CN212134958U - 时间服务器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种时间服务器装置，包括CPU、时钟锁相时间同步FPGA芯片、GPS卫星接收模块、北斗卫星接收模块、铷钟晶振振荡模块和卫星天线，卫星天线通过GPS卫星接收模块和北斗卫星接收模块与时钟锁相时间同步FPGA芯片相连接，时钟锁相时间同步FPGA芯片与CPU、铷钟晶振振荡模块双向连接，所述CPU与以太网通信接口相连接。所述时间服务器装置授时精度准确，兼容性高，支持LIUX操作系统，能够指定卫星优先级，数据处理吞吐量大，保证Intranet/Internet内所有的计算机时间同步，支持多种协议，寻星时间小，防止非法获取时，且内置高精度时钟，GPS信号丢失情况下仍可输出标准时间信号。

Description

时间服务器装置

技术领域

本实用新型涉及一种授时GPRS/北斗卫星通信装置，尤其是涉及一种时间服务器装置。

背景技术

在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合相关标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时(UTC)同步，最起码在一个局域或城域网络内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。在这里我们主要介绍互联网时间同步技术及产品，也就是通过支持以太网NTP协议的网络时间服务实现网络时间同步。

时间的基本单位是秒，它是国际单位制(SI单位制)的七个基本单位之一。1967年的国际计量大会(CGDM)给出了新的秒定义：“秒是铯133(133Cs)原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192 631 770个周期所持续的时间”，即“原子秒”(TAI)。现在常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。

目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟其频率复现性为5×10－15，已接近国际先进水平。其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度。不同的应用对准确度的要求是不同的，下表列举了一些典型的应用对时间准确度的要求(应用界面时间相对于UTC时间的误差)。

一些典型的应用对时间精度的应用：

应用	时间精度要求
		用于银行、证券、股票和期货交易的计算机和服务器	1秒
电力线故障诊断	1微秒
		交换机及计费系统	1秒
CDMA2000和TD-SCDMA	10毫秒
		网管系统	500毫秒
7号信令监测系统	1毫秒

时间同步网络技术

目前有多种时间同步技术，每一种技术都各有特点，不同技术的时间同步精度也存在较大的差异，如下表所示：

各种常用的时间同步技术：

时间同步技术	准确度	覆盖范围
			短波授时	1～10毫秒	全球
长波授时	1毫秒	区域
			GPS、北斗	5～500纳秒	全球
电话拨号授时	100毫秒	全球
			互联网授时(NTP)	1～50毫秒	全球
SDH传输网授时	100纳秒	长途

(1)长短波授时时间同步技术

利用无线电信号授时已经具有80多年的历史，国际上长波授时主要使用罗兰-C系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于军事和导航，尚不民用。

(2)电话拨号时间同步技术

电话拨号授时(ACTS)使用的设备相对简单，只需电话线、模拟调制解调器、PC及客户端软件即可。目前这种计算机主要用于校准家庭个人计算机时间，同时不具备实时性。

(3)GPS、北斗时间同步技术

全球定位系统GPS是美国卫星导航系统，GPS发送美国海军天文台的UTC(USTU)，为全世界用户提供时间服务，美国海军天文台的UTC由20多个铯原子钟形成，这种时间源完全能够达到通信网内各种设备时间同步的精度要求。

GPS目前是应用最为广泛的时间源获取方式，存在着价格上的优势，但有一点不可忽视，GPS是由美国控制。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，美国政府从未对GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证。

随着工业行业的发展，由我国自主研发的北斗卫星导航系统在电力、电信、冶金等系统中的应用已逐步成熟，已逐步形成与美国GPS抗衡的局面。同时，作为工业系统基本配置的时间同步系统，更是关系到中国工业建设与安全的整个大局。北斗导航系统的成功应用，解决了目前工业系统时间同步应用中的三大难题：提供可靠的备用时钟源；实现全网时间同步；实现远程监测与维护，并结束了我国工业运行时间完全依赖美国GPS全球定位系统的历史，使得以往缺乏安全保障的“美国授时”变为“中国授时”。

(4)互联网时间同步技术

使用互联网同步计算机的时间是十分方便的，目前这种方式在局域网内得到广泛的应用。微软公司已将网络时间协议(NTP)嵌入到Windows XP系统中，只要计算机能联网，就能进行局域网或广域网内的计算机时间校准。标准的NTP协议采用的是RFC 1350标准，简化的网络时间协议(SNTP)采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64bit的协调世界时(UTC)时间戳，时间分辨率时200ps，并可以提供1～50ms的时间精度(依赖网络负载)。但实验表明这种技术在洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。所以，在庞大的网络中应设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。

