專題說明10GPS時鐘對時系統(tǒng)

1、專題10：GPS數(shù)字時鐘對時系統(tǒng)1. GPS 與數(shù)字時鐘裝置FM197的連接FM197是和利時公司自主開發(fā)的16口專用數(shù)字時鐘對時集線器模塊。GPS到FM197采用的是交叉線（根據(jù)GPS的串口管角定義及FM197的管角定義）；FM197到時間服務(wù)器和主FM197到從FM197的連接線定義見5.FM197-B01使用說明，系統(tǒng)方案和原理如下：2. 方案描述圖：系統(tǒng)對時結(jié)構(gòu)圖PGS接收設(shè)備/標(biāo)準(zhǔn)時鐘源2.1系統(tǒng)原理框圖RS232/RS485標(biāo)準(zhǔn)時鐘消息秒脈沖“主”對時集線器FM197-B01RS485標(biāo)準(zhǔn)時鐘消息分脈沖“從”對時集線器FM197-B01對時卡或其它設(shè)備2.2 系統(tǒng)原理描述為了實現(xiàn)硬

2、件對時，需設(shè)計對時集線器和對時卡。對時集線器可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時鐘源并發(fā)送對時分脈沖和消息包;對時卡也可產(chǎn)生時鐘源并能接收對時分脈沖和消息包,控制站，操作站都配有對時卡。對時分脈沖用上升沿作為每分鐘的起點，保持秒高電平，秒低電平，整個系統(tǒng)都以對時分脈沖的上升沿作為對時基準(zhǔn)（即整個系統(tǒng)都在整分時刻進(jìn)行對時）。具體對時過程如下：（1） 系統(tǒng)上電后，對時集線器在每整秒開始后,在下一整秒到來前發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)時間消息包,消息包由年，月，日，時，分，秒組成。（2） 系統(tǒng)服務(wù)器接收該標(biāo)準(zhǔn)時間消息包,校對系統(tǒng)服務(wù)器的時間。（3） 時分脈沖傳送到操作站,控制站的對時卡，脈沖上升沿清零對時卡上的秒，毫秒，同時脈沖上升沿觸發(fā)對時

3、卡和操作站、控制站的中斷，中斷響應(yīng)后，對時卡和操作站，控制站都用已準(zhǔn)備好的消息包刷新時刻分（包括分）以上的時間，而控制站還要發(fā)出對時命令，同時記錄發(fā)出對時命令的起始時間(為了校準(zhǔn)SOE事件的發(fā)生時間)。（4） 對時集線器可實現(xiàn)級聯(lián)，擴展對時系統(tǒng)。3. 設(shè)計要求3.1對時集線器FM197性能指標(biāo)要求為實現(xiàn)上述對時原理，對時集線器FM197應(yīng)滿足以下性能指標(biāo)。（1） 串行通訊與秒脈沖輸入口：1路，帶光電隔離，可兼容RS485/RS232，用作主對時集線器時可接收GPS等標(biāo)準(zhǔn)時鐘源的時鐘信息與秒脈沖，用作從對時集線器時可接收級連時鐘信息與秒脈沖。并可以實現(xiàn)2級級連（見下圖），接口形式為DB9。GPS

4、從HUB主HUB （2） RS485串行通信與對時分脈沖輸出口：15路，分脈沖路路帶光電隔離，其中有一路可設(shè)置為輸出秒脈沖或分鐘脈沖，用作級聯(lián)時輸出時鐘消息和秒脈沖；其余各路用作對時時輸出對時消息包和對時分脈沖，脈沖上升沿作為時間起點，電流環(huán)輸出，傳輸距離不小于 1000m，接口形式為DB9，由于對外的串行通訊為RS485接口，當(dāng)連接服務(wù)器時需外接RS485RS232轉(zhuǎn)換器。 （3） 對時集線器時鐘組成：年，月，日，時，分，秒。其中分，秒通過對時集線器上的時鐘電路產(chǎn)生；時以上（包括時）時間通過對時集線器時鐘電路產(chǎn)生的時間校準(zhǔn)板上時鐘芯片記錄的時間得到。（4） 實時時間顯示：采用1位數(shù)碼管顯示，

