CN210742697U - 一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，属于工业系统时间同步领域。它包括信号接收单元、信号处理单元、总线和输出单元，所述信号接收单元将接收到的时钟源输送给信号处理单元，信号处理单元与总线双向通信连接，通过总线将处理过的信号送到输出单元，输出单元含有8种信号输出模块，现场装置与其中的一种或多种连接。本实用新型不仅能将各种不同标准的输出接口分别模块化，从而实现输出接口的按需配置，还保证了同一网内时钟源的唯一性，具有结构简单、设计合理、易于制造的优点。

Description

一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统

技术领域

本实用新型属于工业系统时间同步领域，更具体地说，涉及一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统。

背景技术

高精度、稳定可靠的时钟源对国家电网正常工作十分重要的，因卫星授时系统的覆盖范围广，精度高的优点，因此普遍采用卫星授时的方法为电力系统提供时间源。

然而，工业系统是十分复杂的，往往同一现场就会存在许多自动化、微机保护和故障定位等装置；考虑到成本原因，这些设备在系统组建时往往选自不同厂家，因此设备接口繁多，数量不等。这导致了同一网存在多个授时设备和卫星授时装置使用不充分的问题，造成成本上升和网内设备时钟同步精度下降，严重影响系统生产调度、系统故障记录、系统故障分析等问题。

针对网内设备时钟同步精度不高的问题有的方案对此进行了相应的改进，例如中国专利申请号为：CN201610069065.0，公开日为：2016年4月27日，该专利公开了一种北斗GPS双模电力时间同步装置，由北斗卫星输入模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、显控模块、输出模块、电源模块以及公共底板组成，授时模块用于接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星接收模块的时间和状态信息或是来自输入模块的外部输入的时钟源，产生和维护本地的时间信息，并输出串行数据信息格式和脉冲模式的时间信息以及告警信息至输出模块，此方案虽然提高了时钟同步的精度，但是没有解决由于设备接口繁多导致的装置使用不充分，造成装置浪费，成本上升的问题，而且一旦发生故障，系统故障记录和分析麻烦，因此可靠性不高。

实用新型内容

1、要解决的问题

针对现有同一网存在多个授时设备和卫星授时装置使用不充分，造成网内设备时钟同步精度下降，严重影响系统生产调度、系统故障记录、系统故障分析的问题，本实用新型提供了一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统。本装置包含主时钟装置和扩展时标装置，保证了同一网内时钟源的唯一性，同时将各种不同标准的输出接口分别模块化，从而实现输出接口的按需配置。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，包括信号接收单元、信号处理单元、总线和输出单元，所述信号接收单元将接收到的时钟源输送给信号处理单元，信号处理单元与总线双向通信连接，通过总线将处理过的信号送到输出单元，输出单元与现场装置连接，所述输出单元包括直流IRIG-B码输出模块、交流IRIG-B码输出模块、光纤IRIG-B码输出模块、24V有源脉冲输出模块、串口信号输出模块、秒时分脉冲输出模块、无源脉冲输出模块、NTP网络信号输出模块其中的一种或多种连接。

更进一步的，直流IRIG-B输出模块、串口信号输出模块、秒时分脉冲输出模块这三个信号输出模块为一个整体模块与现场装置连接，整体模块中设置有切换信号的拨码开关。

更进一步的，整体模块的输入信号通过拨码开关选择后与外设驱动器连接，外设驱动器的两个输出端的输出信号都分成4路，每路输出信号通过光耦合器与RS422或RS485芯片连接，芯片的输出端与输出端子连接。

更进一步的，所述24V有源脉冲输出模块和无源脉冲输出模块的脉冲信号都通过跳线针脚与输出端子相连。

更进一步的，所述24V有源脉冲输出模块的输入信号与外设驱动器连接，外设驱动器输出6路秒分时脉冲信号，3路成一组，每组信号都通过跳线针脚选择输出后再通过光电隔离开关与输出端子连接。

更进一步的，所述无源脉冲输出模块的输入信号通过一个跳线针脚与外设驱动器的输入端连接，外设驱动器输出4路信号，2路成一组，每组信号都通过跳线针脚选择输出后再通过光电隔离开关与输出端子连接。

