CN204270025U - 具有irig-b对时功能的时钟系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供具有IRIG-B对时功能的时钟系统,包括MCU、晶振、JTAG、时钟芯片、电池管理模块、B码信号输入模块和数据通信模块,采用了单一的高性能的32位Cortex-M0微控制器MCU,其硬件设计简单可靠,而该模块的关键点主要集中在对时信息的解码。在变电站自动化设计中采用本实用新型提出的改进方案可以简化IRIG-B码对时电路设计,提高对时的准确性及可靠性,弥补传统对时的缺陷,通过修改程序可实现功能复用,有效地避免了功能单一,无法在线调试升级等问题。本实用新型通过掉电后锂电池为实时时钟芯片供电来完成时钟持续运行功能,在变电站系统内IRIG-B对时信号异常情况下依然能完成设备的时钟对时功能,并且本实用新型具有结构简单、体积小、功耗小、精度高、成本低、功能接口丰富等优点。
Description
技术领域
本发明创造属于电力系统设备时钟同步技术领域,尤其是涉及一种具有IRIG-B对时功能的时钟系统。
背景技术
随着用电设备和用电量的逐年增多,人们对电力系统的自动化和安全运行的要求越来越高,而电力系统的自动化和安全运行的一个要素就是电网时间的精确和统一。近年来,随着微机自动化装置的普及,更加迫切的要求电网运行实现时间统一。全球定位系统具有高精度的对时功能,在电力系统中得到广泛使用。国家电网公司发布的《关于加强电力二次系统时钟管理的通知》中就明确要求采用IRIG-B(Inter Range Instrumentation Group,美国靶场仪器组)标准码逐步实现GPS装置和相关系统或设备的对时。
传统的IRIG-B码对时模块的设计架构目前较多的有3种:1、基于CPLD+MCU,该架构硬件设计比较复杂;2:使用普通单片机外部IO中断+定时器(Timer)进行简单的对时处理,采用对时脉冲加串口的方式,即在发对时脉冲的同时通过串口网络发对时指令,此方法存在很多不足:一是过多外部IO中断和串行通信中断占用智能设备的资源,由于普通单片机的运行速率本来就很低,因此会极大地影响系统的对时精度;二是串口网络对时存在延时,可能出现一秒的误差;三是功能极为单一;四,性能非常不稳定,不适合变电站现场的恶劣环境;3:基于大规模可编程门阵列(FPGA)架构,虽然此种架构能避免以上部分不足,但是此种方案还是一种比较奢侈的的方案。首先FPGA的价格本身就很高,并且还需要外扩EEPROM和RAM等外部器件,这就也增加了系统的复杂性,降低了可靠性。
发明内容
本发明创造要解决以上技术问题,提供一种具有IRIG-B对时功能的时钟系统。
为解决上述技术问题,本发明创造采用的技术方案是:具有IRIG-B对时功能的时钟系统,包括MCU、晶振、JTAG、时钟芯片、电池管理模块、B码信号输入模块和数据通信模块,
所述B码信号输入模块包括B码信号静电保护电路、电气隔离电路、B码信号电平转换电路、A/D转换电路和GPIO输入输出电路,所述电气隔离电路、B码信号电平转换电路、B码信号静电保护电路依次连接,
所述晶振、JTAG、电气隔离电路、A/D转换电路、GPIO输入输出电路和所述数据通信模块分别与所述MCU相连,
所述数据通信模块包括串行接口、I2C接口和1PPS接口,
所述电池管理模块与所述时钟芯片相连,
所述时钟芯片通过所述I2C接口与所述MCU相连。
进一步,所述MCU为32位Cortex-M0处理器STM32F030芯片。
进一步,所述时钟芯片为RTC芯片PCF8563T。
进一步,所述电气隔离电路采用磁耦ADuM1201。
进一步,所述B码信号电平转换电路采用SN65LBC184D芯片。
进一步,所述B码信号静电保护电路与所述SN65LBC184D芯片的第六引脚、第七引脚相连,所述SN65LBC184D芯片的第一引脚与所述磁耦ADuM1201的第七引脚相连,所述磁耦ADuM1201的第二引脚与所述STM32F030芯片的第十三引脚相连。
进一步,所述串行接口包括RS232、RS485。
进一步,所述数据通信模块还包括LVDS接口、SPI接口、TTL接口和GPIO接口。
