用GPS同步地鐵時鐘系統(tǒng)-

1、城軌交通用GPS 同步地鐵時鐘系統(tǒng)譚明勇3方薇33隋志國333摘要:利用全球定位系統(tǒng)(G PS 同步地鐵時鐘系統(tǒng),介紹了用G PS 進行時間同步的原理,并結合北京地鐵的實際應用介紹了G PS 同步儀的設計及應用。關鍵詞:G PS 地鐵時鐘系統(tǒng)同步中心一級母鐘Abstract :Synchronize the clock system through the G lobal P osition System (G PS in subway is studied ,the principle of time 2synchronization according to the theory of G

2、 PS is introduced ,and a G PS synchronizing instrument using in Beijing subway is als o dealt with.K ey w ords :G PS ,Subway clock system ,Synchronizing ,Central primary master clock 3青島市廣播電視科研所高級工程師,266071山東青島33北京地鐵總公司通信信號段高級工程師,100088北京333青島市廣播電視科研所研究員,266071山東青島地鐵時鐘系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的一個基本組成部分,為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的定時同

3、步信號,使整個地鐵執(zhí)行統(tǒng)一的定時標準,確保通信系統(tǒng)及其他重要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。1地鐵時鐘系統(tǒng)的構成地鐵時鐘系統(tǒng)使用G PS 技術進行同步時間校準,采用控制中心(OCC 及車站(車輛段2級組網(wǎng)方式?？刂浦行脑O置有標準時間信號接收單元、中心一級母鐘、中心接口和網(wǎng)絡管理終端等;車站(車輛段設置有車站接口、二級母鐘和時間顯示單元(簡稱子鐘等。中心一級母鐘依靠接收外部標準時間信號來校準,避免產(chǎn)生累計誤差;中心一級母鐘通過中心接口定時向二級母鐘發(fā)送時間編碼信號,以校準二級母鐘;中心一級母鐘提供嚴格同步的時碼輸出,能夠在整秒時刻給地鐵其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時標信號(包括日期和時間信息。圖1是北京地鐵時鐘系統(tǒng)的構

4、成框圖。其中G PS 定時同步儀位于系統(tǒng)最前端,它接收G PS 衛(wèi)星信號,從中解出標準時間信號,用來同步中心一級母鐘。考慮到地鐵環(huán)境的特殊性,中心一級母鐘A 、B 2套,互為主備,并能自動倒換。中心一級母鐘的時間碼信號經(jīng)不同的中心接口產(chǎn)生不同的信道編碼,分別傳往地鐵各線路,校準各個車站的二級母鐘。二級母鐘同步于中心一級母鐘,控制本站內(nèi)的所有子鐘 。圖1北京地鐵時鐘系統(tǒng)的構成框圖另外,G PS 定時同步儀還輸出2048kH z 標準頻率信號,用于同步其他通信系統(tǒng),這樣既保證了整個地鐵系統(tǒng)的時間是統(tǒng)一的,同時與國家標準時間相比也是準確的,極大地滿足了各個系統(tǒng)的要求。2GPS 定時同步儀的開發(fā)采用G

5、 PS 2OE M 接收板,配上自行開發(fā)的計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),以構成實用的G PS 系統(tǒng)。G PS 2OE M 板將接收解譯的導航電文,經(jīng)串行口輸出送給用戶計算機。71用G PS 同步地鐵時鐘系統(tǒng)譚明勇,方薇,隋志國所有的G PS 2OE M 接收板都輸出NME A 20183和二進制2種數(shù)據(jù)格式。NME A 20183格式由美國國家海洋電子學會制定,采用ASC 碼,各公司的OE M 板輸出的NME A 20183格式基本相同,目前已得到廣泛應用。這種統(tǒng)一的格式方便了用戶對G PS 2OE M 板的二次開發(fā)。計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)判讀NME A 20183語句,從中解譯出定位、定時信息。GG A

