芯片模块进行处理，通过外设在LCD显示屏中直接显示出来，实现对NTP信号的直接测量。

Claims

1.一种时间综合测量仪，其特征在于，由GPS参考时间间隔测量系统模块、主芯片、高分辨率网络测量系统模块和液晶屏组成，GPS参考时间间隔测量系统模块分别与GPS全球定位系统、内置铷钟、主芯片和高分辨率网络测量系统模块连接，主芯片与液晶屏连接。

2.根据权利要求1所述的一种时间综合测量仪，其特征在于，所述的GPS参考时间间隔测量系统模块由GPS接收卡板、微处理器1、可编程逻辑芯片、微处理器2、脉冲界面1和脉冲界面2组成，可编程逻辑芯片分别与GPS接收卡板、微处理器1、微处理器2、交流B码、脉冲界面1和脉冲界面2连接，GPS接收卡板与微处理器1连接，微处理器2分别与交流B码和脉冲界面1连接。

3.根据权利要求1所述的一种时间综合测量仪，其特征在于，所述的主芯片由PXA255集成芯片、扬声器接口、USB1接口和USB2接口组成，PXA255集成芯片分别与扬声器接口、USB1接口和USB2接口连接。

4.根据权利要求1所述的一种时间综合测量仪，其特征在于，所述的高分辨率网络测量系统模块为FPGA处理芯片。