进一步,所述电池管理模块包括电容C700、电容C701、二极管D700、二极管D701和锂电池BT700,所述电容C700、电容C701并联输出端接所述二极管D700的正极,所述电容C700、电容C701并联输入端分别接所述锂电池BT700的负极和接DGND,所述锂电池BT700的正极接所述二极管D701的正极,所述二极管D700的负极和所述二极管D701的负极均接到所述RTC芯片PCF8563T的第八引脚,所述RTC芯片PCF8563T的第五引脚输出I2CA_SDA信号,所述RTC芯片PCF8563T的第六引脚输出I2C1_SCL信号,所述I2CA_SDA信号、所述I2C1_SCL信号分别通过所述I2C接口传输至所述STM32F030芯片的第十八引脚、第十七引脚。
本发明创造具有的优点和积极效果是:具有IRIG-B对时功能的时钟系统,采用了单一的高性能的32位Cortex-M0微控制器MCU,其硬件设计简单可靠,而该模块的关键点主要集中在对时信息的解码。在变电站自动化设计中采用本发明创造提出的改进方案可以简化IRIG-B码对时电路设计,提高对时的准确性及可靠性,弥补传统对时的缺陷,通过修改程序可实现功能复用,有效地避免了功能单一、无法在线调试升级等问题。本发明创造通过掉电后锂电池为实时时钟芯片供电来完成时钟持续运行功能,在变电站系统内IRIG-B对时信号异常的情况下依然能完成设备的时钟对时功能,并且本发明具有结构简单、体积小、功耗小、精度高、成本低、功能接口丰富等优点。
附图说明
图1是本发明创造结构框图;
图2是本发明创造原理线路图。
图中:1、晶振;2、JTAG;3、电池管理模块;4、B码信号静电保护电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
如图1、图2所示,具有IRIG-B对时功能的时钟系统,包括MCU、晶振1、JTAG 2、时钟芯片、电池管理模块3、B码信号输入模块和数据通信模块,所述B码信号输入模块包括B码信号静电保护电路4、电气隔离电路、B码信号电平转换电路、A/D转换电路和GPIO输入输出电路,所述电气隔离电路、B码信号电平转换电路、B码信号静电保护电路4依次连接,所述晶振1、JTAG2、电气隔离电路、A/D转换电路、GPIO输入输出电路和所述数据通信模块分别与所述MCU相连,所述数据通信模块包括串行接口、I2C接口和1PPS接口,所述电池管理模块3与所述时钟芯片相连,所述时钟芯片通过所述I2C接口与所述MCU相连。所述MCU为32位Cortex-M0处理器STM32F030芯片。所述时钟芯片为RTC芯片PCF8563T。所述电气隔离电路采用磁耦ADuM1201。所述B码信号电平转换电路采用SN65LBC184D芯片。所述B码信号静电保护电路4与所述SN65LBC184D芯片的第六引脚、第七引脚相连,所述SN65LBC184D芯片的第一引脚与所述磁耦ADuM1201的第七引脚相连,所述磁耦ADuM1201的第二引脚与所述STM32F030芯片的第十三引脚相连。所述串行接口包括RS232、RS485。所述数据通信模块还包括LVDS接口、SPI接口、TTL接口和GPIO接口。所述电池管理模块3包括电容C700、电容C701、二极管D700、二极管D701和锂电池BT700,所述电容C700、电容C701并联输出端接所述二极管D700的正极,所述电容C700、电容C701并联输入端分别接所述锂电池BT700的负极和接DGND,所述锂电池BT700的正极接所述二极管D701的正极,所述二极管D700的负极和所述二极管D701的负极均接到所述RTC芯片PCF8563T的第八引脚,所述RTC芯片PCF8563T的第五引脚输出I2CA_SDA信号,所述RTC芯片PCF8563T的第六引脚输出I2C1_SCL信号,所述I2CA_SDA信号、所述I2C1_SCL信号分别通过所述I2C接口传输至所述STM32F030芯片的第十八引脚、第十七引脚。
