CN204465552U

CN204465552U - 双模授时主时钟装置

Info

Publication number: CN204465552U
Application number: CN201520057949.5U
Authority: CN
Inventors: 朱阳阳; 潘翔宇
Original assignee: Shanghai electric control research institute
Current assignee: Shanghai electric control research institute
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2025-01-27

Abstract

本实用新型涉及一种双模式主时钟装置，该主时钟装置包括双模式卫星接收机、驯服信号产生装置、数模转换器、本地恒温晶振以及输出单元；驯服信号产生装置包括伪脉冲处理装置，时间间隔测量装置和PID控制器；双模式卫星接收机输出时间信号至驯服信号产生装置中的伪脉冲处理装置，所述伪脉冲处理装置输出信号至时间间隔测量装置中，所述时间间隔测量装置测量输入信号与本地恒温晶振信号之间的相位差，PID控制器根据测量得到的相位差生成驯服信号，所述驯服信号经过数模转换器后输入本地恒温晶振，本地恒温晶振信号经过所述驯服信号的调整后输出至输出单元，所述输出单元对外输出时钟信号。

Description

双模授时主时钟装置

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种双模授时主时钟装置。

背景技术

现有技术存在的授时时钟装置存在以下问题：

1)、卫星授时存在各种随机误差，如星历误差、电离层误差等，随机误差大，但卫星时钟误差不累积，长期稳定性好。而本地晶振时钟信号的随机误差较小，但累积误差大，需要周期性地进行校正。

2)、目前我国大部分关系到国民生计的应用，例如电网、金融***等，时间同步技术主要是基于美国全球定位***GPS的卫星授时,对于电力***这样关系到国民生计的分布式网络采用GPS作为授时基准是存在安全隐患的。

3)抗干扰性较差。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种双模授时主时钟装置，用以解决现有的授时时钟精度、稳定性不足以及单一的GPS卫星授时存在的安全隐患等问题，同时提供了较优良的抗干扰设计。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种双模式主时钟装置，该主时钟装置包括双模式卫星接收机、驯服信号产生装置、数模转换器、本地恒温晶振以及输出单元；双模式卫星接收机包括北斗接收机和GPS接收机；驯服信号产生装置包括伪脉冲处理装置，时间间隔测量装置和PID控制器；双模式卫星接收机输出时间信号至驯服信号产生装置中的伪脉冲处理装置，所述伪脉冲处理装置将窄脉冲叠加至输入的时间信号上以屏蔽干扰脉冲，所述伪脉冲处理装置输出信号至时间间隔测量装置中，所述时间间隔测量装置测量输入信号与本地恒温晶振信号之间的相位差，PID控制器根据测量得到的相位差生成驯服信号，所述驯服信号经过数模转换器后输入本地恒温晶振，本地恒温晶振信号经过所述驯服信号的调整后输出至输出单元，所述输出单元对外输出时钟信号。

优选的，所述双模式卫星接收机包括抗干扰天线。

优选的，所述输出单元包括分频装置，所述分频装置将输入至输出单元的信号进行分频得到1PPS秒脉冲。

优选的，所述主时钟装置还包括主控制电路，所述主控制电路与所述双模式卫星接收机相连。

优选的，所述双模式卫星接收机包括切换装置，所述切换装置在北斗接收机模式或GPS接收机模式之间进行切换。

优选的，所述双模式卫星接收机根据用户选择在北斗接收机模式或GPS接收机模式之间进行切换。

优选的，所述双模式卫星接收机当某一接收机模式出现故障后，所述切换装置自动切换至另一接收机模式。

优选的，所述驯服信号产生装置还包括卡尔曼滤波器，将PID控制器输出的驯服信号进行滤波后再输入所述数模转换模块。

优选的，所述时间间隔测量装置包括鉴相器。

优选的，所述时间间隔测量装置还包括数字移相器，所述数字移相器将原始计数时钟依次移相90度，形成等效的四倍频的计数时钟。

本实用新型有益效果如下：本实用新型的方案根据北斗/GPS秒脉冲和本地晶振在随机误差和累积误差互补特性，采用恒温压控晶振，维持本地同步时钟的短期和长期的时间精度和稳定性，且具有优良的抗干扰性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为北斗/GPS双模授时主时钟总体框图；

