（测试计量技术及仪器专业论文）时间同步冗余系统的研制.pdf

摘要 对于一个进入信息社会的现代化大国，时间信息的准确与否，直接关系到人们的日常 生活、工业生产和社会发展。现代通信网和电力网建设越来越增强了对精确时间和频率的 依赖。但目前市场上现存的时间同步设备多局限于单机系统或单时钟源，因此，可靠性不 够高。 针对目前市场上时间同步设备的现状，本文就研制具有高可靠性高准确性的时间同步 冗余系统做了详细的论述。系统采取多冗余配置，增加了设备运行的可靠性，对国民经济 的发展具有重要的意义。 首先，论文详细介绍了系统的总体设计思路和框架，包括各功能模块的设计思想，前 后面板上按键及显示等方面的布局。具体阐述了系统内切换控制单元、解码单元、系统切 换控制器、扩展输出控制器等几大模块的功能及相互联系。接下来根据总体设计框架，对 控制系统进行了相应的硬件部分和软件部分的设计。硬件部分设计了各系统各模块的硬件 电路原理图，包括元器件的选择以及硬件电路是如何实现相应的功能等都做了具体的说 明。软件部分根据硬件电路原理图，对输入输出进行了汇总，并阐述了编程语言的选择及 软件设计的思想，绘制了各功能模块的程序流程图和编写了程序。 另外，论文还对系统中采用的软硬件抗干扰措施作了简单的陈述。 最后，论文对研究的课题进行了总结和展望。 关键词：时间同步；冗余；单片机；解码；切换；扩展输出；时间协议 t h ed e s i g no ft i m es y n c h r o n i z a t i o nr e d u n d a n c es y s t e m a b s t r a c t f o ral a r g em o d e m c o u n t r yt h a ti se n t e r i n gi n t oi n f o r m a t i o ns o c i e t y w h e t h e rt i m ei se x a c t i sr e l a t i v et o p e o p l e sl i f e i n d u s t r yp r o d u c t i o n a n d s o c i e t y sd e v e l o p m e n t m o d e m c o m m u n i c a t i o nn e ta n de l e c t r i cp o w e rn e ta r em o r ea n dm o r ed e p e n d i n go ne x a c tt i m ea n d f r e q u e n c y 功ee x i s t i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e sa r em o s t l ys i n g l es y s t e mo rs i n g l et i m e s o u r c e ，s ot h e yh a v en o th i g hr e l i a b i l i t y w i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft i m es y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e ，t h ep a p e rd i s c u s s e sd e t a i l e do n s t u d y i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o nr e d u n d a n c ed e v i c et h a th a sh i g hv e r a c i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y i t i n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yo fd e v i c ea n di ti si m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o u n t r ye c o n o m y t h a tt h es y s t e mt a k e sr e d u n d a n c es c h e m e a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e t a i l e dt h ed e s i g ni d e aa n df l a m ea saw h o l e i n c l u d i n gt h e d e s i g ni d e ao fe v e r yf u n c t i o nm o d u l e a n dt h el a y o u to ff r o n tp a n e la n db a c kp a n e l a n dt h e f u n c t i o no fs w i t c hc o n t r o lc e l lt h a ti n s i d et h es y s t e m ，d e c o d e s y s t e m ，s y s t e ms w i t c hc o n t r o l d e v i