CN207281290U - 一种时间监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种时间监测装置，包括：北斗参考时间间隔测量系统模块、中央处理模块、信号测量模块、北斗卫星导航系统、内置铷钟，北斗参考时间间隔测量系统模块分别与北斗卫星导航系统、内置铷钟、中央处理模块、信号测量模块相连接。本实用新型的优点是：(1)通过FPGA芯片实现对1PPS时间信号的直接测量；FPGA可直接处理1PPS信号，而无需采用复杂的电路对1PPS信号进行转化，从而能够保证测量的精度；(2)具备网络通信接口，可与时间监测系统交换数据；(3)可利用USB直接读取数据进行分析。

Description

一种时间监测装置

技术领域

本实用新型涉及通讯技术领域，特别涉及一种时间监测装置。

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。

当前应用最安全和成熟的是北斗卫星对时技术。北斗是我国自主控制的全球卫星导航系统，由35颗在空间运行的卫星和地面控制站组成，在地球表面任一地点、任一时刻北斗卫星信号接收器都可收到足够多数量的北斗卫星信号。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。北斗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北斗和GPS时间同步系统，但由于各站内的卫星接收机性能良莠不齐，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卫星接收机设备，当某些设备由于特殊原因无法接收卫星信号而切换到内部保持输出时，与其他正常运行的北斗或GPS设备也会造成信号的差异。

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时间脉冲信号进行间接的测量，需要通过示波器比对波形，而对于1PPS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1PPS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。

5. 不能同时测量多个时间信号。

6. 不能连续在线测量。

7. 不能与监测系统进行数据交换。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可实现1PPS时间信号的直接测量，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，且安装在机架上24小时连续运行的时间监测装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种时间监测装置，包括：北斗参考时间间隔测量系统模块、中央处理模块、信号测量模块、北斗卫星导航系统、内置铷钟，北斗参考时间间隔测量系统模块分别与北斗卫星导航系统、内置铷钟、中央处理模块、信号测量模块相连接。

还包括：网管模块，中央处理模块与网管模块相连接；以及信号接口，信号接口与信号测量模块相连接，信号为1PPS信号，通过信号接口被信号测量模块所接收。

北斗参考时间间隔测量系统模块包括北斗接收卡板、微控制器、可编程逻辑芯片,可编程逻辑芯片分别与北斗接收卡板、微控制器相连接，微控制器分别与北斗接收卡板以及信号测量模块相连接；北斗接收卡板接收来自北斗卫星导航系统的信号并进行解析后，分别提供两路脉冲信号，一路脉冲信号送入微控制器，一路脉冲信号送入可编程逻辑芯片；同时内置铷钟提供一路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两路脉冲标准时间信号，其中，一路脉冲标准时间信号直接输出为标准信号可单独作为高性能基准时钟使用，一路脉冲标准时间信号送入信号测量系统作为时钟基准信号；可编程逻辑芯片对多路时间输入信号处理分析，将待测信号与上述两路标准信号进行对比、计算和处理，从而实现对信号时间信息的精确测量。

两路脉冲标准时间信号，一路为10MHz标准时间信号，一路为1PPS秒脉冲标准时间信号。

中央处理模块由PXA270集成芯片、显示屏接口、USB接口组成，PXA270集成芯片分别与显示屏接口、USB接口连接；通过液晶触摸屏可将控制信号送入中央处理模块，经PXA270集成芯片处理后将控制信号送入的微控制器。

由北斗参考时间间隔测量系统模块生成的时间测量结果信号经PXA270集成芯片处理后，通过USB接口送入移动存储器记录测量数据以供分析；同时，将测量结果信号送入信号测量模块以供处理，同时PXA270集成芯片还可将处理后的异常信号通过显示屏显示。

1PPS测量模块为FPGA处理芯片。

北斗参考时间间隔测量系统模块还包括RJ45接口，待测的1PPS信号由RJ45接口接入北斗参考时间间隔测量系统模块。

工作时，北斗参考时间间隔系统模块中，从天线接收下来的北斗信号通过北斗接收卡板送入微控制器进行处理，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1PPS在内的多种时间码信号接入可编程逻辑芯片，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1PPS测量系统作为参考信号。上游接入的IPPS时间信号送入1PPS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，送入中央处理模块进行处理，实现对1PPS信号的直接测量。