具有IRIG-B对时功能的时钟系统可以完成变电站GPS对时IRIG-B解码器,主控芯片采用TSSOP20封装的STM32F030芯片,IRIG-B码信号从STM32F030芯片的16位高级控制计数/定时器TIM3的输入捕获通道(TIM3_CH2)所对应的引脚PA7输入,并经STM32F030解码后通过串行接口总线、I2C总线输出绝对时间。本发明创造创新性地运用STM32F030强大的16位高级控制定时器TIM3的边沿捕获技术,来测量IRIG-B码脉冲的脉宽来实现B码解码,完全能够满足变电站B码准确解码授时的要求,并且在MCU的I2C接口总线上连接具有实时功能的时钟芯片RTC芯片PCF8563T,在MCU完成IRIG-B解码工作后,解码后的时间对RTC芯片PCF8563T芯片及并联在I2C接口总线上的用户设备进行校准对时,当系统掉电后由于PCF8563T可以用锂电池继续供电,所以不会影响RTC时钟的运行即:达到一个掉电时钟存储的功能。
具有IRIG-B对时功能的时钟系统是高精度低成本具备IRIG-B码对时解码功能的时钟模块,采用4层印制电路板,MCU的触发管脚设置为高精度16位高级控制计数/定时器TIM3输入捕获通道(TIM3_CH2)所对应的引脚PA7,设置为上升沿和下降沿触发,用于对接收到的IRIG-B码编码信号进行高速分析解码,并将解码的实时数据处理运算;晶振1为16MHz,用于产生MCU所需要的高精度时钟脉冲信号;JTAG 2(SWD模式),用于在线下载程序,不需要在生产时对芯片进行烧写然后再进行焊接;RTC芯片PCF8563T,用于时钟模块的掉电状态下或者IRIG-B码信号长时间异常情况下的时钟保存和运行;锂电池BT700,当系统掉电是为RTC芯片PCF8563T供电。
具有IRIG-B对时功能的时钟系统还包括B码信号输入模块和数据通信模块。B码信号输入模块包括B码信号静电保护电路4、电气隔离电路(磁耦ADuM1201)、B码信号电平转换电路65LBC184(RS485转TTL)、A/D转换模块、GPIO输入输出电路。B码信号静电保护电路4、电气隔离电路、B码信号电平转换电路用于预处理B码的RS485差分电平信号,并将RS485差分电平信号转换为TTL信号,然后将TTL信号送给MCU处理;A/D转换模块用于采集12路16bit模拟数据;GPIO输入电路用于处理开关量输入信号;所述数据通信模块包括串行接口(RS232、RS485可选)、I2C接口软对时信号接口和1PPS硬对时信号接口,用于将MCU解码出B码信号并实时发送出去。所述数据通信模块还包括LVDS接口、SPI接口、TTL接口和GPIO接口。SPI接口为串行外围设备接口,TTL接口用于TTL逻辑电平信号通讯,GPIO接口为输入/输出接口,以上均可根据需要对外界进行通讯或级联。
与现有技术相比,本发明创造有益效果体现在:
1、本发明创造只采用了单一的高性能的32位Cortex-M0处理器STM32F030,相比传统的CPU+CPLD方案更加简洁,可靠,成本低;
2、在IRIG-B解码过程中采用STM32F030芯片的16位高级控制计数/定时器TIM3的输入捕获通道所对应的引脚PA7输入采集,并利用MCU内部的DMA中断存取上升沿和下降沿的计数值,这些解码采集工作几乎不会占用CPU资源,所以可以认为实时地进行解码,STM32F030采用ARM Cortex内核,运算速度高达48MHz,程序运行速度相比普通8位单片机高出几倍,利用IRIG-B码快速解码技术,实时分析处理B码数据,准确分析出实时时间,计算速度快,精度高;本发明创造采用完成B码解码后可通过多种总线完成实时时钟数据的发送,如果将本模块作为设备中的一个组件安装在PCB板上通过I2C接口总线传输实时时钟数据,因为I2C接口总线传输速率足够快,串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s,所以完全不会有通信网络延时造成的对时精度下降问题,即使通过数据通信模块包括RS232软对时信号接口也可以通过提高通信波特率,来降低通信延时造成的对时精度下降;如果通过1PPS硬对时接口的话,基本可以认为实时的时钟信号无延时问题;本发明创造采用基于RTC芯片+电池+高性能的32位Cortex-M0处理器STM32F030,除去以上三者组合完成B码信号丢失情况下和设备掉电情况下的时钟运行和保存功能外,单就MCU本身来讲:STM32F030采用ARM Cortex内核,运算速度高达48MHz。STM32F030是STM32系列中价格最低的产品,具有全套外设,例如高速12位ADC、先进且灵活的定时器、日历RTC和通信接口(例如I2C、USART和SPI)架构,可在不动硬件的情况下实现功能扩展和复用,不需要重新设计或修改PCB电路板。RS485方式提供了足够的保护功能,降低了设备在电磁干扰环境中被损坏和受干扰的机率,可应用于恶劣电磁环境场合,静电保护电路+电气隔离电路进一步增强了设备的抗干扰能力;