c e a n de x t e n do u t p u tc o n t r o ld e v i c ea n dc o n t a c t i o na m o n gt h e m t h e na c c o r d i n gt ot h e w h o l ed e s i g nf r a m e t h ep a p e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ew h o l e c o n t r o l s y s t e m n l ep a r t o fh a r d w a r e d e s i g n s t h ec i r c u i t p r i n c i p l ef i g u r e o fe v e r y s y s t e m ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fc o m p o n e n ta n dt h ei n s t r u c t i o no fh a r d w a r ep r i n c i p l ef i g u r e a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ep r i n c i p l ef i g u r e ，t h ep a r to fs o f t w a r ec o l l e c t si n p u ts i g n a l sa n d o u t p u ts i g n a l s ，i n s t r u c t st h es e l e c t i o no fp r o g r a ml a n g u a g ea n ds o f t w a r ed e s i g ni d e a , p r o t r a c t s f l o wc h a r ta n dc o m p i l e sp r o g r a m s t h e nt h ep a p e rm e n t i o n st h ea n t i - j a m m i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h es y s t e m a tl a s t t h ep a p e rc o n c l u d e st h ep r o b l e ma n dm a k e sae x p e c t a t i o no fi t k e yw o r d s ：t i m es y n c h r o n i z a t i o n ；r e d u n d a n c e ；m c u ；d e c o d e ；s w i t c h ；e x t e n d o u t p u t ；t i m ea g r e e m e n t w a n g h o n g ( t e s ta n dm e t rict e c h n o lo g ya n da p p a r a t u s ) s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f z h o ug u o p i n g 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人雀导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容并口致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 鞭做作者( 本人：多矽嘲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论丈被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密彤 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者( 本人签名) ：妙手y 移年月影日 指一引一舭i 唧叩拍穆 致谢 时光飞逝，转眼间，三年的研究生生活即将结束，值此论文完稿之际，谨向所有教诲 我、帮助我、关心我、支持我的人致以我深深的敬意。 本论文是在导师周国平教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学位的近三年时间里， 周老师给予我悉心的指导和教诲，周老师平易近人的长者风范、严谨的科学态度和积极乐 观的生活态度使我终身受益，同时传授了我很多做人、做学问的道理，这切将对我今后 的学习和工作产生巨大的影响! 值此论文完成之际，特向周老师致以我最诚挚的谢意! 在课题研究及实施过程中，我得到了来自南京森宝科技有限公司的张永浩教授、杜斌 教授、傅勇经理、耿志华经理、佘登勇先生的大力支持和无私帮助，他们为我提出了很多 宝贵的意见和建议，同时我还得到了电工教研组时维铎教授及其他各位老师的关心、帮助 和支持，在此，向他们表示我衷心的感谢。 在近三年的研究生求学生涯中，我还要感谢我的师兄眭斌、李胜勇，师妹徐艳，师弟 程圣洋、屈少君、朱博、刘平卫、刘永里以及我的同学赵朋飞、马文杰、吴琼、张瑛、袁 哲，感谢他们给我的支持、关心和帮助。 