专题说明10GPS时钟对时系统

1、专题10：GPS数字时钟对时系统1. GPS 与数字时钟装置FM197的连接FM197是和利时公司自主开发的16口专用数字时钟对时集线器模块。GPS到FM197采用的是交叉线（根据GPS的串口管角定义及FM197的管角定义）；FM197到时间服务器和主FM197到从FM197的连接线定义见5.FM197-B01使用说明，系统方案和原理如下：2. 方案描述图：系统对时结构图PGS接收设备/标准时钟源2.1系统原理框图RS232/RS485标准时钟消息秒脉冲“主”对时集线器FM197-B01RS485标准时钟消息分脉冲“从”对时集线器FM197-B01对时卡或其它设备2.2 系统原理描述为了实现硬

2、件对时，需设计对时集线器和对时卡。对时集线器可产生标准时钟源并发送对时分脉冲和消息包;对时卡也可产生时钟源并能接收对时分脉冲和消息包,控制站，操作站都配有对时卡。对时分脉冲用上升沿作为每分钟的起点，保持秒高电平，秒低电平，整个系统都以对时分脉冲的上升沿作为对时基准（即整个系统都在整分时刻进行对时）。具体对时过程如下：（1） 系统上电后，对时集线器在每整秒开始后,在下一整秒到来前发出标准时间消息包,消息包由年，月，日，时，分，秒组成。（2） 系统服务器接收该标准时间消息包,校对系统服务器的时间。（3） 时分脉冲传送到操作站,控制站的对时卡，脉冲上升沿清零对时卡上的秒，毫秒，同时脉冲上升沿触发对时

3、卡和操作站、控制站的中断，中断响应后，对时卡和操作站，控制站都用已准备好的消息包刷新时刻分（包括分）以上的时间，而控制站还要发出对时命令，同时记录发出对时命令的起始时间(为了校准SOE事件的发生时间)。（4） 对时集线器可实现级联，扩展对时系统。3. 设计要求3.1对时集线器FM197性能指标要求为实现上述对时原理，对时集线器FM197应满足以下性能指标。（1） 串行通讯与秒脉冲输入口：1路，带光电隔离，可兼容RS485/RS232，用作主对时集线器时可接收GPS等标准时钟源的时钟信息与秒脉冲，用作从对时集线器时可接收级连时钟信息与秒脉冲。并可以实现2级级连（见下图），接口形式为DB9。GPS

4、从HUB主HUB （2） RS485串行通信与对时分脉冲输出口：15路，分脉冲路路带光电隔离，其中有一路可设置为输出秒脉冲或分钟脉冲，用作级联时输出时钟消息和秒脉冲；其余各路用作对时时输出对时消息包和对时分脉冲，脉冲上升沿作为时间起点，电流环输出，传输距离不小于 1000m，接口形式为DB9，由于对外的串行通讯为RS485接口，当连接服务器时需外接RS485RS232转换器。 （3） 对时集线器时钟组成：年，月，日，时，分，秒。其中分，秒通过对时集线器上的时钟电路产生；时以上（包括时）时间通过对时集线器时钟电路产生的时间校准板上时钟芯片记录的时间得到。（4） 实时时间显示：采用1位数码管显示，

5、显示格式为 年（4位），月（2位），日（2位），时（2位），分（2位），秒（2位）。（5） 实时时间调整：采用4键（SET，SELECT，UP，DOWN）输入调整方式。（6） 主从状态设置：为了使所用的标准时钟源统一，对时集线器需要有主从状态设置（只有主对时集线器可作为标准时钟源），采用拨码开关设置。（7） GPS或本地时钟设置：若是主集线器，则要进行此项设置，采用拨码开关设置（8） 主从LED灯：作为主对时集线器时，LED灯亮；否则，灯灭。（9） 供电电源：220VAC。 （10）时间精度：接GPS时精确到1ms，不接GPS时每小时偏差小于60ms。（11）外型尺寸：宽19”，高1U机架安装

6、。3.2 结构设计结构设计主要包括对时集线器的机壳，前面板，后面板的设计。（1）机壳 机壳宽度19“，高度1U，深度200mm。（2）前面板14位数码管时间显示4个时间调整键主从灯显示 （3）后面板16路DB9220VAC4. SOE对时设计原有对时系统不能达到控制站站间对时小于2mS的误差要求，需要重新设计一种对时方案，该方案需要切实可行，又能满足站间对时误差小于2mS的要求。基于上述要求，一种可行的方案是控制站DP主卡直接对时，并下发对时广播信息给下属IO模块，以满足对时的需要。4.1方案设计对时系统配置框图操作员站工程师站以太网服务器控制站主控制站SOESOE以太网DPRS232/485

