CN201556048U - 一种多功能时间综合测量仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多功能时间综合测量仪，其特征在于，包括GPS参考时间间隔测量模块，GPS参考时间间隔测量模块分别连接GPS全球定位系统、内置铷钟、系统主芯片模块及高分辨率PTP测量模块，系统主芯片模块连接显示器。本实用新型的优点是：通过FPGA芯片实现对PTP、NTP、IRIG-B码、脉冲等多种时间信号的直接测量；FPGA可直接处理PTP信号，而无需采用复杂的电路对PTP信号进行转化，从而能够保证测量的精度；对PTP的测量数据详细记录了PTP时标，便于用户分析；拥有真彩触摸屏和Windows操作系统，并易于携带；内置存储模块，以Excel格式记录任意长测量数据，便于分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多功能时间综合测量仪，用于精确测量多种时间码的精度，并详细记录该测量过程的各种信息，属于通信技术领域。
背景技术
随着电子通信技术的迅速发展，许多行业对时间精度的要求越来越高。特别是在通信、电力、交通、金融等领域，精确的时间信号是各种自动化设备正常运行的必要保障，毫秒甚至微秒级的时间偏差都有可能导致系统工作异常，造成无法挽回的损失。
目前针对这一问题普遍的解决方案是建立时间同步系统。即通过GPS或其它卫星系统获得绝对时间UTC，再将该系统时间应用于各系统，使得该系统内有时间标记需求的设备都使用同一个时间参照体系，从而实现各类设备时间的一致。
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。在地球表面任意地点、任何时间GPS卫星信号接收器都可收到足够数量(至少四颗)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。
时间同步的信号类型包括通过普通电缆传输的脉冲、IRIG-B、串口报文和基于TCP/IP双向传输的网络对时协议NTP和PTP等。脉冲、IRIG-B和串口报文的对时方式已经广泛应用于通信、电力等很多领域，已经是非常成熟的对时技术。NTP也已被广泛应用于许多领域，其突出优势在于其可以在任意IP网络中实现时间同步，而其劣势则表现在其对时精度只有毫秒级。而PTP不仅具有NTP双向时延自动补偿的能力，更重要的是其精度为纳秒级。而纳秒级的对时精度已经可以满足几乎所有领域的对时要求。
PTP(Precision Time Protocol)协议，也称为IEEE 1588，该标准在提出之初是致力于工控和测量的精密时钟同步协议标准，目标是提供亚微秒的同步精度应用。后来该标准受到了自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，并且国际上在军事领域的应用已经起步，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。
更加值得注意的是，PTP协议是一种基于TCP/IP的网络协议，数据网络无以伦比的灵活性已使其成为各领域最主要的通信方式。传统的脉冲、IRIG-B等硬对时方式只能局限于很小领域的时间同步，且不易管理，它必将被基于数据网传输的PTP对时方式所取代。特别是随着3G通信的到来，PTP技术的应用将得到空前发展。
PTP同步精度主要受三方面的影响：PTP主时钟输出的PTP精度、TCP/IP数据网络抖动以及PTP客户端自身性能。其中PTP主时钟输出精度的重要性不言而喻。数据网较SDH等专网而言抖动较大，这种抖动对于网络对时精度是一种致命损伤。PTP经过数据网络传输后要想能够达到满足要求的精度，就必须通过相应算法将数据网抖动引起的时间偏差进行消除。因此，精确测量数据网的抖动非常重要。在确保PTP主时钟精度和对数据网抖动规律已经明确掌握的情况下，PTP客户端需要最优化的算法来实现尽可能高的精度。
由此可知，PTP主时钟输出的PTP精度、数据网对PTP精度的影响以及PTP客户端同步后的精度这三组数据非常重要。对PTP客户端通过PTP同步后的精度一般通过测其1PPS输出即可，所用仪表通过示波器即可完成。而测量PTP主时钟输出的PTP精度以及经数据网传输后的PTP精度就必须借助PTP测量仪来完成。但是目前并没有一种成熟的PTP测量仪。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够用来测量PTP主时钟输出的PTP精度以及经数据网传输后的PTP精度的PTP测量仪。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种多功能时间综合测量仪，其特征在于，包括GPS参考时间间隔测量模块，GPS参考时间间隔测量模块分别连接GPS全球定位系统、内置铷钟、系统主芯片模块及高分辨率PTP测量模块，系统主芯片模块连接显示器。
进一步，所述GPS参考时间间隔测量模块包括可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片分别与GPS接收卡板、第一微控制器、所述的高分辨率PTP测量模块、第一脉冲界面、第二脉冲界面和第二微控制器连接，第一微控制器分别连接GPS接收卡板及所述的系统主芯片，第二微控制器分别连接第一脉冲界面及交流B码。
所述系统主芯片模块包括主控制器，主控制器分别连接所述的GPS参考时间间隔测量模块、第一USB接口、第二USB接口、所述的显示器及扬声器接口，第二USB接口连接所述的高分辨率PTP测量模块。
本实用新型通过FPGA芯片实现PTP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PTP信号，而无需采用复杂的电路对PTP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卫星信号进行比对，将GPS长稳好的优点与原子钟短稳好的优点相结合，得到更高精度、更稳定的基准参考时钟信号，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，提供时间及频率基准输出。