本发明通过FPGA芯片实现1PPS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1PPS信号，从而能够保证测量的精度。本发明采用铷钟作为内部时钟，并将其信号与北斗卫星信号进行对比，将北斗卫星信号长、稳、好的优点与铷钟信号短、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。

本发明的优点是：

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

(2)具备网络通信接口，可与时间监测系统交换数据；

(3)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为本实用新型的一个较佳实施例的一种时间监测装置的结构示意图；

图3为本实用新型的一个较佳实施例的一种时间监测装置的北斗参考时间间隔测量系统模块的结构示意图；

图4为本实用新型的一个较佳实施例的一种时间监测装置的中央处理模块的结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的一个较佳实施例，举例证明本实用新型可以实施，可以向本领域中的技术人员完整介绍本实用新型，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，其保护范围并非仅限于文中提到的实施例，本文的附图和说明本质上是举例说明而不是限制本实用新型。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。

如图2所示，本实用新型的一个较佳实施例提供了一种时间监测装置，包括：北斗参考时间间隔测量系统模块、中央处理模块、信号测量模块、北斗卫星导航系统、内置铷钟，北斗参考时间间隔测量系统模块分别与北斗卫星导航系统、内置铷钟、中央处理模块、信号测量模块相连接。

还包括：网管模块，中央处理模块与网管模块相连接；以及信号接口，信号接口与信号测量模块相连接，信号为1PPS信号，通过信号接口被信号测量模块所接收。

如图3所示，北斗参考时间间隔测量系统模块包括北斗接收卡板、微控制器、可编程逻辑芯片,可编程逻辑芯片分别与北斗接收卡板、微控制器相连接，微控制器分别与北斗接收卡板以及信号测量模块相连接；北斗接收卡板接收来自北斗卫星导航系统的信号并进行解析后，分别提供两路脉冲信号，一路脉冲信号送入微控制器，一路脉冲信号送入可编程逻辑芯片；同时内置铷钟提供一路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两路脉冲标准时间信号，其中，一路脉冲标准时间信号直接输出为标准信号可单独作为高性能基准时钟使用，一路脉冲标准时间信号送入信号测量系统作为时钟基准信号；可编程逻辑芯片对多路时间输入信号处理分析，将待测信号与上述两路标准信号进行对比、计算和处理，从而实现对信号时间信息的精确测量。

两路脉冲标准时间信号，一路为10MHz标准时间信号，一路为1PPS秒脉冲标准时间信号。

北斗接收卡板利用北斗天线接收北斗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1PPS测量系统作为时钟基准信号。1PPS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路传送至中央处理模块，经处理后送至网管模块，从而实现对1PPS时间信息的精确测量。

如图4所示，中央处理模块由PXA270集成芯片、显示屏接口、USB接口组成，PXA270集成芯片分别与显示屏接口、USB接口连接；通过液晶触摸屏可将控制信号送入中央处理模块，经PXA270集成芯片处理后将控制信号送入的微控制器。

由北斗参考时间间隔测量系统模块生成的时间测量结果信号经PXA270集成芯片处理后，通过USB接口送入移动存储器记录测量数据以供分析；同时，将测量结果信号送入信号测量模块以供处理，同时PXA270集成芯片还可将处理后的异常信号通过显示屏显示。

1PPS测量模块为FPGA处理芯片。

北斗参考时间间隔测量系统模块还包括RJ45接口，待测的1PPS信号由RJ45接口接入北斗参考时间间隔测量系统模块。

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中央处理模块，经PXA270集成芯片处理后将控制信号送入的微处理器实现简单方便的操作。同时由北斗参考时间间隔测量系统模块生成的时间测量结果信号经PXA270集成芯片处理后，1路通过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路测量结果信号送入高精度1PPS测量模块中的FPGA芯片以供处理。同时PXA270集成芯片还可将处理后的异常信号通过显示屏显示。