7、秒脉冲RS232/485GPS图1 对时系统配置示意图4.2 对时系统原理4.2.1 系统时间对时系统时间对时要求系统的时间在分钟以上的时间是一致的。当站内存在GPS时，GPS的时间包信息通过R232转换成RS485接口，与操作员站相连。操作员站每秒接收GPS时间信息，每30秒通过以太网以广播的方式向其他接点（工程师站、控制站等）发送对时信息；分钟以内时间由各自接点维护。当站内没有GPS时，通过一个控制站（主控制站）产生时间包信息，通过RS485与操作员站相连。操作员站每秒接收时间包信息，每30秒通过以太网以广播的方式向其他接点（工程师站、控制站等）发送对时信息；分钟以内时间由各自接点维护。4

8、.2.2 SOE时间对时控制站之间的的SOE对时要求小于1ms，为了达到这个要求，需要在现有控制站的DP主卡上增加对时功能，以产生分脉冲，同时维护DSP的对时时间。其原理框图参见图2。GPS逻辑芯片DSP分脉冲8 DATA8位计数器CLR8051CLK2K对时请求对时响应RTCCLKOUTD触发器VCCINCLR图2 带对时功能的DP卡原理框图当系统中存在GPS的时候，8051接收GPS的时间信息包和秒脉冲，一方面将时间信息和秒脉冲转发到下一站钟，另一方面通过分析和比较，产生严格意义上的分脉冲，当分脉冲上升沿到来时，D触发器输出端（OUT）对时请求置高，等待DSP查询此状态；同时8位计数器清零

9、。当DSP查询到有对时请求时，在广播对时帧的时，读取8位计数器的计数值，作为分对时广播的初始值。由于从8051向DSP发对时请求到DSP下发对时信息包之间的时间延迟最多只有128mS，在128mS的时间内保证站间主卡的时间偏差在1mS以内，只需一般的普通晶振就能达到要求。广播完毕，DPS将对时响应置1，清对时请求信号，在将对时响应清0，对时完毕。当系统中不存在GPS时，8051读取RTC的数据，并产生时间包信息和秒脉冲，供其他站使用。除此以外，同有GPS系统。5. FM197-B01使用说明51 简介硬件对时系统是为使MACS系统的服务器，操作站，控制站之间的相对时钟偏差小于1ms而设计的。5

10、2 组成整个系统由FB197-B01、FB198板通过双绞线连接组成。详细内容可参见硬件对时系统产品规格书相关部分。53 显示时间FB197-B01时间的显示的显示采用14位数码管显示，显示格式为从左至右分别为：年（4位），月（2位），日（2位），时（2位），分（2位），秒（2位）。54 时间的手动设定通过FM197-B01前面板的按键设定系统时间时,首先,按下“SET”键，进入设定状态，这时会看到数码管显示的“年”闪动，通过按“UP”或“DOWN”键，对“年”进行加，减设定，直到数码管显示的“年”与想要设定的值相符；如果还要设定其他时间单元，可通过按“SEL”进行选择，每按下一次“SEL”键

11、，会看到数码管显示的闪动时间单元右移一个位置，选择要设定的时间单元，用上述设定“年”的方法进行设定；当所要设定的时间单元全部设定完成后，再按下“SET”键，则设定的时间生效，并退出设定状态，数码管恢复正常的时间显示。设定时间时注意：1) 可设定的“年”的范围：20002099，其他的时间单元在设定过程中，也是在正确的范围内变动。2) 按下“SET”键进入设定状态，设定完成后，一定要再按一次“SET”键退出设定状态，否则，系统会一直等待。3) 由于设定的单元只到“秒”，因此当设定生效后，系统立刻将“秒”以下的时间清零。4) 为了使系统的时间统一,只有主集线器允许进行时间的设定(主从集线器的说明见

12、下一点),从集线器进行时间设定系统不响应.55 主从状态的设定为了使系统的时间统一，FM197-B01要进行主从状态的设定，通过FB197-B板上的拨码开关S1的第1位来设定，拨到“OFF”状态表示“主”， 拨到“ON”状态表示“从”，当只用1个FM197-B01时，一定是设为“主”，级连使用时，1个设为“主”，另1个设为“从”。由于该状态一经设定不会再改变，为了防止误设定，拨码开关在外壳内放置。56 主从状态的显示 FM197-B01前面板有“红色的LED灯”作为状态显示，灯亮表示“主”， 灯灭表示“从”。57 标准时钟源的设定 作为“主”对时集线器，其标准时钟可由本地时钟电路产生，也可通过