最后，我特别要向一贯爱护和支持我的家人表示感谢，他们给予我的无私的关爱和包 容是支持我不断努力的最大动力。 第一章引言 1 1 课题来源及研究背景 当前很多行业领域如金融、广播电视、交通、电力等的网络系统都极需要在大范围内 保持系统内的计算机和设备的时间同步和时间准确才能有效地工作。尤其在电力行业，电 网时间同步历来是电力行业普遍关注的问题。时间同步即将各种网络系统内的设备或计算 机的时间信息( 年月日时分秒等) 统一于一个标准时间，或使它们的时间信息与一个基准时 间的偏差限定在一个足够小的范围内。 目前国内电网逐步形成以大机组、超高压和高自动化为主要特征的现代化大电网，电 网运行瞬息万变，发生事故后更要掌握实时信息及时决策处理，只有在统一精确的时钟系 统的控制下各个系统才能准确地记录下事件动作的先后时间，从而为分析事故原因、事故 类型、事故发生发展过程提供可靠依据。为了适应我国电力系统技术的发展，逐步实现全 电网的统一时间，解决厂站自动控制设备及监控系统、调度自动化系统、微机继电保护装 置、电能计费系统等的时间同步问题，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心使 用时间同步系统。在即将出台的中华人民共和国电力行业标准之电力系统时间同步 技术规范中，规定在一个发电厂或变电站只建设一个时间同步系统，所有需要实现时间 同步的设备的同步信号都纳入时间同步系统统一考虑，一般单个设备不单独配备同步标准 时钟。时间同步系统采用统一的时间基准，消除了各装置的时钟偏差，从而保证各装置在 统一时间下运行，为各装置的开关动作分析提供有力保证。 基于上述时间同步系统的重要性，在研制时间同步系统时就要充分考虑其可靠性与准 确性问题。要提高时间同步系统的可靠性与准确性，需要研制时间同步冗余系统。南京的 国电南瑞及南自电气等专门为电力系统提供配电设备的公司根据政策的导向及客户的要 求对时间同步冗余系统的需求也日益增多，因此，时间同步冗余系统有着广阔的市场前景。 1 2 课题的国内外研究现状 时间同步系统即接收空基、陆基无线授时系统或有线授时系统发送的定位、授时等信 息作为外部时间基准信号，对本地钟进行时间同步和钟面校准，输出各种时间同步信号和 时间信息的系统。 按接收授时信号所属系统分类有：a 空基无线授时系统，如美国的g p s 、俄罗斯的 g l o n a s s 、中国的北斗等卫星定位、导航、授时系统等；b 陆基无线授时系统，如b p l 长 波授时系统等；c 有线授时系统，如i r i g b 码授时系统等。由于目前空基无线授时系统 授时准确度和适应性优于陆基无线授时系统，因此目前国内的高精度授时产品多建立在空 基无线授时的基础上，即以卫星导航定位系统发射的信号作为外部时间基准源，时间同步 的应用方式是接收导航卫星发送的无线标准时间信号并采用符合相应规范要求的装置作 为统一时间基准源，再由统一的时间基准源向电网中各类装置提供标准时间。 1 2 1 目前世界上几个主要的卫星导航定位系统 1 ，全球定位系统( g p s ) 由美国于1 9 9 4 年全部建成投入使用的g p s 全球定位系统，目前由3 0 颗( 4 颗为备份 星) 在轨卫星组成，能在全球范围内向任意多的用户提供高精度、连续、实时的三维测速、 三维定位及授时服务，现已发展成为目前世界上应用范围最广的主流卫星定位导航系统。 g p s 播发两种独立信号：c a 码和p 码。p 码用于精密服务，仅给军方或授权的用户使用； c a 码用于普通服务，供一般用户使用。早期g p s 系统对民用信号的定位精度进行了人为 限制，只有1 0 0 米左右，但随着2 0 0 0 年后取消这一限制，目前g p s 可以提供的民用信号 定位精度为1 0 米左右。 g p s 卫星已经发展了两代，目前最新的型号为g p si i r m 和g p si i f ，分别由洛克希 德马丁公司和波音公司制造。 g p si i r - m 卫星已经成功发射了3 颗。这种卫星采用了改进的天线，可以提供更大的 信号功率，以便于地面接收机接收信号。另外，g p si i r m 除了可以广播以前的军民用信 号外，还增加了两种新的军用信号和第二种民用信号。新的两种军用信号提高了定位精度， 并增强了抗干扰能力；第二种民用信号则采用了与第一种不同的频率，可以消除地球电离 层引起的导航误差。 更新的g p si i f 卫星将进一步提高定位精度和抗干扰能力，并增加第三种用于民航运 输业的民用信号。 2 、全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 全球卫星导航系统( g l o n a s s ) 由苏联于2 0 世纪7 0 年代开始建设，并于1 9 9 3 年启用。 该系统由2 4 颗卫星组成，主要应用于军事领域。与美国的g p s 系统相比，g l o n a s s 系统 采用了不同的轨道和信号频率，更注重对高纬度地区的覆盖，而且具有较强的抗干扰能力。 前苏联解体后，继承了g l o n a s s 系统的俄罗斯一度因为经济困难而无法为到寿失效的 卫星发射替代卫星，使系统的在轨卫星数量急剧下降，严重影响了其使用效能。 近年来，随着俄罗斯经济状况的好转和卫星导航定位市场的蓬勃发展，俄罗斯已经开 始重建g l o n a s s 系统，并积极将该系统向全球民用市场推介。