更进一步的，所述交流IRIG-B码输出模块的输入信号与反比例运算电路倒相输入端相连，反比例运算电路的输出信号再经过一个反比例运算电路处理后，通过交流耦合器与输出端子连接。

更进一步的，所述输出单元还包括显示模块和告警模块。

更进一步的，所述信号接收单元同时接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星输入模块的卫星时钟源，作为主时钟装置的时钟源；所述信号接收单元还接收来自主时钟装置的IRIB-R码光纤输入的时钟源信号，作为扩展时标装置的时钟源。

更进一步的，还包括电源模块，所述电源模块为信号处理单元供电。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的输出单元含有8种信号输出模块，其中，整体模块中由拨码开关实现B码直流、串口信号、秒时分脉冲信号的切换，充分利用了设备，减少了元器件的使用个数，降低了成本；24V有源脉冲输出模块通过跳线针脚能够选择输出PPH、PPM、PPS这三个信号中的一个信号通过光电隔离输出，光电隔离能够有效的保护同步时钟不受外界设备的干扰，保证了输出的稳定性和准确性；无源脉冲输出模块通过跳线针脚的两次选择，最终通过光电隔离输出信号，通过将各种不同标准的输出接口分别模块化，实现输出接口的按需配置，能够解决由于多个授时设备和卫星授时装置使用不充分的冗余问题造成的成本上升和网内设备时钟同步精度不高的问题。

(2)本实用新型包含了主时钟装置和扩展时标装置，主时钟装置同时接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星输入模块的卫星时钟源，作为时钟源信号；扩展时标装置接收来自主时钟的IRIG-B码光纤输入的时钟源，作为时钟源信号，保证了同一网内时钟源的唯一性。

附图说明

图1为本实用新型主时钟装置示意图；

图2为本实用新型扩展时标装置示意图；

图3为本实用新型信号接收板示意图；

图4为本实用新型扩展时标装置的接收板卡；

图5为本实用新型三合一输出模块电路图；

图6为本实用新型24V有源脉冲输出模块电路图；

图7为本实用新型跳线针脚配置方式示意图；

图8为本实用新型无源脉冲输出模块电路图；

图9为本实用新型交流B码输出模块电路图；

图10为本实用新型B码光纤输出模块电路图；

图11为本实用新型NTP网络输出模块系统硬件架构图；

图12为本实用新型NTP网络输出模块外围电路图；

图13为本实用新型NTP网络输出模块微处理器PPLA振荡器电路图；

图14为本实用新型NTP网络输出模块微处理器PPLB振荡器电路图；

图15为本实用新型NTP网络输出模块复位电路原理图；

图16为本实用新型NTP网络输出模块总体流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进一步进行描述。

实施例1

本实施例提供了一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，包括信号接收单元、信号处理单元、电源模块、总线和输出模块。信号接收单元将接收到的时钟源信号输送给信号处理单元，信号处理单元与总线双向通信连接，通过总线将处理过的信号送到输出单元，输出单元与现场装置连接，电源模块与信号处理单元连接。

其中，授时系统包括主时钟装置和扩展时标装置，结合图1和图2所示，主时钟装置的信号接收单元同时接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星输入模块的卫星时钟源作为主时钟装置的时钟源；扩展时标装置的信号接收单元接收来自主时钟装置的IRIB-R码光纤输入的时钟源信号，作为扩展时标装置的时钟源。

特别的是，本实施例中的输出单元包含信号输出模块、显示模块和告警模块。信号输出模块包括直流、交流、光纤IRIG-B码输出模块，串口信号输出模块，24V有源、无源脉冲输出模块，秒时分脉冲输出模块和NTP网络输出模块，并且可以根据现场需要，在总线板上选择需要插接的其中一种或多种信号输出模块。

将直流IRIG-B码输出信号、串口输出信号、秒时分脉冲输出信号这三个输出信号作为一个整合模块，并且设置有拨码开关，通过拨码开关实现信号切换。如图5所示，总线板接口侧采用32针脚设计，使其与总线单元配合。针脚32输出为B码直流信号，通过开关S1选择；针脚11-12输出为串口信号，通过开关S2选择；针脚5-10为脉冲信号，通过开关S3选择，其中，针脚5-6输出为PPS秒脉冲信号，通过开关S6选择，针脚7-8输出为PPM分脉冲信号，通过开关S5选择，针脚9-10输出为PPH时脉冲信号，通过开关S4选择。