3、本发明创造采用4层板设计,器件采用贴片集成芯片进一步缩小了体积,本发明的外观尺寸小(50mm*60mm),易于级联和扩展,且通过I2C接口完全可以作为用户设备中的PCB组件焊接在设备的电路板上使用;
4、本发明创造采用的GPIO接口为多功能复用IO口,还有I2C、SPI、SCI等通讯功能接口,还具备普通的ADC和定时器的输入、输出比较功能(PWM输出),比如在特定时间通过GPIO接口或通讯口控制别的装置,或与其它装置一起智能联动等,使用极灵活、方便;
5、本发明创造的技术方案采用元器件较同等完成技术指标下较之于高速FPGA(现场可编程门阵列)的方案具有巨大的成本优势。
高精度低成本具备IRIG-B码对时解码功能的时钟模块的功能、工作过程及原理为(参见图1和图2):
1.输入原始IRIG-B码电平信号,经过静电保护电路,过滤并卸去雷击静电等瞬间高电压,防止窜入核心模块;
2.通过电气隔离电路,使得接口电路与系统从电气上隔离,避免时钟源和本机电位不同以及强干扰情况下损坏系统内部设备。通过保护电路后,信号进入RS485收发器被转换成TTL信号,然后再通过隔离磁耦ADuM1201进入MCU。这里的隔离使RS485部分的地处于浮地状态,避免了远距离通讯时地电位差过大造成接口损坏;
3.正常电平信号直接到MCU管脚,它先预处理是否有无效数据,如长时间是无效数据可报警并提示;
4.处理采集来的有效IRIG-B码数据,在对时模块设计中,其触发管脚设置为高精度16位高级控制计数/定时器TIM3输入捕获通道(TIM3_CH2)所对应的引脚PA7,用TIM3_CH2来捕获高电平脉宽,也就是要先设置输入捕获为上升沿检测,记录发生上升沿的时候TIM3_CNT的值。然后配置捕获信号为下降沿捕获,当下降沿到来时,发生捕获,并记录此时的TIM3_CNT值。这样,前后两次TIM3_CNT之差,就是高电平的脉宽,同时TIM3的计数频率我们是知道的,从而可以计算出高电平脉宽的准确时间。IRIG码共有四种并行二制度时间码格式和六种串行二制度时间码格式,其中最常用的是IRIG-B码格式。其中以一秒一次的频率发送包括日、时、分、秒等在内的时间信息,IRIG-B码信号是每秒一帧的时间串码,其基本的码元是“0”、“1”、“P”,每个码元占用10毫秒的时间,一帧串码含100个码元。码元“0”、“1”对应的脉冲宽度为2毫秒、5毫秒;
5.然后通过MCU分析出0码、1码和P码,然后再依次翻译出秒、分、时、日信号信息,实时通过MCU运算解出时钟数据。并通过TTL电平把软对时信号发送出去,同时还要解出1PPS硬对时信号;
6.由于电力系统自动化设备在强电磁环境中连续工作,所以受到的干扰比较严重。因此,除了在硬件上采取电气隔离和防浪涌及静电保护等措施外,在软件上也增加了如下判别条件:
(1)如果检查出的码元不是“0”、“1”、“P”,则认为装置受到干扰,前面所有识别的数据无效,等待下次数据的提取。
(2)当第一次对时后,内部时钟得到更改,再次出现两个P码元时,由内部时钟进行检测,误差应该在可接受的时间内,否则认为对时出错,等待下次对时;
7.如果长时间无正确的B码信号即GPS设备长时间失星,软对时信号将输出报警信号,并开始通过I2C接口总线读取PCF8563T内实时时钟数据,在软对时接口(RS485或者RS232)输出当前时间,如果用户设备并联在MCU的I2C上可以通过程序判断直接截取PCF8563T的实时时钟数据,并实时输出硬对时1PPS信号;并如果解码成功,在软对时接口(RS485或者RS232)输出当前时间,在I2C总线上根据PCF8563T的协议实时校准PCF8563T的时钟数据同样并联在此I2C总线上的设备也可以根据设置数据接收B码对时数据,并实时输出硬对时1PPS信号;