本实用新型的优点是：
1、通过FPGA芯片实现对PTP、NTP、IRIG-B码、脉冲等多种时间信号的直接测量；FPGA可直接处理PTP信号，而无需采用复杂的电路对PTP信号进行转化，从而能够保证测量的精度；
2、对PTP的测量数据详细记录了PTP时标，便于用户分析；
3、拥有真彩触摸屏和Windows操作系统，并易于携带；
4、内置存储模块，以Excel格式记录任意长测量数据，便于分析。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种多功能时间综合测量仪的连接示意图；
图2为GPS参考时间间隔测量模块示意图；
图3为系统主芯片模块示意图。
具体实施方式
以下结合实施例来具体说明本实用新型。
实施例
如图1所示，为本实用新型提供的一种多功能时间综合测量仪，包括GPS参考时间间隔测量模块，GPS参考时间间隔测量模块分别连接GPS全球定位系统、内置铷钟、系统主芯片模块及高分辨率PTP测量模块，系统主芯片模块连接显示器，在本实施例中显示器选用液晶屏。
如图2所示，为GPS参考时间间隔测量模块示意图，包括可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片分别与GPS接收卡板、第一微控制器、所述的高分辨率PTP测量模块、第一脉冲界面、第二脉冲界面和第二微控制器连接，第一微控制器分别连接GPS接收卡板及所述的系统主芯片，第二微控制器分别连接第一脉冲界面及交流B码。
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路脉冲信号送入第一微控制器，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PTP测量模块作为时钟基准信号。交流B码经过模数转换，串口时间信号经过9针串口分别接入第二微控制器处理后送入可编程逻辑芯片；秒脉冲、分脉冲，时脉冲和DCF77时间信号经过第一脉冲界面和第二脉冲界面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第一微控制器，1路传送至系统主芯片模块，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3所示，为系统主芯片模块示意图，包括主控制器，主控制器分别连接所述的GPS参考时间间隔测量模、第一USB接口、第二USB接口、所述的显示器及扬声器接口，第二USB接口连接所述的高分辨率PTP测量模块。
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系统主芯片模块，经PXA255芯片处理后将控制信号送入的第一微控制器实现简单方便的操作。同时由GPS参考时间间隔测量模块生成的时间测量结果信号经PXA255芯片处理后，1路通过第一USB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第二USB接口送入高分辨率PTP测量模块以供处理。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PTP测量模块为FPGA处理芯片。
待测的PTP信号由GPS参考时间间隔测量模块中的前面板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PTP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PTP测量仪系统主芯片模块，通过液晶屏直接显示，同时测量结果还可以通过第二USB端口直接输出。
工作时，在GPS参考时间间隔测量模块中，从天线接收下来的GPS信号通过GPS接收卡板送入第一微处理器行处理，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第二微控制器，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PTP网络时间信号送入高分辨率PTP测量模块，经模块中的关键部件——FPGA专用集成电路芯片处理后，送入系统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PTP信号的直接测量。
Claims (3)
1.一种多功能时间综合测量仪，其特征在于，包括GPS参考时间间隔测量模块，GPS参考时间间隔测量模块分别连接GPS全球定位系统、内置铷钟、系统主芯片模块及高分辨率PTP测量模块，系统主芯片模块连接显示器。
2.如权利要求1所述的一种多功能时间综合测量仪，其特征在于，所述GPS参考时间间隔测量模块包括可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片分别与GPS接收卡板、第一微控制器、所述的高分辨率PTP测量模块、第一脉冲界面、第二脉冲界面和第二微控制器连接，第一微控制器分别连接GPS接收卡板及所述的系统主芯片，第二微控制器分别连接第一脉冲界面及交流B码。
3.如权利要求1所述的一种多功能时间综合测量仪，其特征在于，所述系统主芯片模块包括主控制器，主控制器分别连接所述的GPS参考时间间隔测量模、第一USB接口、第二USB接口、所述的显示器及扬声器接口，第二USB接口连接所述的高分辨率PTP测量模块。
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| CN111707149A (zh) * | 2020-06-09 | 2020-09-25 | 西安工业大学 | 一种多路时序时间间隔测量装置 |
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