其中，32针脚总线板的输出信号通过拨码开关选择后与一个外设驱动器SN75452B的输入端相连，该外设驱动器输出端1Y和2Y分别控制4个光耦合器，共控制8个光耦合器，每一个光耦合器都与一个RS422/RS485芯片MAX13088EEPA相连，从而完成TTL电平到485电平的转换。

24V有源脉冲输出模块的输入信号为秒分时脉冲信号，电路图结合图6所示，总线板接口侧采用32针脚设计，其中5-6号针脚输出为PPS秒脉冲信号，7-8号针脚输出为PPM分脉冲信号，9-10号针脚输出为PPH时脉冲信号。

其中，秒分时脉冲信号与三个外设驱动器SN75452B的输入端连接，分三路输出PPS、PPM和PPH脉冲信号，共输出两组PPS、PPM和PPH脉冲信号，每组脉冲信号都分成8路信号接入跳线针脚，共输出16路信号，输出信号经过跳线针脚的2号引脚通过光电隔离输出信号，光电隔离能够有效地保护同步时钟不受外界设备的干扰。并且通过跳线针脚可以任意选择配置的方式，选择最终的输出信号为PPS、PPM或PPH，其中跳线针脚的任意配置方式如图7所示。

无源脉冲信号输出模块的输入信号为秒分时脉冲信号，电路图结合图8所示，总线板接口侧采用32针脚设计，其中5-6针脚输出为PPS秒脉冲信号，7-8号针脚输出为PPM分脉冲信号，9-10号针脚输出为PPH时脉冲信号。

PPM分脉冲与PPS秒脉冲信号接入一级跳线针脚J17，当一级跳线针脚J17连接1-2针脚时选择通过PPM分脉冲信号，连接2-3针脚时选择通过PPH时脉冲信号。被一级跳线针脚J17选择通过的脉冲信号分两路接入外设驱动芯片SN75452B，同时将总线板接口侧5-6脚引出的PPS秒脉冲信号分两路接入外设驱动芯片SN75452B；通过外设驱动器针脚2Y输出PPS秒脉冲信号，1Y输出经过1级跳线针脚选择通过的PPM秒脉冲或PPH时脉冲信号，两路成一组分为8路连接二级跳线针脚，两个外设驱动器的输出信号共分成16路，PPS秒脉冲信号和被一级跳线针脚选择通过的信号经过二级跳线针脚二次选择后，通过光电开关隔离输出最终信号，有效保证信号不被干扰。

交流B码信号输出模块的电路图结合图9所示，总线板接口侧采用32针脚设计，针脚31号引出B码控制信号，与比例系数为1的反比例运算电路倒相输入端相连；反比例运算电路的输出信号分成8路，每路单独接入二次运放电路，并通过交流耦合器隔离输出信号，最终输出为1KHZ调制信号，高电平峰值为10V，低电平峰值为3.3V，输出阻抗为600欧姆。

B码光纤电路信号输出模块的电路图结合图10所示，总线板接口侧采用32针脚设计，使其与总线单元配合。共产生6路直流B码光纤输出TTL电平，接口为多模ST，图中只示意出了一路。

32号针脚输出B码信号，接入三极管9013作为电流输出器件与HFBR-1414连接作为电流驱动器，为光纤发射器内部的LED提供规定强度的和波形的电流。

NTP网络信号输出模块的总线板接口侧也采用32针脚设计，NTP网络信号由1PPS秒脉冲信号和串口报文信号共同处理所得，即4-5针脚输出1PPS秒脉冲信号，11-12针脚输出串口报文信号。系统采用ARM处理器嵌入Linux系统来实现NTP协议，通过网络提供精确的授时服务。

由此可见，将上述各种不同标准的输出接口分别进行模块化设计，实现了输出接口能够按需配置的问题，不仅解决了由于工业系统中设备接口繁多而造成的装置使用不充分的问题，能够降低设备成本，而且还对各个模块进行了设计优化，通过拨码开关、跳线针脚选择输出的方式选择输出信号，并在电路中设置有光电隔离或光耦合器，能够有效的保护同步时钟不受外界设备的干扰，保证了输出的稳定性和准确性。