到2 0 0 6 年整个系统已恢复 到1 7 颗卫星运行，按照计划，俄罗斯预计于2 0 1 0 年左右使卫星数量达到”满员”状态。 目前g l o n a s s 系统的民用信号定位精度为3 0 米，与美国的g p s 系统( 民用信号精度 1 0 米) 和欧洲”伽利略”系统( 民用信号精度1 米) 尚有一定的差距。 3 、伽利略全球导航卫星系统( g n s s ) 长期以来，全球卫星导航定位市场一直是美国一统天下，蕴含着巨大的经济利益。欧 盟不愿意放过这个赚钱的机会，也担心美国停止提供卫星信号带来的经济、军事损失，所 以欧洲自1 9 9 9 年就开始酝酿开发自己的全球卫星定位系统。经过数年探索和论证，2 0 0 2 年3 月，欧盟正式决定启动“伽利略”计划。 但在计划启动5 年后，由于自身存在的一些机制性问题使得整个计划进展缓慢。由于 中标的欧洲各大企业无法就费用和分工问题达成一致，使得伽利略计划陷入困境。到2 0 0 8 年年初为止，“伽利略”计划仅在2 0 0 5 年发射了1 颗导航试验卫星。 2 0 0 8 年4 月2 3 日，欧洲议会通过了“伽利略”全球卫星导航系统的最终部署方案，这 标志着为期6 年的“伽利略”计划基础设施建设阶段正式启动。根据2 0 0 8 年4 月2 3 日公布 2 的方案，“伽利略计划将分两个阶段实施：2 0 0 8 - - 一2 0 1 3 年的建设阶段和2 0 1 3 年以后的 运行阶段。欧盟将在建设阶段发射3 0 颗卫星。 伽利略空间系统由3 0 颗卫星组成，其中工作卫星2 7 颗、冗余备份3 颗，卫星定位于 3 个圆形中轨道平面，高度1 5 0 0 0 英里，轨道倾角5 6 。伽利略系统建成后，将比现行的 g p s 系统有更大的优越性，不仅全球的覆盖面更全面，并且定位精度要比g p s 提高l o 倍 以上。 伽利略系统还有一个优越之处是，它不像g p s 和g l o n a s s 系统那样由一国的国防部门 掌控，将是由跨国民用组织控制管理，政治方面的使用风险小。 4 、北斗卫星导航定位系统( b d ) 中国先后在2 0 0 0 年1 0 月3 1 日、2 0 0 0 年1 2 月2 1 日和2 0 0 3 年5 月5 日发射了3 颗 北斗静止轨道试验导航卫星，组成了北斗区域导航系统。该系统具备在中国及其周边地区 范围内的定位、授时、报文和g p s 广域差分功能。 随着应用领域的日益扩大，中国卫星导航定位的市场规模从2 0 0 0 年的不到1 0 亿元增 长到了2 0 0 5 年的1 2 0 亿元。在此背景下，中国已经开始建设自己的”北斗”全球卫星导航 系统。 2 0 0 7 年4 月1 4 日，中国又发射了一颗北斗导航卫星，这是一颗围绕地球旋转的卫星。 由于这颗卫星的发射，中国第二代北斗导航系统建设计划浮出水面。 北斗全球卫星导航系统的空间段将由5 颗静止轨道卫星和3 0 颗非静止轨道卫星组成， 可提供开放服务和授权服务两种服务方式。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授 时服务，定位精度为1 0 米，授时精度为5 0 纳秒，测速精度0 2 米秒。授权服务是向授 权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。逐步将服务区域 从中国及周边地区扩展到全球。 1 2 2 卫星授时系统工作原理 1 、g p s 定位授时原理 g p s 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综 合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星 载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到 用户所经历的时间，再将其乘以光速得到( 由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用 户与卫星之间的真实距离，而是伪距( p r ) ：当g p s 卫星正常工作时，会不断地用1 和0 二进制码元组成的伪随机码( 简称伪码) 发射导航电文。g p s 系统使用的伪码一共有两种， 分别是民用的c a 码和军用的p ( y ) 码。c a 码频率1 0 2 3 m h z ，重复周期一毫秒，码间距1 微秒，相当于3 0 0 m ；p 码频率1 0 2 3 删z ，重复周期2 6 6 4 天，码间距o 1 微秒，相当于 3 0 m 。而y 码是在p 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状 况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来， 以5 0 b s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6 s 。前三帧各 1 0 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共1 5 0 0 0 b 。导航电文中的内容 主要有遥测码、转换码、第1 、2 、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到 导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再 利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在w g s - 8 4 大地坐 标系中的位置速度等信息便可得知。 