6、是最常用的NME A 20183語句,輸出G PS 定位數(shù)據(jù)和定時數(shù)據(jù)。定時同步儀主要是讀取該語句。北京地鐵時鐘系統(tǒng)采用的G PS 2OE M 接收板,有12個并行接收通道,可跟蹤視野中最多的12顆衛(wèi)星。具有2個串行口,缺省設置下串口1自動以NME A 20183格式輸出導航定位數(shù)據(jù),且按RS232標準接口的4800baud/s 、8位數(shù)據(jù)、無奇偶校驗、1位起始位和1位停止位輸出,每秒輸出1次。串口1也可接收用戶的控制信號。該接收板還具有秒脈沖(1PPS 和10kH z 標準信號輸出。本系統(tǒng)最重要的是在GG A 語句中輸出的時間碼和1PPS 。圖2G PS 定時同步儀結構以G PS 2OE M

7、 板為基礎的G PS 定時同步儀結構如圖2所示。G PS 射頻前端接收G PS L 1波段的導航電文,其片內(nèi)集成了低噪聲前置放大器、VC O 、多路輸入開關、分頻器、AG C 、P LL 等多個功能單元,用外接的濾波器濾取L 1載波,再通過2次變頻處理,最后把采樣的二次中頻和包含數(shù)據(jù)信息的同步正交調(diào)相信號送給DSP 芯片。DSP 芯片是個12通道單片數(shù)字信號處理器,內(nèi)含處理G PS 信號的專用硬件電路,如時頻信號發(fā)生器、G PS 信號處理器自測試單元、頻率溫控單元等。OE M 接收板同時輸出1PPS 和包含日歷時間信息的GG A 語句,其1PPS 與UT C 嚴格同步,但其GG A 語句有一定

8、的隨機性,即與1PPS 不嚴格同步。作為一個高精度的時鐘系統(tǒng),其輸出信號應保證秒的前沿是準確的,同時其時間數(shù)據(jù)也應是實時的,不應抖動。鑒于此,我們開發(fā)的G PS 定時同步儀的計算機數(shù)據(jù)處理部分,采用了2個單片機同時工作,如圖3所示 。圖3G PS 定時同步儀的計算機數(shù)據(jù)處理部分圖單片機采用89C51微處理器,主要作用是讀取OE M 板串口1輸出的NME A 20183標準的GG A 語句,軟件不斷讀取串行數(shù)據(jù),判斷到數(shù)據(jù)頭$G PGG A 之后讀入標準UT C 時間碼,并根據(jù)校驗和判斷時碼是否正確。單片機將讀得的時間碼數(shù)據(jù),在2個1PPS 的間隙以并行方式傳送給單片機。單片機讀入時碼并作加1s

9、 的運算,在下一個1PPS 信號到來時,根據(jù)1PPS 信號引發(fā)的中斷,實時地按輸出格式要求編碼串行輸出。其前沿由硬件電路對1PPS 信號整形、整寬之后先行輸出,這樣就可保證串行輸出時碼的精度與G PS 2OE M 板的輸出精確同步,同步精度可以作到1s ,具有穩(wěn)定的開機重現(xiàn)性。單片機和之間的數(shù)據(jù)交換采用并行方式,借鑒了PC 機打印口的通信協(xié)議,通過軟件編程,實現(xiàn)了單片機并行數(shù)據(jù)傳輸,其時序如圖4所示,各信號的定義描述如下。DAV 信號:由單片機控制,其高電平表明數(shù)據(jù)口D 0D 7的數(shù)據(jù)有效,單片機可以讀取。D 0D 7數(shù)據(jù):由單片機寫,單片機讀。ANS 信號:由單片機控制作為應答信號,低電平表