所述的高分辨率1PPS测量模块为FPGA处理芯片。

待测的1PPS信号由北斗参考时间间隔测量系统模块中的前面板RJ45接口接入本模块，同北斗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1PPS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。

工作时，北斗参考时间间隔系统模块中，从天线接收下来的北斗信号通过北斗接收卡板送入微控制器进行处理，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1PPS在内的多种时间码信号接入可编程逻辑芯片，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1PPS测量系统作为参考信号。上游接入的IPPS时间信号送入1PPS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，送入中央处理模块进行处理，实现对1PPS信号的直接测量。

本发明通过FPGA芯片实现1PPS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1PPS信号，从而能够保证测量的精度。本发明采用铷钟作为内部时钟，并将其信号与北斗卫星信号进行对比，将北斗卫星信号长、稳、好的优点与铷钟信号短、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。

本发明的优点是：

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

(2)具备网络通信接口，可与时间监测系统交换数据；

(3)可利用USB直接读取数据进行分析。

以上所述仅是本实用新型的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种时间监测装置，其特征在于，包括：北斗参考时间间隔测量系统模块、中央处理模块、信号测量模块、北斗卫星导航系统、内置铷钟，所述北斗参考时间间隔测量系统模块分别与所述北斗卫星导航系统、所述内置铷钟、所述中央处理模块、所述信号测量模块相连接。

2.如权利要求1所述的时间监测装置，其特征在于，还包括：网管模块，所述中央处理模块与所述网管模块相连接；以及信号接口，所述信号接口与所述信号测量模块相连接，所述信号为1PPS信号，通过所述信号接口被所述信号测量模块所接收。

3.如权利要求1所述的时间监测装置，其特征在于，所述北斗参考时间间隔测量系统模块包括北斗接收卡板、微控制器、可编程逻辑芯片，所述可编程逻辑芯片分别与所述北斗接收卡板、所述微控制器相连接，所述微控制器分别与所述北斗接收卡板以及所述信号测量模块相连接；所述北斗接收卡板接收来自所述北斗卫星导航系统的信号并进行解析后，分别提供两路脉冲信号，一路脉冲信号送入所述微控制器，一路脉冲信号送入所述可编程逻辑芯片；同时所述内置铷钟提供一路标准参考信号给所述可编程逻辑芯片，经所述可编程逻辑芯片处理后生成两路脉冲标准时间信号，其中，一路脉冲标准时间信号直接输出为标准信号可单独作为高性能基准时钟使用，一路脉冲标准时间信号送入信号测量系统作为时钟基准信号；所述可编程逻辑芯片对多路时间输入信号处理分析，将待测信号与上述两路标准信号进行对比、计算和处理，从而实现对信号时间信息的精确测量。

4.如权利要求3所述的时间监测装置，其特征在于，所述两路脉冲标准时间信号，一路为10MHz标准时间信号，一路为1PPS秒脉冲标准时间信号。

5.如权利要求1所述的时间监测装置，其特征在于，所述中央处理模块由PXA270集成芯片、显示屏接口、USB接口组成，所述PXA270集成芯片分别与所述显示屏接口、所述USB接口连接；通过液晶触摸屏可将控制信号送入所述中央处理模块，经所述PXA270集成芯片处理后将所述控制信号送入的微控制器。

6.如权利要求5所述的时间监测装置，其特征在于，由所述北斗参考时间间隔测量系统模块生成的时间测量结果信号经所述PXA270集成芯片处理后，通过所述USB接口送入移动存储器记录测量数据以供分析；同时，将测量结果信号送入所述信号测量模块以供处理，同时所述PXA270集成芯片还可将处理后的异常信号通过显示屏显示。

7.如权利要求2所述的时间监测装置，其特征在于，所述1PPS测量模块为FPGA处理芯片。

8.如权利要求7所述的时间监测装置，其特征在于，所述北斗参考时间间隔测量系统模块还包括RJ45接口，待测的所述1PPS信号由所述RJ45接口接入所述北斗参考时间间隔测量系统模块。