可见g p s 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机 使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x 、y 、z 外，还要 引进一个t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4 个方程将这4 个未知数 解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4 个卫星的信号。 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内 卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至 几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫星状况等。 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差 及大气传播误差，故称为伪距。对0 a 码测得的伪距称为u a 码伪距，精度约为2 0 米左右， 对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 米左右。 g p s 定位的基本原理就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空 间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t 时刻在地面待测点上安置 g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间a t ，再加上接收机所接收到的卫星星 历等其它数据可以确定以下四个方程式： 【o q 司臼i 聊伍母l 岫吲叫卅恻 雹锄嘲删l 岫吲叫卅岫 喃司伽雹鲥l 咀卜a o 峨扣由 阻目锄期阡伍埘l 岫暇聊卅确争呐 卫星 卫星2卫星3 4 y jz ) 上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和v t o 为未知参数，其中d i = c x t i ( i = l 、 2 、3 、4 ) 。 d i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的距离。 t i ( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接收机所 经历的时间。 c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 x i 、y i 、z i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的 空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 4 v ti ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由 卫星星历提供。 v t o 为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v t o 。 2 、北斗定位授时原理 “b d 一号系统的工作原理是“三球交会测量原理 ，即：以位置已知的两颗地球 同步卫星为两个球心，以它们分别到用户的距离( 要完成的测量量) 为半径可以作两个球 面；以地球的球心为中心，以地球的半径加上用户的高程为半径作出第三个球面，三个球 面的交会点排除其镜象点即为用户的位置。 “b d 一号”系统的定位工作过程是：首先 由地面中心站向两颗地球同步卫星发送确定格 式的询问信号，两颗地球同步卫星将询问信号 广播转发给服务区域内的各种用户机。当用户 机接收到一颗地球同步卫星转发的信号以后， 飓圆 自动搜索、捕获和稳定跟踪该卫星信号。经过 一定的信息处理和时延后，再按确定的格式同j 。 时向两颗地球同步卫星播发自己的应答信号。? 两颗地球同步卫星将其应答信号转发到地面中 j 心站。地面中心站接收到该应答信号以后，测 ： 1 、由于美国的g p s 卫星定位系统起步较早，在技术上也比较成熟，且拥有全天候、 高精度、高效率、多功能、覆盖全球、操作简便、应用广泛等特点，因此目前世界上包括 我国在内最广泛使用的时间基准信号源就是美国的g p s 卫星定位系统发射的授时信号。现 在各行各业绝大多数的时间同步系统都是采用美国g p s 卫星定位系统发射的授时信号和 标频信号作为标准时间和标准频率的基准源。有的时间同步冗余系统，也都是建立在g p s 上的称为双g p s 冗余系统。这类系统对于建立了g p s 卫星系统的美国而言，应该说可以发 挥它的最大优势。g p s 卫星系统发射的时间信息目前是免费提供，但并不承诺永久免费， 一旦采取收费或被加上民用误差的话，对于其它国家，就可能会在未来的使用中受到各种 各样的限制，中国自然也是这种情况。因此，在中国目前使用双g p s 时间同步冗余系统尚 可，但长远考虑，是存在着很大的安全隐患的。 