5、顯示格式為 年（4位），月（2位），日（2位），時（2位），分（2位），秒（2位）。（5） 實時時間調(diào)整：采用4鍵（SET，SELECT，UP，DOWN）輸入調(diào)整方式。（6） 主從狀態(tài)設(shè)置：為了使所用的標(biāo)準(zhǔn)時鐘源統(tǒng)一，對時集線器需要有主從狀態(tài)設(shè)置（只有主對時集線器可作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源），采用撥碼開關(guān)設(shè)置。（7） GPS或本地時鐘設(shè)置：若是主集線器，則要進(jìn)行此項設(shè)置，采用撥碼開關(guān)設(shè)置（8） 主從LED燈：作為主對時集線器時，LED燈亮；否則，燈滅。（9） 供電電源：220VAC。 （10）時間精度：接GPS時精確到1ms，不接GPS時每小時偏差小于60ms。（11）外型尺寸：寬19”，高1U機架安裝

6、。3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括對時集線器的機殼，前面板，后面板的設(shè)計。（1）機殼 機殼寬度19“，高度1U，深度200mm。（2）前面板14位數(shù)碼管時間顯示4個時間調(diào)整鍵主從燈顯示 （3）后面板16路DB9220VAC4. SOE對時設(shè)計原有對時系統(tǒng)不能達(dá)到控制站站間對時小于2mS的誤差要求，需要重新設(shè)計一種對時方案，該方案需要切實可行，又能滿足站間對時誤差小于2mS的要求。基于上述要求，一種可行的方案是控制站DP主卡直接對時，并下發(fā)對時廣播信息給下屬IO模塊，以滿足對時的需要。4.1方案設(shè)計對時系統(tǒng)配置框圖操作員站工程師站以太網(wǎng)服務(wù)器控制站主控制站SOESOE以太網(wǎng)DPRS232/485

7、秒脈沖RS232/485GPS圖1 對時系統(tǒng)配置示意圖4.2 對時系統(tǒng)原理4.2.1 系統(tǒng)時間對時系統(tǒng)時間對時要求系統(tǒng)的時間在分鐘以上的時間是一致的。當(dāng)站內(nèi)存在GPS時，GPS的時間包信息通過R232轉(zhuǎn)換成RS485接口，與操作員站相連。操作員站每秒接收GPS時間信息，每30秒通過以太網(wǎng)以廣播的方式向其他接點（工程師站、控制站等）發(fā)送對時信息；分鐘以內(nèi)時間由各自接點維護。當(dāng)站內(nèi)沒有GPS時，通過一個控制站（主控制站）產(chǎn)生時間包信息，通過RS485與操作員站相連。操作員站每秒接收時間包信息，每30秒通過以太網(wǎng)以廣播的方式向其他接點（工程師站、控制站等）發(fā)送對時信息；分鐘以內(nèi)時間由各自接點維護。4

8、.2.2 SOE時間對時控制站之間的的SOE對時要求小于1ms，為了達(dá)到這個要求，需要在現(xiàn)有控制站的DP主卡上增加對時功能，以產(chǎn)生分脈沖，同時維護DSP的對時時間。其原理框圖參見圖2。GPS邏輯芯片DSP分脈沖8 DATA8位計數(shù)器CLR8051CLK2K對時請求對時響應(yīng)RTCCLKOUTD觸發(fā)器VCCINCLR圖2 帶對時功能的DP卡原理框圖當(dāng)系統(tǒng)中存在GPS的時候，8051接收GPS的時間信息包和秒脈沖，一方面將時間信息和秒脈沖轉(zhuǎn)發(fā)到下一站鐘，另一方面通過分析和比較，產(chǎn)生嚴(yán)格意義上的分脈沖，當(dāng)分脈沖上升沿到來時，D觸發(fā)器輸出端（OUT）對時請求置高，等待DSP查詢此狀態(tài)；同時8位計數(shù)器清零

9、。當(dāng)DSP查詢到有對時請求時，在廣播對時幀的時，讀取8位計數(shù)器的計數(shù)值，作為分對時廣播的初始值。由于從8051向DSP發(fā)對時請求到DSP下發(fā)對時信息包之間的時間延遲最多只有128mS，在128mS的時間內(nèi)保證站間主卡的時間偏差在1mS以內(nèi)，只需一般的普通晶振就能達(dá)到要求。廣播完畢，DPS將對時響應(yīng)置1，清對時請求信號，在將對時響應(yīng)清0，對時完畢。當(dāng)系統(tǒng)中不存在GPS時，8051讀取RTC的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時間包信息和秒脈沖，供其他站使用。除此以外，同有GPS系統(tǒng)。5. FM197-B01使用說明51 簡介硬件對時系統(tǒng)是為使MACS系統(tǒng)的服務(wù)器，操作站，控制站之間的相對時鐘偏差小于1ms而設(shè)計的。5