另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议(RFC868)和Daytime协议(RFC867)，可以提供1s校准精度的广域网时间同步。

1)SNTP协议：

SNTP是简单网络时间协议(Simple Network Time protocol)的简称，它是目前Internet网上实现时间同步的一种重要工程化方法。SNTP协议采用客户/服务器工作方式，服务器通过接收GPS信号或自带的原子钟作为系统的时间基准，客户机通过定期访问服务器提供的时间服务获得准确的时间信息，并调整自己的系统时钟，达到网络时间同步的目的。客户和服务器通讯采用UDP协议，端口为123。

2)NTP协议

Network Time Protocol(NTP)是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源(如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正(LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒)。

实用新型内容

本实用新型提供了一种时间服务器装置，解决了以下问题：

(1)以太网NTP/SNTP虽解决了网络同步时钟协议的网络传输问题，但并没有一个统一的时间源，时钟同步与时间同步的时间源问题就需要解决。

这里指的时钟同步设备的硬件时钟的时间源，正常情况下，硬件时钟以GPS/北斗信号为时间源，如果GPS信号丢失，硬件时钟与铷原子钟振荡器同步，直到GPS/北斗信号恢复，从新切换到GPS/北斗时间源。这两种时间源之间的切换是自动完成的，可以在相当长时间的内保证内部硬件时钟的精度。

这里的时间同步主要指设备内部NTP管理程序的时间参考，正常情况下NTP管理程序的时间优先取自于本机的硬件时钟，当硬件时钟漂移量大于设定值时(GPS/北斗信号丢失，长时间依赖铷钟自守时的情况)，NTP管理程序的时间将自动切换到参考另外1个有效的NTP管理程序。

(2)需要考虑整个时间同步网络的授时层级问题，以分层主从结构模式运行。

在整个网络中运用NTP进行时间同步和分配所涉及的设备和通路的集合称为时间同步子网络。时间同步子网络以分层主从结构模式运行，作为专用的时间服务器，在时间同步子网络系统中处在最高层，为所有的低层设备提供同步信息。

时间同步网络理论上根据其精确度和重要性一般分为从0－15的共16个级别。级别编码越低，精确度和重要性越高。时间的分配自级别编码小的层次向较大的层次进行，即由第0级向第15级分配渗透。时间服务器处于第1级的设备，GPS系统/铷钟是时间服务器的上一级时间源，所有直接访问时间服务器的设备是第2级的设备。

(3)网络同步的NTP的通信模式技术问题。

时间服务器与其他设备的NTP访问以客户机和服务器方式进行通信。每次通信共计两个包。客户机发送一个请求数据包，服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有时间戳。NTP根据这两个数据包代的时间戳确定时间误差，并通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的影响。

NTP要求的资源开销和通信带宽很小。NTP采用UDP协议，端口号设定为123。UDP占用很小的网络带宽，在众多客户机和少许服务器通信时有利于避免拥塞。NTP数据包的净长度在V3下为64个字节，V4下为72个字节；在IP层分别为76和84个字节。HJ210和其他作为客户机的设备采取点对点的通讯方式，自动通信间隔将在指定的范围内变化(一般是64秒到1024秒)，同步情况越好，间隔就越长。另外，也可以在客户机通过手动随时进行通讯。

针对不同情况，时间同步有两种不同的模式步进(step)同步和微调(slew)同步。假如系统没有对时间敏感的应用，第一次同步时可以采用step方式直接把时间修正到位；假如有对时间敏感的应用而且应用不能停止，则采用slew方式慢慢调整，每秒调整为0.5ms。

(4)时间同步精度技术问题。

时钟服务器接收GPS卫星信号，与卫星同步精度优于50纳秒。

如采用铷原子钟保持时间，保持的精度为1E-9，也就是说一年的偏差是小于60ms。如果采用经过驯服的铷原子钟，保持精度可以达到1E-11，偏差会更小。

(5)NTP客户端的配置技术问题。

对于Unix、Linux等操作系统的客户机，需启动NTP的后台运行程序(可以在专业的NTP网站(http://www.ntp.org)下载免费或共享软件，必要时需向有关操作系统的厂家咨询)。