实施例2

基本同实施例1，本实施例的主时钟装置的信号接收单元采用MotoroalGPS接收模块M12系列接收器和北斗卫星接收器，同时接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星输入模块的卫星时钟源，作为时钟源信号；扩展时标装置的信号接收单元采用IRIG-B码光纤输入模块，接收来自主时钟装置的IRIB-R码光纤输入的时钟源信号，作为扩展时标装置的时钟源信号，保证了同一网内时钟源的唯一性。

另外，信号接收单元采用单片机ATMEGA1280作为主处理器。其中卫星信号经下变频得到中频信号，经A/D转换后得到数字信号，再经数字下变频转换为基带信号，随后通过解扩、帧同步、译码以及延时补偿得到绝对时间信息和1PPS秒脉冲信号。对B码输入接口接入的IRIG-B码光纤信号进行解码，产生1PPS秒脉冲信号并提取绝对时间信息。

实施例3

本实施例基本同实施例2，特别的是，本实施例中的信号处理单元选用DSP数据处理器TMS320F2812做主控制器，主控制器控制本地晶振使其输出准确的10MHz时钟信号，再通过倍频芯片倍频至100MHz时钟信号返回至主控制器作为时钟参考信号。

将信号接收模块产生的1PPS秒脉冲信号和本地晶振分频输出的1PPS秒脉冲信号通入数字鉴相器，将得到的差值送入PID调节器，利用PID调节器的输出端控制本地晶振，完成脉冲输出校正，从而实现本地晶振对接收到的1PPS秒脉冲信号的跟踪，完成本地晶振的驯服。当信号接收模块产生的1PPS秒脉冲信号失效时，可利用驯服晶振提供的高精度脉冲完成高精度守时。

将1PPS秒脉冲信号和提取出的绝对时间信号经过主处理器处理成各种标准的时间信号同时输出到总线模块上的特定针脚上，包括秒分时脉冲输出信号，直流B码输出信号，B码交流输出信号，B码光纤输出信号，串行报文输出信号和NTP网络输出信号。

实施例4

本实施例基本同实施例3，特别的是，如图3所示，时钟装置的总线模块在设计时都采用可拼接的模块化设计，信号输出板插接至总线板，GPS卫星信号接收板卡插接端子J1_3，北斗卫星信号接收板卡插接端子J2_3，电源板1、2分别插接端子J8_3和端子J9_3，报警输出板卡插接端子J10_3，而脉冲、串口、B码、网络等信号输出板卡可灵活插接到端子J3_3、J4_3、J5_3、J6_3、J7_3上，信号输出板块与总线板接口配合设计且全部相同，采用双排插针的设计方式，间距为1.5mm。

扩展时标装置的总线模块的不同之处在于端子J1_3插接扩展时标接收板卡，端子J2_3插接信号输出板卡，如图4所示，这就使得扩展时标装置的信号板卡扩展至6个。

实施例5

基本同实施例4，本实施例中的电源模块采用DOF60A-5V工业电源模块，该工业电源有着较宽的电压输入范围，有过流、过压保护。

为了增加系统的可靠性，还设计了外围电路，如图12所示，外围电路包括两个并联的电容C₄和C₅。

如图11所示为系统硬件架构图，该系统主处理器采用工业级芯片AT91RM9200，是基于ARMV4架构的小端处理器，芯片AT91RM9200内置一个慢振荡器、主振荡器、两个PLL振荡器PLLA和PLLB，PLLA和PLLB振荡器电路如图13和图14所示。本系统使用无源晶振X₁和X₂作为系统的主振荡器和慢时钟振荡器，X₁为18.432MHz，X₂为32.768kHz。晶体振荡电路用于向AT91RM9200和其他外设电路提供时钟，晶体振荡器产生的系统主时钟和慢时钟基准经过微处理器内部两个PLL后，产生系统所需的各种工作时钟。

其中，芯片AT91RM9200与时钟电路、复位电路、SDRAM接口电路、NORFLASH接口、DM9161E接口电路等电路双向通信连接，与电源电路、串口时间信息等电路单向连接。

复位电路如图15所示，该复位电路中的VCC端与RESET端通过R₆₇、R₆₈、R₇₀连接。采用看门狗芯片IMP813ESA工业级芯片，具有看门狗输入端，当芯片的程序异常时，芯片具有集成看门狗功能的监控器可触发复位。

