CN108628157A - 一种复杂环境下的基于vpx板卡的北斗授时和守时*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,能够支持NTP、PTP网络授时功能、支持IRIG‑B码时间输出功能、支持IRIG‑B码输入守时功能、支持内部高稳定晶体的守时功能。本发明包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG‑B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG‑B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域,涉及一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***。
背景技术
随着我国自主研发的二代北斗卫星导航***(Bei Dou Satellite NavigationSystem,BDS)加入到已有的例如全球定位***(Global Positioning System,GPS)等全球导航卫星***(Global Navigation Satellites System,GNSS)授时序列,精密时间应用愈加广泛。
VPX总线较之VME总线,最重要的一个不同就是VPX总线采用了新一代7排MultiGigRT2连接器。MultiGig RT2连接器性能优异,不仅特性阻抗可控,***损耗低,而且在传输速率高达6.25Gbps时,串扰仍小于3%。MultiGig RT2连接器连接紧密而坚固,可以在军事和航空航天等恶劣环境中应用。在守时方面,目前的恒温晶振可按照20ms/月的守时要求,稳定度在7.7e-9,但是如果环境问题范围是-40度到65度的恶劣环境,原子钟能满足要求。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种在复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:
一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块;
北斗RNSS定位模块输出1PPS信号和串口数据到1PPS+串口数据解析模块,1PPS+串口数据解析模块解析出PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
IRIG-B码解析模块接收外部IRIG码流,将IRIG-B码流解析成PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
PTP网络协议解析模块接收外部PTP主时钟,将PTP主时钟解析成PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
多路选择器从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块:
时钟驯服及守时模块的时钟源产生1PPS信号,该信号通过输入的PPS信号完成驯服,并将驯服后的频率准确、相位稳定的PPS信号输出给TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块用于产生不同类型的时间信息。
进一步地,所述选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块采用以下策略:
当北斗RNSS模块时间有效时,优先选用北斗RNSS模块的时间;
当北斗RNSS模块长时间无效时,且IRIG-B码、PTP网络授时同时有效时,优先选用PTP网络授时:当选用PTP网络授时方式时,作为从时钟从网络中解析PTP协议,恢复出1PPS和时间信息,并对内部时间进行修正,此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准;当选用IRIG-B码时,根据IRIG-B码流提取出的时间信息对内部时间进行修正,此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
进一步地,IRIG-B码流通过后插板IRIG-B码输入输出航插,经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块。
进一步地,PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块。
进一步地,当输入的PPS信号无效时,时钟驯服及守时模块输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定,从而达到守时的目的。
本发明的有益效果:
本发明北斗授时和守时***具备1PPS+TOD授时功能;能够支持NTP、PTP网络授时功能;支持IRIG-B码时间输出功能;支持IRIG-B码输入守时功能;支持内部高稳定晶体的守时功能。
附图说明
图1是本发明复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明流程作进一步说明。
如图1所示,本发明的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块;
将北斗B1/B3信号经北斗RNSS模块接收航插输入到北斗RNSS模块,然后由北斗RNSS模块后输出1PPS信号和串口数据,其中1PPS信号指示秒脉冲时刻,串口数据中包括有该脉冲时刻的时间(年月日时分秒毫秒)。