对于Windows的操作系统等客户机，可以使用Windows自带的客户端软件。对于路由器等网络设备，参照说明书或咨询厂家后完成NTP时间配置。

其技术方案如下所述：

一种时间服务器装置，包括CPU、时钟锁相时间同步FPGA芯片、GPS卫星接收模块、北斗卫星接收模块、铷钟晶振振荡模块和卫星天线，卫星天线通过GPS卫星接收模块和北斗卫星接收模块与时钟锁相时间同步FPGA芯片相连接，时钟锁相时间同步FPGA芯片与CPU、铷钟晶振振荡模块双向连接，所述CPU与以太网通信接口相连接。

所述CPU通过MII接口和以太网通信接口连接，通过通用异步收发传输器和时钟锁相时间同步FPGA芯连接。

所述时钟锁相时间同步FPGA芯片通过通用异步收发传输器和GPS卫星接收模块连接，通过通用异步收发传输器和北斗卫星接收模块连接，通过通用TTL电平信号和铷钟晶振振荡模块连接。

所述CPU采用ARM9为内核的iMAX28X芯片。

所述北斗卫星接收模块采用符合国际标准的卫星接收LEA-4H芯片。

所述铷钟晶振振荡模块采用铷钟MY102模块。

所述时钟锁相时间同步FPGA采用EP1C3T144C8芯片。

所述卫星天线模块设置有DC5V有源卫星天线接口。

所述以太网通信接口102采用8384芯片。

所述时间服务器装置授时精度准确，兼容性高，支持LIUX操作系统，能够指定卫星优先级，数据处理吞吐量大，保证Intranet/Internet内所有的计算机时间同步，支持多种协议，寻星时间小，防止非法获取时，且内置高精度时钟，GPS信号丢失情况下仍可输出标准时间信号。

附图说明

图1是所述时间服务器装置的结构示意图；

图2是所述iMAX28X芯片的以太网收发电路示意图；

图3是网线接口电路示意图；

图4是GPS卫星接收模块的电路示意图；

图5是北斗卫星接收模块的电路示意图；

图6是铷钟晶振振荡模块的电路示意图；

图7是时钟锁相时间同步FPGA的电路示意图；

图8是卫星天线模块的插座接口示意图；

图9是以太网通信接口的电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，所述时间服务器装置包括CPU 101、时钟锁相时间同步FPGA芯片103、GPS卫星接收模块104、北斗卫星接收模块105、铷钟晶振振荡模块106和卫星天线107，卫星天线107通过GPS卫星接收模块104和北斗卫星接收模块105与时钟锁相时间同步FPGA芯片103相连接，时钟锁相时间同步FPGA芯片103与CPU 101、铷钟晶振振荡模块106双向连接，所述CPU 101与以太网通信接口102相连接。

具体来说：

所述CPU 101通过MII接口和以太网通信接口102连接，并通过这个以太网口下载数据；

所述CPU 101通过通用异步收发传输器(串口)和时钟锁相时间同步FPGA芯片103连接，进行数据交互；

所述时钟锁相时间同步FPGA芯片103通过通用异步收发传输器(串口)和GPS卫星接收模块104连接，进行数据交互；

所述时钟锁相时间同步FPGA芯片103通过通用异步收发传输器(串口)和北斗卫星接收模块105连接，进行数据交互；

所述时钟锁相时间同步FPGA芯片103通过通用TTL电平信号和铷钟晶振振荡模块106连接，进行时钟频率接入；

所述GPS卫星接收模块104通过模拟信号和卫星天线107连接，进行GPS卫星数据的采集和接收；

所述北斗卫星接收模块105通过模拟信号和卫星天线107连接，进行北斗卫星数据的采集和接收。

某实施例中，本实用新型描述如下：

如图2和图3所示，所述CPU 101采用ARM9为内核的freescale公司的CPU－iMAX28X为核心的核心板，是支持LIUX操作系统的CPU系统，能够组成技术方案的最小核心系统，通过MII接口(85/86/88/89/90引脚)外接PHY芯片(DP8384芯片)MII以太网接口芯片连接所述以太网通信接口102(36/37/3/4/5引脚)，数字接口，电平为3.3V。软件实现支持NTP服务协议栈，对来自时钟锁相时间同步模块输出的时间数据进行解析并进行时间数据补偿，并把运算的数据结果写入系统时间，供NTP协议服务。实现以太网NTP授时协议服务、同步时间数据分析解析、时间数据补偿算法、根据算法结果对核心CPU的以太网NTP时间进行调整等功能；

以下是ARM9iMAX28X－以太网MII接口引脚的描述：

如图4所示，所述GPS卫星接收模块104采用符合国际标准的卫星接收模块，使用单片机(89LV51)通过串口(18/19引脚，电平3.3V)进行配置控制，输出符合国际标准的秒脉冲及格式的卫星个数、标准UTC时间串口数据(NMEA 0183)等信息，时钟锁相时间同步模块使用；实现GPS卫星个数的搜索、卫星时间数据的接收，时间秒脉冲及同步时间按国际标准串口输出