NORFLASH接口电路：系统采用NorFlash JS28F128作为系统的数据和程序存储器，和AT91RM9200连接时将nBYTE位置高，此时地址线A1成为最低地址，Flash存储器工作于16位模式。将地址线接到AT91RM9200的A₁～A₂₃位，数据线依次接于处理器D₀～D₁₅即可进行16位操作。将芯片片选端接在ARM处理器的NCS0上，芯片的寻址地址为0x10000000-0x10ffffff共计16M寻址空间。

SDRAM接口电路：SDRAM存储器采用海力士公司的HY57V56162OCT，使用两片级联成32位总线宽度，充分利用了处理器32位位宽。

AT91RM9200自带SDRAM控制器，将BA0和BA1接到AT91RM9200的BA0和BA1上来控制bank的选通。将两片的UDQM分别接到NBS1和NBS3上作为高字节的选通线，将LDQM分别接到NBS0和NBS2上作为低字节的选通，实现两片级联，四字节的选通。同时将芯片片选信号和处理器NCS1相连，SDRAM的起始地址即为0x20000000。

DM9161E接口电路：AT91RM9200本身带有以太网控制器，兼容IEEE802.3协议标准,具有对网上数据帧的控制功能，接合物理层数据传输芯片DM916E来完成对网上数据的接收解码和数据帧编码发送任务。

系统软件的总体流程图如图16所示，系统软件的主要功能模块包括串口时间信息输入模块，PPS中断处理模块以及NTP协议实现模块三部分组成。

本实用新型所述实例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，包括信号接收单元、信号处理单元、总线和输出单元，所述信号接收单元将接收到的时钟源输送给信号处理单元，信号处理单元与总线双向通信连接，通过总线将处理过的信号送到输出单元，输出单元与现场装置连接，其特征在于：所述输出单元包括直流IRIG-B码输出模块、交流IRIG-B码输出模块、光纤IRIG-B码输出模块、秒时分脉冲输出模块、24V有源脉冲输出模块、无源脉冲输出模块、串口信号输出模块、NTP网络信号输出模块其中的一种或多种连接。

2.根据权利要求1所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：直流IRIG-B输出模块、串口信号输出模块、秒时分脉冲输出模块这三个信号输出模块为一个整体模块与现场装置连接，整体模块中设置有切换信号的拨码开关。

3.根据权利要求2所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：整体模块的输入信号通过拨码开关选择后与外设驱动器连接，外设驱动器的两个输出端的输出信号都分成4路，每路输出信号通过光耦合器与RS422或RS485芯片连接，芯片的输出端与输出端子连接。

4.根据权利要求1所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述24V有源脉冲输出模块和无源脉冲输出模块的脉冲信号都通过跳线针脚与输出端子相连。

5.根据权利要求4所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述24V有源脉冲输出模块的输入信号与外设驱动器连接，外设驱动器输出6路秒分时脉冲信号，3路成一组，每组信号都通过跳线针脚选择输出后再通过光电隔离开关与输出端子连接。

6.根据权利要求4所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述无源脉冲输出模块的输入信号通过一个跳线针脚与外设驱动器的输入端连接，外设驱动器输出4路信号，2路成一组，每组信号都通过跳线针脚选择输出后再通过光电隔离开关与输出端子连接。

7.根据权利要求1所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述交流IRIG-B码输出模块的输入信号与反比例运算电路倒相输入端相连，反比例运算电路的输出信号再经过一个反比例运算电路处理后，通过交流耦合器与输出端子连接。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述输出单元还包括显示模块和告警模块。

9.根据权利要求8所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：所述信号接收单元同时接收来自北斗卫星输入模块和GPS卫星输入模块的卫星时钟源，作为主时钟装置的时钟源；所述信号接收单元还接收来自主时钟装置的IRIB-R码光纤输入的时钟源信号，作为扩展时标装置的时钟源。

10.根据权利要求9所述的一种可自组态输出的扩展式北斗授时系统，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块为北斗卫星输入模块、GPS卫星输入模块、B码光纤输入模块、信号处理单元、信号输出模块、显示模块和告警模块供电。

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