8.功能扩展:
a.如果需要AD采集模拟信号的,通过更改程序配置对应具有ADC通道功能的GPIO引脚为模拟量采样通道后,就可在模拟接口输入调理过模拟电压量,并通过MCU换算成实际电压值,如果是电流信号可通过加精密采样电阻也通过MCU实时换算来实现间接采集电流值,不影响主要解码功能。
b.GPIO输入输出电路可轻松实现开入开出量的采集与控制。SPI接口、TTL接口为可选功能。
以上是本发明针对目前已有方案具备的不足具备的优势,除以上优点外,本方案因为增加了锂电池和RTC芯片PCF8563T,可以独立产生实时时钟并且在掉电状态和B码信号异常或者没有B码信号的情况完全可以当做一个实时时钟源独立使用。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:包括MCU、晶振、JTAG、时钟芯片、电池管理模块、B码信号输入模块和数据通信模块,
所述B码信号输入模块包括B码信号静电保护电路、电气隔离电路、B码信号电平转换电路、A/D转换电路和GPIO输入输出电路,所述电气隔离电路、B码信号电平转换电路、B码信号静电保护电路依次连接,
所述晶振、JTAG、电气隔离电路、A/D转换电路、GPIO输入输出电路和所述数据通信模块分别与所述MCU相连,
所述数据通信模块包括串行接口、I2C接口和1PPS接口,
所述电池管理模块与所述时钟芯片相连,
所述时钟芯片通过所述I2C接口与所述MCU相连。
2.根据权利要求1所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述MCU为32位Cortex-M0处理器STM32F030芯片。
3.根据权利要求2所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述时钟芯片为RTC芯片PCF8563T。
4.根据权利要求3所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述电气隔离电路采用磁耦ADuM1201。
5.根据权利要求4所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述B码信号电平转换电路采用SN65LBC184D芯片。
6.根据权利要求5所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述B码信号静电保护电路与所述SN65LBC184D芯片的第六引脚、第七引脚相连,所述SN65LBC184D芯片的第一引脚与所述磁耦ADuM1201的第七引脚相连,所述磁耦ADuM1201的第二引脚与所述STM32F030芯片的第十三引脚相连。
7.根据权利要求1所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述串行接口包括RS232、RS485。
8.根据权利要求1所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述数据通信模块还包括LVDS接口、SPI接口、TTL接口和GPIO接口。
9.根据权利要求2所述的具有IRIG-B对时功能的时钟系统,其特征在于:所述电池管理模块包括电容C700、电容C701、二极管D700、二极管D701和锂电池BT700,所述电容C700、电容C701并联输出端接所述二极管D700的正极,所述电容C700、电容C701并联输入端分别接所述锂电池BT700的负极和接DGND,所述锂电池BT700的正极接所述二极管D701的正极,所述二极管D700的负极和所述二极管D701的负极均接到所述RTC芯片PCF8563T的第八引脚,所述RTC芯片PCF8563T的第五引脚输出I2CA_SDA信号,所述RTC芯片PCF8563T的第六引脚输出I2C1_SCL信号,所述I2CA_SDA信号、所述I2C1_SCL信号分别通过所述I2C接口传输至所述STM32F030芯片的第十八引脚、第十七引脚。
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