10、2 組成整個系統(tǒng)由FB197-B01、FB198板通過雙絞線連接組成。詳細(xì)內(nèi)容可參見硬件對時系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)格書相關(guān)部分。53 顯示時間FB197-B01時間的顯示的顯示采用14位數(shù)碼管顯示，顯示格式為從左至右分別為：年（4位），月（2位），日（2位），時（2位），分（2位），秒（2位）。54 時間的手動設(shè)定通過FM197-B01前面板的按鍵設(shè)定系統(tǒng)時間時,首先,按下“SET”鍵，進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，這時會看到數(shù)碼管顯示的“年”閃動，通過按“UP”或“DOWN”鍵，對“年”進(jìn)行加，減設(shè)定，直到數(shù)碼管顯示的“年”與想要設(shè)定的值相符；如果還要設(shè)定其他時間單元，可通過按“SEL”進(jìn)行選擇，每按下一次“SEL”鍵

11、，會看到數(shù)碼管顯示的閃動時間單元右移一個位置，選擇要設(shè)定的時間單元，用上述設(shè)定“年”的方法進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)所要設(shè)定的時間單元全部設(shè)定完成后，再按下“SET”鍵，則設(shè)定的時間生效，并退出設(shè)定狀態(tài)，數(shù)碼管恢復(fù)正常的時間顯示。設(shè)定時間時注意：1) 可設(shè)定的“年”的范圍：20002099，其他的時間單元在設(shè)定過程中，也是在正確的范圍內(nèi)變動。2) 按下“SET”鍵進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，設(shè)定完成后，一定要再按一次“SET”鍵退出設(shè)定狀態(tài)，否則，系統(tǒng)會一直等待。3) 由于設(shè)定的單元只到“秒”，因此當(dāng)設(shè)定生效后，系統(tǒng)立刻將“秒”以下的時間清零。4) 為了使系統(tǒng)的時間統(tǒng)一,只有主集線器允許進(jìn)行時間的設(shè)定(主從集線器的說明見

12、下一點),從集線器進(jìn)行時間設(shè)定系統(tǒng)不響應(yīng).55 主從狀態(tài)的設(shè)定為了使系統(tǒng)的時間統(tǒng)一，F(xiàn)M197-B01要進(jìn)行主從狀態(tài)的設(shè)定，通過FB197-B板上的撥碼開關(guān)S1的第1位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示“主”， 撥到“ON”狀態(tài)表示“從”，當(dāng)只用1個FM197-B01時，一定是設(shè)為“主”，級連使用時，1個設(shè)為“主”，另1個設(shè)為“從”。由于該狀態(tài)一經(jīng)設(shè)定不會再改變，為了防止誤設(shè)定，撥碼開關(guān)在外殼內(nèi)放置。56 主從狀態(tài)的顯示 FM197-B01前面板有“紅色的LED燈”作為狀態(tài)顯示，燈亮表示“主”， 燈滅表示“從”。57 標(biāo)準(zhǔn)時鐘源的設(shè)定 作為“主”對時集線器，其標(biāo)準(zhǔn)時鐘可由本地時鐘電路產(chǎn)生，也可通過

13、外接GPS產(chǎn)生，由FB197-B板上的撥碼開關(guān)S1的第2位來設(shè)定，撥到“OFF”狀態(tài)表示外接GPS， 撥到“ON”狀態(tài)表示由本地時鐘電路產(chǎn)生；作為“從”對時集線器，該位無關(guān)。58 級連的方法 級連電纜的制作 FM197-B01后面板的第1號D型連接器是“主”對時集線器級連輸出口，第2號D型連接器是“從”對時集線器級連輸入口，可通過級連電纜進(jìn)行連接。連接電纜的制作采用1根5類8芯的UTP電纜和2個9針D型連接器（孔頭）。2個9針D型連接器（孔頭）通過8芯的UTP電纜進(jìn)行連接的連接關(guān)系如下： 9針D型連接器A（第2號口，級連輸入端） 9針D型連接器B（輸出端） 第2針 RS485“” <-&