2 、其次，还有部分使用俄罗斯的g l o n a s s 卫星定位系统的授时信号作为时间基准源 的时间同步系统，以及g p s g l o n a s s 互备冗余的系统。基于前面所述g l o n a s s 的很多局限 性，因此，在考虑使用国外的卫星系统时，完全可以考虑以用g p s 卫星系统为主。 3 、考虑到国家的安全性，我国近年来也着手研究了自己的卫星导航定位系统即“北 斗”系统。相比较美国的g p s 系统，我国的北斗系统起步较晚，且是一覆盖中国及周边地 区的区域卫星定位系统，从后备技术等很多方面还不够成熟，且卫星接收机模块相比较 g p s 的卫星接收机而言价格昂贵。但目前在授时方面，北斗系统达到的精度跟g p s 系统的 精度是相仿的。 在对前面几个卫星作过利弊分析后，考虑到使用美国g p s 卫星系统的局限性，因此在 研制时间同步冗余系统时，尤其对于我国的用户来说，就需要考虑采用我国北斗卫星系统 发射的时间信息作为时间基准源。采用北斗卫星定位系统发射的授时信号作为外部时间基 准源或是以接收北斗信号为主的时间同步冗余系统虽也有开发，但由于北斗接收机价格昂 贵，因此这样的系统的开发为数相对较少，技术也不成熟，多为单机系统。 1 3 课题研究的目的和意义 综合国内外的研究现状可知目前市场上该类产品大多数单机( 单纯以g p s 或北斗时间 信号为时间基准源) 时间同步系统或双g p s 时间同步系统虽具有一定的可靠性，但一旦单 机系统出现故障或者g p s 关闭或被加上民有误差，则整个对时系统将无法运行或无法正常 运行，这样系统运行的可靠性、安全性就无法得到保证。 鉴于时间同步系统在电网中的重要性以及电力在国计民生和国家安全上的重要性，用 于电力系统的时间同步系统，必须充分考虑其可靠性与稳定性问题。因此，研制具有高准 确性、高可靠性的时间同步冗余系统一方面有利于打破我国信息技术领域对g p s 等系统的 过度依赖；另一方面对于确保我国电力系统安全平稳运行乃至对国民经济发展、国防科技 建设及国家安全等各方面都具有着战略性的意义。 1 4 课题研究的主要内容 6 l 、鉴于国内外时间同步设备的现状，在此基础上对时间同步冗余系统进行总体设计， 并选择合适的卫星信号接收机、天线、c p u 、显示屏及各种相关的电子元器件。 2 、根据时间同步系统的性质和功能，选取性价比较高的芯片，在保证驱动能力、信 号隔离等情况下，采用模块化设计的思想，对整个系统进行分模块设计。 在本课题中主要进行以下几大模块的设计： ( 1 ) 主机系统 主机系统包括系统内北斗c p s 切换控制单元及系统内解码单元两大部分( 主机系统 可单独使用，也可以与另一相同主机系统冗余使用) ： a 系统内北斗c p s 切换控制单元 在本切换控制单元中，主要通过对北斗或g p s 接收机的状态、主机系统内解码单元的 状态信息的判断，完成北斗或g p s 接收机的切换控制，同时送出该主机的整体的状态信息 至系统切换控制器。 b 系统内解码单元 本单元是用于接收北斗或g p s 的串口信息及秒脉冲信息，解码成各种格式的时间协 议，送至总线或直接输出。另外，在前期的工作中，本单元已经做好的部分包括频率综合 产生常用的频率信息、信息的显示以及输出解码单元的状态信息至系统内切换控制单元。 ( 2 ) 系统切换控制器 本单元主要完成的功能是通过总线读取来自两个配置完全相同的主机系统的时间、频 率及状态信息，实现两个系统间的切换，包括手动切换和自动切换；将各系统各模块的工 作状态信息、切换信息等通过指示灯的亮灭进行相应的指示；适当的时候输出蜂鸣器报警 信息。 ( 3 ) 扩展输出控制器 本单元主要是接收来自系统切换控制器选择输出的各种时间、频率信息，转换为 r s 2 3 2 r s 4 8 5 r s 4 2 2 电平、t t l 电平或静态空接点等输出方式，以供给不同的校时设备校 时之用。 3 、由于时间同步系统使用的环境比较复杂，各种干扰因素较多，因此在研制过程中 要注意采取措施提高整个系统的抗干扰能力。 4 、利用汇编语言来编写控制系统的软件，进行综合调试，记录相应的调试数据，对 于调试过程中遇到的问题再采取相应的措施预以解决。 1 5 课题研究的创新点 为提高时间同步系统的可靠性与准确性，时间同步冗余系统采用多冗余配置结构。 l 、时间基准源冗余 现有时间同步系统多为g p s 卫星授时信号作为时间基准源，而本系统是以我国北斗卫 星授时信号作为主时间基准源，g p s 信号备用，内部高稳定性时钟在卫星信号均接收不良 时守时，实现了三种时间基准源冗余。 2 、双系统冗余 7 现有的时间同步系统多为单主机系统，本设备使用双主机系统冗余，两套主机系统配 置完全相同，每套系统均含三种时间基准源冗余，u p ：i t ：斗、g p s 、系统内部时钟源。本冗 余系统中，卫星授时时钟源为北斗和g p s ，为增加其使用的范围，可根据使用区域和情况， 适时替换为世界上其它几种卫星授时时钟源。当该冗余系统用于中国及可以接收n 二l t ：斗信 号的中国的周边国家时，可采用以下形式：此双系统中其中一个系统为以北斗为主、g p s 或其它任一个卫星授时时钟源为辅的形式。当该冗余系统用于美国时，可采用以下形式： 其中一个系统为以g p s 为主、北斗或其它任一个卫星授时时钟源为辅的形式。当该冗余系 统用于俄罗斯时，可采用其中一个系统为以g l o n a s s 为主、北斗或g p s 等其它任一个卫星 授时时钟源为辅形式的双系统。