13、外接GPS产生，由FB197-B板上的拨码开关S1的第2位来设定，拨到“OFF”状态表示外接GPS， 拨到“ON”状态表示由本地时钟电路产生；作为“从”对时集线器，该位无关。58 级连的方法 级连电缆的制作 FM197-B01后面板的第1号D型连接器是“主”对时集线器级连输出口，第2号D型连接器是“从”对时集线器级连输入口，可通过级连电缆进行连接。连接电缆的制作采用1根5类8芯的UTP电缆和2个9针D型连接器（孔头）。2个9针D型连接器（孔头）通过8芯的UTP电缆进行连接的连接关系如下： 9针D型连接器A（第2号口，级连输入端） 9针D型连接器B（输出端） 第2针 RS485“” <-&

14、gt; 第2针 RS485“” 第3针 RS485“” <-> 第3针 RS485“” 第5针 地 <-> 第5针 地 第9针 接收秒（分）脉冲 <-> 第7针 分脉冲输出两个9针D型连接器的其余针不连接，连接时应该将第2针、第3针用1对双绞线互连，第5针、第9 (另一端是第7) 针用1对双绞线互连。注意：输出口第3-16也和第1号口具有同样的级连功能，电缆连接定义相同。 级连时“从”对时集线器跳线的设定;级连时“从”对时集线器的跳线JP4、JP5、JP6、JP7应短接2，3引脚，即“从”对时集线器只能采用RS485通信级连。59 “主”对时集线器与GPS的

15、连接方法 “主”对时集线器后面板的第2号D型连接器可作为GPS的输入口，该DB 9的引脚定义采用的是标准的RS232定义，即：第2针 ->发送；第3针 ->接收；第5针 ->地；第9针作为秒脉冲的输入脚；当需要外接GPS时，可采用标准的RS232串口通信电缆，可根据所使用GPS引脚的定义选择是用直通型或是交叉型的。黔北电厂使用的是交叉型的。接线如下图所示：GPS端 FM197端口2第2针 发送 ->； 第3针 接收第3针 接收 ->； 第2针 发送第5针 地 ->； 第5针 地第9针 秒脉冲的输入脚；->； 第9针 秒脉冲的输入脚 一般GPS提供的都是

16、RS232通讯标准，此时“主”对时集线器的跳线JP4，JP5，JP6，JP7应短接1，2引脚。 注意: GPS与对时集线器级连的的距离不超过1.5米.由于使用分脉冲来对齐时间,所以整个对时系统在1分钟内对齐.510 对时集线器标准时间的发送FM197-B01后面板除了第2号D型连接器外，其余D型连接器都发送RS485通讯标准的时间信息，时间信息每1秒钟发送1次，格式为：0XAA 年 月 日 时 分 秒 年秒的异或和 0XBB，所有的数据都是1字节的十六进制数，其中年的范围是：099，表示20002099年。DB 9的引脚定义为：第2脚 -> RS485“+”；第3脚 -> RS48

17、5“-”，当与服务器的RS232串口连接时，需要根据上述的引脚定义外接RS485-RS232转换器,使用型号为Model 2485FM的接口转换器。连接电缆制作可采用5类8芯的UTP和2个9针D型连接器（直孔头）。2个9针D型连接器（孔头）通过8芯的UTP电缆进行连接的连接关系如下：（注意：不用的引脚不要连接;使用其他型号的转换器制作电缆要注意引脚的定义） 9针D型连接器A 9针D型连接器B 第2针 RS485“” <-> 第2针 第3针 RS485“” <-> 第1针 连接时, 用1对双绞线互连.作好后的电缆9针D型连接器A插FM197-B01对时集线器一端, 9针D

18、型连接器B插Model 2485FM的接口转换器RS485一端。 511 FB197-B其余跳线的处理JP2，JP8短接，其余（JP1、JP3）不短接。512 FM197-B01后面板9针D型连接器的连接FM197-B01后面板除了第1号，第2号D型连接器外，其余D型连接器（）都可作为对时输出接口，连接电缆的制作采用1根5类8芯的UTP电缆和2个9针D型连接器（直孔头）。2个9针D型连接器（直孔头）通过8芯的UTP电缆进行连接的连接关系如下： 9针D型连接器A 9针D型连接器B 第2针 RS485“” <-> 第2针 第3针 RS485“” <-> 第3针 第5针 地 <-> 第5针 第7针 分脉冲输出 <-> 第7针 两个9针D型连接器的其余针不连接，连接时应该将第2针、第3针用1对双绞线互连， 第5针、第7针用1对双绞线互连。 注意:与FM197-B01后面板9针D型连接器的连接的距离不能超过1000米.513 跳线、拨码开关功能设置两针跳线序号跳线名称功能设置1JP1分脉冲电流设置断开，当分脉冲连线