14、gt; 第2針 RS485“” 第3針 RS485“” <-> 第3針 RS485“” 第5針 地 <-> 第5針 地 第9針 接收秒（分）脈沖 <-> 第7針 分脈沖輸出兩個9針D型連接器的其余針不連接，連接時應(yīng)該將第2針、第3針用1對雙絞線互連，第5針、第9 (另一端是第7) 針用1對雙絞線互連。注意：輸出口第3-16也和第1號口具有同樣的級連功能，電纜連接定義相同。 級連時“從”對時集線器跳線的設(shè)定;級連時“從”對時集線器的跳線JP4、JP5、JP6、JP7應(yīng)短接2，3引腳，即“從”對時集線器只能采用RS485通信級連。59 “主”對時集線器與GPS的

15、連接方法 “主”對時集線器后面板的第2號D型連接器可作為GPS的輸入口，該DB 9的引腳定義采用的是標(biāo)準(zhǔn)的RS232定義，即：第2針 ->發(fā)送；第3針 ->接收；第5針 ->地；第9針作為秒脈沖的輸入腳；當(dāng)需要外接GPS時，可采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口通信電纜，可根據(jù)所使用GPS引腳的定義選擇是用直通型或是交叉型的。黔北電廠使用的是交叉型的。接線如下圖所示：GPS端 FM197端口2第2針 發(fā)送 ->； 第3針 接收第3針 接收 ->； 第2針 發(fā)送第5針 地 ->； 第5針 地第9針 秒脈沖的輸入腳；->； 第9針 秒脈沖的輸入腳 一般GPS提供的都是

16、RS232通訊標(biāo)準(zhǔn)，此時“主”對時集線器的跳線JP4，JP5，JP6，JP7應(yīng)短接1，2引腳。 注意: GPS與對時集線器級連的的距離不超過1.5米.由于使用分脈沖來對齊時間,所以整個對時系統(tǒng)在1分鐘內(nèi)對齊.510 對時集線器標(biāo)準(zhǔn)時間的發(fā)送FM197-B01后面板除了第2號D型連接器外，其余D型連接器都發(fā)送RS485通訊標(biāo)準(zhǔn)的時間信息，時間信息每1秒鐘發(fā)送1次，格式為：0XAA 年 月 日 時 分 秒 年秒的異或和 0XBB，所有的數(shù)據(jù)都是1字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，其中年的范圍是：099，表示20002099年。DB 9的引腳定義為：第2腳 -> RS485“+”；第3腳 -> RS48

17、5“-”，當(dāng)與服務(wù)器的RS232串口連接時，需要根據(jù)上述的引腳定義外接RS485-RS232轉(zhuǎn)換器,使用型號為Model 2485FM的接口轉(zhuǎn)換器。連接電纜制作可采用5類8芯的UTP和2個9針D型連接器（直孔頭）。2個9針D型連接器（孔頭）通過8芯的UTP電纜進(jìn)行連接的連接關(guān)系如下：（注意：不用的引腳不要連接;使用其他型號的轉(zhuǎn)換器制作電纜要注意引腳的定義） 9針D型連接器A 9針D型連接器B 第2針 RS485“” <-> 第2針 第3針 RS485“” <-> 第1針 連接時, 用1對雙絞線互連.作好后的電纜9針D型連接器A插FM197-B01對時集線器一端, 9針D

18、型連接器B插Model 2485FM的接口轉(zhuǎn)換器RS485一端。 511 FB197-B其余跳線的處理JP2，JP8短接，其余（JP1、JP3）不短接。512 FM197-B01后面板9針D型連接器的連接FM197-B01后面板除了第1號，第2號D型連接器外，其余D型連接器（）都可作為對時輸出接口，連接電纜的制作采用1根5類8芯的UTP電纜和2個9針D型連接器（直孔頭）。2個9針D型連接器（直孔頭）通過8芯的UTP電纜進(jìn)行連接的連接關(guān)系如下： 9針D型連接器A 9針D型連接器B 第2針 RS485“” <-> 第2針 第3針 RS485“” <-> 第3針 第5針 地 <-> 第5針 第7針 分脈沖輸出 <-> 第7針 兩個9針D型連接器的其余針不連接，連接時應(yīng)該將第2針、第3針用1對雙絞線互連， 第5針、第7針用1對雙絞線互連。 注意:與FM197-B01后面板9針D型連接器的連接的距離不能超過1000米.513 跳線、撥碼開關(guān)功能設(shè)置兩針跳線序號跳線名稱功能設(shè)置1JP1分脈沖電流設(shè)置斷開，當(dāng)分脈沖連線