1PPS+串口数据解析模块接收RNSS定位模块中解析出PPS信号和时间信息,PPS信号输出给多路选择器。
IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块接收来自外部设备的时间信息(IRIG-B码通过后插板IRIG-B码输入输出航插经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块,PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块),然后解析成PPS信号和时间信息,其中PPS信号均输出给多路选择器。
信号多路选择器的功能从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块。当北斗RNSS模块时间有效的时候,优先选用北斗RNSS模块的时间。当北斗RNSS模块长时间无效时,且IRIG-B码、PTP网络授时有效时,选用解析PTP协议的时间和解析IRIG-B码的时间。由于PTP网络授时的经精度优于IRIG-B码授时,因此当外部IRIG-B码和PTP网络授时同时有效时,优先选用PTP网络授时。当选用PTP网络授时方式时,可以作为从时钟,从网络中解析PTP协议,恢复出1PPS和时间信息,并对***内部时间进行修正,此时***输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准。当选用外部IRIG-B码时,***可以从外部设备提供的IRIG-B码码流中提取出时间信息,用于对***内部时间进行修正,此时***输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
时钟驯服和守时模块的时钟源采用原子钟,原子钟产生1PPS信号,该PPS信号通过输入的PPS信号完成驯服,输出经过驯服之后的频率准确、相位稳定的PPS信号。当输入的PPS信号无效时,输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定,从而达到守时的目的。
时钟驯服和守时模块产生稳定的PPS信号之后,该PPS信号和时间信息分别输出给PPS+TOD模块、IRIG-B码模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块,分别产生3种不同类型的时间信息:
1PPS信号和TOD码流信息,其中1PPS信号指示秒脉冲时刻,TOD串行码流指示具体的时间。
IRIG-B码信号,B码码流的帧头参考和1PPS的上升沿对齐,指示整秒时刻的位置,码流中包括该时刻的具体时间。
以太网接口NTP网络协议:***可以用作时间具备NTP网络授时功能,可以通过以太网将时间传递到局域网内的其他设备。
以太网接口PTP网络协议:***可以作为主时钟,为局域网内的其他设备提供时间参考信息。
本发明在硬件实现上包括后插板、VPX总线和功能板三部分,其中:
后插板为射频基带处理模块电路,包括北斗RNSS定位模块、北斗RNSS接收信号航插和IRIG-B信号输入输出航插;其中北斗RNSS定位模块负责接收处理BD2B3频点IQ支路信号、BD2B1频点I支路信号、GPS***L1频点C/A码信号和Glonass***F1频点民用信号;
VPX总线负责后插板和功能板的互联以及数据传输;
功能板为数字处理模块,由SOC处理器芯片、内存DDR芯片、以太网PHY芯片、高稳时钟、电源电路、复位电路及相应外设电路组成;功能板通过VPX总线为内网设备提供NTP网络时钟,通过VPX总线外网网络接收外部PTP主时钟;其中:
SOC处理器芯片:包含FPGA和ARM芯片;其中FPGA负责解析后插板北斗RNSS定位模块传输过来的1PPS和串口时间信息,提供授时和守时相关的1PPS、TOD、B码,连接第2个以太网控制器接口;ARM负责运行linux***和时统处理软件模块,其中包括1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、信号多路选择器模块、时钟驯服和守时模块、PPS+TOD模块、IRIG-B码模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块;
内存DDR芯片:用于ARM运行linux操作***及其他功能。
以太网PHY芯片:需要两个以太网口,其中内网网络为内网设备提供NTP网络时钟,外网网络接受外部PTP网络时钟,内网采用标准PHY芯片实现,外网采用支持IEEE1588协议的PHY实现(支持PTP功能)。
高稳时钟(选用原子钟):负责时钟驯服和守时。
复位电路:采用专用集成芯片实现,该芯片可实现上电监控和手动控制(软件控制)功能。
电源电路:该主处理器需要1.1v、1.5v、2.5v、3.0v、3.3v等电压,本设计首先采用DC-DC转换芯片,将机箱提供的12v电源降到4v电压,再通过LDO实现所需的其他各种电压,其中DDR3的VTT电压需要单独处理。由于机箱管理协议要求可控制处理单元的上电,因此设计电源开关控制电路。
本发明还包括软件设计:
本地原子钟10M输入经过FPGA内部PLL之后倍频程100M,作为***工作时钟,同时驱动频率累加器,用于产生PPS信号。