10、示空閑,高電平表示已成功讀完數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€過程為:單片機要傳送數(shù)據(jù)時,首先判斷ANS 信號線的狀態(tài),ANS 為低電平時表示單片機空閑,單片機此時可以送出并行8bit 數(shù)據(jù),同時將DAV 信號線置為高電平;單片機由DAV 信號的高電平觸發(fā),讀入數(shù)據(jù),然后將應答信號置為高,(下轉(zhuǎn)第33頁81鐵道通信信號2002年第38卷第2期通信機械室1通信機械室2通信機械室n ,通信機械室n 至音頻轉(zhuǎn)接通信站間有另一條自愈環(huán)備用通道。在通信實現(xiàn)光纖接入網(wǎng)的條件下,這種通信是可靠的;在未實現(xiàn)光纖接入網(wǎng)的地方,則無法用備用通道實現(xiàn)自愈環(huán),而且多個車站通信機械室設備相應連接很難保證正常的通信。114撥號上網(wǎng)通信

11、當調(diào)度所至各變電所之間無法實現(xiàn)以上3種通信中的任一種時,就只能利用公用電話網(wǎng)以撥號方式進行通信.如圖2 所示。圖2撥號上網(wǎng)通信為了使通信不堵塞,調(diào)度所至電話網(wǎng)之間宜有備用通道。這種方式也能實現(xiàn)調(diào)度自動化,但其最大的缺點是數(shù)據(jù)沒有實時性,而且變電所采集設備故障時,要花費較長時間才能建立起正常通信。2調(diào)度所至中心通信站的通信電力調(diào)度所往往與中心通信站間隔數(shù)百米至數(shù)千米,遠遠超出數(shù)據(jù)信號傳輸距離不大于15m (電纜芯線線徑<=0175mm 時的范圍,而且中心通信站至調(diào)度自動化設備往往是以音頻口對接。因此,為了保證能正常通信,在調(diào)度端需加M odem ,即使中心通信站對調(diào)度端使用數(shù)據(jù)口也要用數(shù)據(jù)

12、M odem 。另一種情況是當調(diào)度所與中心通信站的距離不超過1000m 時,可將M odem 改為RS485(全雙工通信時可轉(zhuǎn)為RS422,但RS485本身不帶電源,需從通信設備的音頻板端子獲取9V 電源才能正常運行,音頻板電路可能受到損害,因此采用RS485不盡合理。3通信機械室至變電所的通信沿線車站通信機械室至變電所的距離不超過1000m 時,可以采用以上的調(diào)度所至中心通信站的通信方式,而且通信機械室對外端口要與中心通信站相應地同為音頻口或數(shù)據(jù)口。當通信機械室至變電所的距離超過1000m 時,就可考慮采用光纜線路上光電轉(zhuǎn)換設備,實現(xiàn)高質(zhì)量的傳輸。電力調(diào)度自動化系統(tǒng)需要有高質(zhì)量的信道,近年來

13、隨著鐵路通信接入網(wǎng)技術的實現(xiàn)而迅速發(fā)展起來。另外,調(diào)度所設備及終端采集設備與通信設備的接口較豐富,它因通信設備制式、廠家的不同存在較大的差異,不同的設備需配備具體相應的接口才能正常運行。不過,對于不同拓樸結構的通信網(wǎng),M odem 具有動態(tài)分配數(shù)據(jù)的功能。它能對信道傳送能力(S/N 進行識別,自適應地把數(shù)據(jù)傳送速率調(diào)整在600b/s ×2n -1,其中,n =1,2,3。(收稿日期:2001211202(上接第18頁再進行必要的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和存儲;單片機通過ANS 信號得知單片機讀完數(shù)據(jù)后,恢復數(shù)據(jù)有效位,等待;單片機處理完數(shù)據(jù)后再將ANS 應答信號置低電平,此時又可以進行下一個8bit 數(shù)據(jù)的傳輸 。圖4并行數(shù)據(jù)傳輸時序圖另外,G PS 接收板還具有10kH z 標準頻率信號輸出,本應用中設計了2048kH z 信號發(fā)生模塊,用于通信系統(tǒng)的同步,其