如图5所示，所述北斗卫星接收模块105采用符合国际标准的卫星接收LEA-4H模块，实现GPS/北斗卫星数据的收数据功能(16引脚，模拟信号，电平500mv)，使用核心板进行配置控制，输出符合国际标准的秒脉冲及格式的卫星个数、标准UTC时间串口数据(NMEA0183)等信息，给时钟锁相时间同步模块使用；实现北斗卫星个数的搜索、卫星时间数据的接收，时间秒脉冲及同步时间按国际标准串口输出(67/66引脚，数字信号，电平3.3V)。

如图6所示，所述铷钟晶振振荡模块106采用精度高的进口铷钟MY102模块，输出时间同步计算准确锁相的时间频率源给时钟锁相时间同步模块；提供卫星失锁后，时间同步计算准确锁相的时间频率源。

如图7所示，所述时钟锁相时间同步FPGA(EP1C3T144C8芯片)103采用FPGA内部的数据锁相环技术，把GPS/北斗输出的秒脉冲和铷钟输出的时间频率进行数字锁相，并把锁相出来的秒脉冲和频率及时间串口数据同步输出给以太网时间算法及NTP协议授时模块；实现GPS/北斗模块秒脉冲和铷钟模块输出频率的数字锁相输出功能，并同步输出GPS/北斗模块时间数据的输出。

如图8所示，所述卫星天线模块107提供DC5V有源卫星天线接口，并通过模拟信号放大器把卫星接收下来的微弱信号进行放大输出给GPS/北斗卫星接收模块进行解编码处理。实现有源卫星天线和GPS/北斗接收模块的接口对接。

如图9所示，所述以太网通信接口102采用(8384芯片)MII接口(36/37/3/4/5引脚)，和CPU芯片按协议进行以太网数据交互。

本实用新型能够实现以下效果：

(1)授时精度：1-10ms；

(2)网口：10/100M自适应以太网，协议兼容：Ethernet 2.0/IEEE 802.3；

(3)CPU核心板：带ARM内核CPU支持LIUX操作系统；

(4)卫星接收机：GPS,北斗双系统,可指定优先级；

(5)守时功能：铷原子钟精度可达1E-12；

(6)吞吐量：可满足每秒2000次时间请求；

(7)输出接口：RS232/485(NMEA 0183)，1PPS；

(8)保证Intranet/Internet内所有的计算机时间同步；

(9)支持协议ARP,UDP,IP,TCP,Telnet,ICMP,SNMP,DHCP,TFTP,NTP,SNTP,Time/UDP；

(10)NTP V4，V3，V2；NTP Server或NTP Client可选择；

(11)12通道GPS接收机，寻星时间小于10秒；

(12)内置高精度时钟，GPS信号丢失情况下仍可输出标准时间信号；

(13)网络较时精度小于10ms；

(14)可用于WIN95/98/ME/NT/2000,Unix,Linux；

(15)提供MD5加密验证，防止非法获取时。

Claims (9)

1.一种时间服务器装置，其特征在于：包括CPU、时钟锁相时间同步FPGA芯片、GPS卫星接收模块、北斗卫星接收模块、铷钟晶振振荡模块和卫星天线，卫星天线通过GPS卫星接收模块和北斗卫星接收模块与时钟锁相时间同步FPGA芯片相连接，时钟锁相时间同步FPGA芯片与CPU、铷钟晶振振荡模块双向连接，所述CPU与以太网通信接口相连接。

2.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述CPU通过MII接口和以太网通信接口连接，通过通用异步收发传输器和时钟锁相时间同步FPGA芯连接。

3.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述时钟锁相时间同步FPGA芯片通过通用异步收发传输器和GPS卫星接收模块连接，通过通用异步收发传输器和北斗卫星接收模块连接，通过通用TTL电平信号和铷钟晶振振荡模块连接。

4.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述CPU采用ARM9为内核的iMAX28X芯片。

5.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述北斗卫星接收模块采用符合国际标准的卫星接收LEA-4H芯片。

6.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述铷钟晶振振荡模块采用铷钟MY102模块。

7.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述时钟锁相时间同步FPGA采用EP1C3T144C8芯片。

8.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述卫星天线模块设置有DC5V有源卫星天线接口。

9.根据权利要求1所述的时间服务器装置，其特征在于：所述以太网通信接口采用8384芯片。

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