当其中一个系统出现故障时，可无扰切换至另一个完全相 同的系统上工作。因此，采用双系统的意义主要有以下几点：一方面提高整个系统运行的 可靠性；另一方面通过不同的配置，增加系统的通用性、兼容性，拓宽其应用的领域和范 围。本论文中主要讨论的是双系统中的一个系统是以北斗为主、g p s 为辅的形式。 3 、系统内外均使用切换控制 现有的时间同步系统中由于不存在上述双系统切换问题，因此无外部切换器单元，而 本机既要用到系统内切换控制单元，即实现b d g p s 时间基准源的切换，在系统外则采用 系统切换控制器，实现两套完全相同的主机系统间的切换。 4 、双电源冗余 对于系统的电源部分，由于用于电力系统的时间同步系统，通常需要长年不间断工作， 因此电源的故障率会比较高，目前市场上的该类产品多为单电源供电，为进一步保证系统 的安全可靠运行，时间同步冗余系统采用双电源互备冗余，每套系统及切换器均采用双电 源供电。 5 、包含较全的时间输出协议 目前国内现有的产品中扩展输出部分只包含了国内外部分对时规约，本课题研究的时 间同步冗余系统要尽量涵盖国内外各种对时规约，以方便不同用户选择使用。 上述冗余配置将极大的增加系统无故障运行的时间，提高了整个系统的安全性和可靠 性，可以充分满足各种用户的要求。 8 第二章时间同步冗余系统的总体功能设计 2 1 本章概述 本章对整个时间同步冗余系统各单元要完成的功能、前后面板的外观设计及与内部功 能的联系等都做了具体的介绍。时间同步冗余系统主要由以下几大部分组成： l 、主机系统。 2 、系统切换控制器。主要用于主机即时间同步系统间的切换控制。 3 、扩展输出控制器。主要控制各种时间协议信息以不同的方式输出。 注：以下论文中“叻”为“北斗”的缩写，“脚”为“i r i g - b 码”的缩写，将不再另行说明。 系统总体结构框图如下所示： b d i 接收机 解码b d l g p s l 切 _ f f 换控制单元 单元l g p s i 接收机 l b d 2 接收机 乙 b d 2 g p s 2 切 4 d , 解码 g p s 2 接收机l 广 换控制单元 幡 单元2 ”i 2 2 时间同步冗余系统主机 主机系统包括系统内b d g p s 切换控制单元及系统内解码单元两部分。主机主要是完 成b d g p s 接收机信号的选择切换、时间信息的解码输出及各种信息的显示功能。 2 2 1 主机前面板介绍 1 、前面板布置示意图如图2 1 所示 9 图2 1 前面板布置示意图 ( 1 ) 液晶显示屏1 ：6 位l c d 显示器，显示测量的周波数。 格式为：x x x x x h ，单位为赫兹。 ( 2 ) 液晶显示屏2 ：8 位l c d 显示器，用于显示接收机的状态，时间，日期，安全运 行天数，经度，纬度，工频钟时间，钟差。 ( 3 ) 1 p p s 指示l e d ：接收机跟踪时，每秒闪烁一次。 ( 4 ) 位数键：预置安全天数，选择预置天数。 ( 5 ) 数字键：预置安全天数，改变每位的数值。平时用于向上翻页显示( 2 ) 中所述的 内容。 ( 6 ) 显示键：用于向下翻页显示时间，日期，安全运行天数，经度，纬度，工频钟面。 ( 7 ) 电源开关 2 、显示及按键功能 把天线馈线接到后面板天线输入插座上，按需要将输出信号用合适的电缆与各终端设 备接好。把电网的交流2 2 0 v 电压接到后面板的周波数插座上。 把电源接到2 2 0 v 交流电源上，接通电源开关 两块液晶屏的低二位分别显示h p ，表示机器初始化工作正常，正在搜索g p s 卫星。 数秒钟后6 位l c d 显示周波数，1 p p s 指示灯闪烁，8 位液晶屏有数字显示，接收机状态位 显示a 时，表示接收机正常跟踪，所有信号可以使用。 ( 1 ) 翻页显示 翻页显示使用前面板上的显示键( 向下翻页) 和数字键( 向上翻页) 接收机跟踪后八位液晶屏显示当前的时间和接收机的状态，即： a - 删：删：s s l 一时分秒 其中a 表示接收机的状态正常。 l 表示信号丢失或接收的卫星少于4 颗或其它告警，一表示熄灭，下同。按一 次显示键，则显示日期，即： a - y y 姗叻 年月日 再按一次显示键，则显示安全运行天数，即： a 一 一 一d d d d 表示天数 再按一次显示键，则显示经度，即： d d d m m m 删 1 0 度分 再按一次显示键，则显示纬度，即： d d 删m 聊 度分 再按一次显示键，则显示工频钟时间，即： a - h h ：删：s s l 时分秒 再按一次显示键，则显示钟差( 标准钟一工频钟) ，即： x x x x ) ( ) ( 单位为秒 按住显示键3 秒，松开后，则显示回到标准钟面。 ( 2 ) 安全运行天数的预置和清除 安全运行天数的预置和清除使用前面板上的位数键和数字键。 预置方法是： a 在正常时间显示的情况下，按住位数键不放，持续时间3 秒钟以上，然后松开， 此时显示四位安全运行天数。 a - - - d d d d 这时最左边的一位数字闪动，表示可以调整这位数，这时按一下数字键，这位数字就 加1 ，直到达到预置要求的数字为止。 b 再按位数键3 秒钟以上，然后松开，闪动的数字移到右边第二位数字，这时不断 按动数字键，直到数字正确为止。 c 按同样的方法调整右边数第三位和第四位的数字。 d 当四位安全运行天数都调正确后，再按位数键3 秒钟以上，然后松开。 