时钟驯服模块:根据锁频环辅助锁相环的原理,在FPGA中测量北斗PPS脉冲和本地100M时钟产生的PPS脉冲的相位差,该相位差进行滤波之后,用来控制频率累加器,改变PPS的相位,使得输出的PPS和北斗PPS脉冲相位一致,同时保持输出稳定。利用北斗PPS脉冲为基准,测量100M时钟产生PPS脉冲的频率,从而计算出本地原子钟的频率偏差,经过滤波之后调整频率,从而保证100M频率的准确性。
在外界的北斗PPS无效时,之前有效期间的频率修正量依然有效,输出PPS的相位不做调整。
北斗RNSS模块串口数据解析:由ARM处理器完成,获得时间信息后写入FPGA的寄存器中。
IRIG-B码输入解析模块:由FPGA完成,完成调幅信号的解调、同步信号产生等。
TOD信号产生模块由FPGA完成,由于TOD的码流协议各家厂家可能不同,可以考虑由ARM按照规定的将数据流拼接完成后,通过FPGA发出。
NTP网络协议中的时间戳产生器由FPGA完成,时钟驯服模块产生的PPS信号作为计数开始,不停的计时,结合寄存器保存的时间信息。当ARM软件解析到NTP客户端发出的时间请求指令时,从FPGA中读出时间,并加上估计的运算、协议时延填入NTP时间信息结构体中,同理ARM发出NTP协议包时也从FPGA中读出时间填入相应结构体中。
本发明达到的功能指标:
1.***具备1PPS+TOD授时功能;
2.***支持NTP、PTP网络授时功能;
3.支持IRIG-B码时间输出功能;
4.支持IRIG-B码输入守时功能;
5.支持内部高稳定晶体的守时功能。
本发明达到的性能指标:
1. 1PPS精度:100ns,机箱内部3.3VTTL电平单端输出,65欧阻抗,后插板输出R422电平。
2.TOD输出:机箱内部3.3V差分信号,信号标准为3.3V EIA-889M0LVDS,后插板输出RS422电平.
3.NTP网络授时,局域网内(一级交换)精度优于10ms;
4.守时精度:一个月内优于20ms。
5.IRIG-B授时精度优于1us,后面板输出信号为RS422差分信号。
Claims (5)
1.一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,其特征在于,包括北斗RNSS定位模块、1PPS+串口数据解析模块、IRIG-B码解析模块、PTP网络协议解析模块、多路选择器、时钟驯服及守时模块、TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块;
北斗RNSS定位模块输出1PPS信号和串口数据到1PPS+串口数据解析模块,1PPS+串口数据解析模块解析出PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
IRIG-B码解析模块接收外部IRIG-B码流,将IRIG-B码流解析成PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
PTP网络协议解析模块接收外部PTP主时钟,将PTP主时钟解析成PPS信号和时间信息,并将PPS信号输出给多路选择器;
多路选择器从输入的3路PPS信号中选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块;
时钟驯服及守时模块的时钟源产生1PPS信号,该信号通过输入的PPS信号完成驯服,并将驯服后的频率准确、相位稳定的PPS信号输出给TOD码流产生模块、IRIG-B码产生模块、NTP网络协议模块和PTP网络协议模块用于产生不同类型的时间信息。
2.如权利要求1所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,其特征在于,所述选择一路信号输出给时钟驯服和守时模块采用以下策略:
当北斗RNSS定位模块时间有效时,优先选用北斗RNSS定位模块的时间;
当北斗RNSS定位模块长时间无效时,且IRIG-B码、PTP网络授时同时有效时,优先选用PTP网络授时:当选用PTP网络授时方式时,作为从时钟从网络中解析PTP协议,恢复出1PPS和时间信息,并对内部时间进行修正,此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP网络时间信息均按照从PTP协议恢复出的1PPS和时间信息为基准;当选用IRIG-B码时,根据IRIG-B码流提取出的时间信息对内部时间进行修正,此时输出的1PPS+TOD、IRIG-B、NTP/PTP网络时间信息均按照IRIG-B码流中的时间为基准。
3.如权利要求2所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,其特征在于,当输入的PPS信号无效时,时钟驯服及守时模块输出的1PPS信号依靠恒温晶体的频率稳定度保持相位和频率稳定,从而达到守时的目的。
4.如权利要求1或2或3所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,其特征在于,所述IRIG-B码流通过后插板IRIG-B码输入输出航插,经VPX板卡输入到IRIG-B码解析模块。
5.如权利要求1或2或3所述的一种复杂环境下的基于VPX板卡的北斗授时和守时***,其特征在于,所述PTP主时钟通过外网网络接口经VPX板卡输入到PTP网络协议解析模块。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181009 |
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