显示屏恢复正常的时间显示，这时安全运行天数就预置完毕。此后安全运行天数每天 加l 。 清除的方法是： 同时按下位数键和数字键3 秒钟以上，然后松开，这时安全运行天数清除为0 0 0 0 。 2 2 2 主机后面板介绍： 后面板示意图如图2 2 所示 1 23 45 图2 2 后面板布置示意图 1 1 6 ( 1 ) b d g p s 天线输入插座。 b d 及g p s 接收机置于主机内，通过天线接收卫星信号。主机内b d g p s 切换控制单元 接收来自b d 和g p s 接收机的信息，包括串口信息和秒脉冲信息，当这两种信息有任一个 不正常时，则认为该接收机工作不正常。根据这些信息的情况自动选择工作正常的一台接 收机的信息，送入解码单元，供解码单元解成各种格式的时间信息输出；当b d 和g p s 接 收机均工作正常时，按优先级排列以b d 接收机的信息为最高优先级；当b d 或g p s 接收机 有一个工作不正常时，则自动切换至正常的接收机；当系统内b d g p s 接收机工作状态均 不正常时，则认为该主机系统状态不正常，同时切换控制单元还接收来自解码单元的状态 信息，作为判断该主机系统状态正常与否的一部分。送出主机系统的状态信息至总线。 在系统切换器的前面板设置b d g p s 切换按键和工作指示灯( 见系统切换器说明) ，系 统切换器通过总线读取主机系统的切换及状态信息。 ( 2 ) a 组1 6 路端子输出包括：2 路- 1 p p s 输出( t t l 电平) 、2 路一1 p p m 输出( t t l 电 平) 、1 路- 1 p p h 输出( t t l 电平) 、4 路r s 2 3 2 输出、4 路r s 4 8 5 输出。( 此输出可根据需 要调整) 。 ( 3 ) b 组冗余输出( 与系统切换控制器输入端相连) 。 ( 4 ) 保险丝插座。 ( 5 ) 周波测量。 ( 6 ) 电源输入( 1 1 0 2 2 0 v ( a c d c ) ) 。 2 3 系统切换控制器 通过总线读取来自两个主机中b d g p s 切换控制单元的信息及解码出的时间信息，通 过判断，对双系统即两个主机进行切换。当所有信息接收模块均工作正常时，在没有手动 切换的情况下，按优先级顺序输出最高优先级模块的输出信息。本系统中，以系统1 中的 北斗信号为最高优先级，依次为b d l 、b d 2 、g p s l 、g p s 2 。 设手动和自动切换方式，自动切换即按工作状态及优先级次序进行切换。手动切换方 式中，包括系统1 与系统2 的切换、b d l 与g p s l 的切换、b d 2 与g p s 2 的切换，要根据它 们的工作状态来进行切换。所有系统工作状态均正常时，可自由切换至任一系统；若任一 系统工作状态不正常时，手动将无法切换至该系统。若两个系统均工作不正常，则蜂鸣器 发出报警信号。 2 3 1 前面板介绍 c v i ，、l j 。；i ，j 5 m 铺士寺出“盟 ) i l h n ，l 刁b ，j 髟啊工巾u 酋哥 切换器选择选择输出i输i b i i输出i i i1 p p s状态 o n b d li g p s l i b d 2 g p s 2 输出 妒 f， f 图2 3 系统切换器前面板 1 2 切换器前面板有各系统工作指示灯及切换开关，说明如下： 1 、电源开关：0 n 表示接通电源，o f f 表示关断电源。 2 、切换器电源指示灯：指示灯亮，表示切换器电源接通。 3 、系统选择在用指示灯：表示两个系统的在用状态。指示灯亮，说明该系统处于在 用状态；指示灯灭，说明该系统处于不在用状态。 4 、b d g p s 选择在用指示灯：两个系统中均包含有b d g p s 在用指示灯，指示灯亮， 说明该系统中该模块在用；指示灯灭，说明该系统中该模块机不在用。 5 、状态指示灯：指示系统l 中b d l 和g p s l 、系统2 中b d 2 和g p s 2 运行状态、几种 输出的时间信息的运行状态。灯亮表示运行状态正常，灯灭表示运行状态不正常； 6 、输出信息指示灯：表示切换器所选的工作主机系统对应的选择及状态等信息的指 示。正常时，应与所选择的主机同步钟信号相同。 7 、系统1 系统2 ( 自动手动) 切换按键：当两系统均工作正常时，按键弹起时处于 自动切换状态，根据以下优先级次序选择相应的系统工作：b d l 、b d 2 、g p s l 、g p s 2 ；按键 按下时选择系统2 工作。当有任一个系统工作不正常时，切换键不起作用。 8 、b d g p s 切换按键：当某系统中b d 和g p s 接收机均正常工作时，按键弹起时选择 肋输出信息，按键按下时选择g p s 输出信息。当有任一个接收机工作不正常时，切换键 不起作用，自动切换至正常模块工作。 9 、报警：当两个系统均工作不正常时，蜂鸣器报警。 2 3 2 后面板介绍 图2 4 系统切换器后面板 1 、冗余输入口a ： d b 2 5 ) 与系统1 中的输出信息相连，作为系统1 主机输入端。 2 、冗余输入口b ：( d b 2 5 ) 与系统2 中的输出信息相连，作为系统2 主机输入端。 3 、冗余输出口c ：( d b 2 5 ) 系统切换器输出信息，用来与扩展输出控制器的输入相接。 4 、冗余输出口d ：( d b 2 5 ) 系统切换器输出信息，用来与扩展输出控制器的输入相接。 5 、保险丝：保险丝座，装2 a 保险丝。 6 、电