图2为伪脉冲处理原理；

图3为本地守时原理；

图4为基于数字移相技术的时间间隔测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。

图1为本实用新型的总体框图。本实用新型的双模式主时钟装置包括了抗干扰型授时天线、卫星接收机、STM32主控制电路、人机交互模块、驯服信号产生装置、数模转换模块(16DA)、本地恒温晶振OCXO、输出模块和电源模块。

抗干扰型授时天线能够在复杂电磁环境下为卫星接收机提供可靠的射频信号。

卫星接收机包括北斗接收机和GPS接收机。北斗接收机和GPS接收机均采用高精度授时型接收机，授时精度均达到20ns。在本实用新型中卫星接收机具体使用方法为：

1)默认使用GPS接收机，当GPS接收机失效时切换至北斗接收机，如两种接收机均不能正常工作,则自动切换至本地晶振模式工作。

2)通过STM32主控制电路的UART口接收卫星接收机发出的NMEA指令，分析出卫星授时的有效性，分析出可视卫星数量和信号质量等信息。

3)通过驯服信号产生装置内建立的串口接收模块对NMEA指令进行解析，得到世界协调时间(UTC时间)，作为日期、时、分、秒基准的来源。

4)使用卫星接收机输出的1PPS信号驯服本地恒温晶振OCXO。

STM32主控制电路负责对所有模块进行协调、控制。

人机交互模块通过指示灯、显示屏、按键和触摸屏，提供各类信息显示和操作界面。

驯服信号产生装置包括伪脉冲处理、PID控制器、时间间隔测量、卡尔曼滤波功能。

输出模块主要包含1pps输出、时间报文RS485输出、IRIG-B(DC)输出等接口。

电源模块为本实用新型所有组成部分提供电源输入和电源管理。

图2给出了伪脉冲处理的原理。本实用新型的双模式主时钟装置具有抗干扰设计，除了采用了专业的抗干扰型授时天线外，还进行了1PPS秒脉冲的伪脉冲处理。

由于北斗/GPS秒脉冲易受到周围环境中的电磁干扰，故需要在北斗/GPS秒脉冲输入到时间测量模块之前，对北斗/GPS秒脉冲进行干扰屏蔽处理。电磁干扰会产生干扰脉冲，叠加在北斗/GPS秒脉冲信号上。这些伪脉冲输入到时间间隔测量模块，***会误判为一个北斗/GPS秒脉冲，这样，测量得到的时间间隔即相位差与真实的相位差之间偏差很大。会对整个锁相环路带来很大的抖动。为了消除伪脉冲，在北斗/GPS秒脉冲到来前的△t时刻开启一个窄脉冲，从秒脉冲到来算起，△t时刻后将窄脉冲关闭。因此，只有处在窄脉冲宽度内的秒脉冲才有效，窄脉冲宽度之外的伪脉冲被滤除。窄脉冲宽度越小，抗干扰能力越强。

图3给出了本地守时的原理。本实用新型中本地守时的原理为使用锁相环(PLL)实现对本地恒温晶振的频率调节。

守时的核心任务为实现晶振的驯服，使其与卫星接收机的标准时间信息同步。外部1PPS脉冲信号由卫星接收机提供，在卫星信号有效的情况下驯服晶振调整其频率。首先时间间隔测量模块测得本地恒温晶振分频产生的1PPS脉冲信号与外部标准参考1PPS脉冲信号的时间间隔，通过PID控制器计算出数字调整值，从而得到数字电压控制量，通过DA转换器和信号调理电路之后给本地恒温晶振的压控端，实现频率的修正，最后通过分频控制模块分频得到1PPS秒脉冲。

图4给出了采用基于数字移相技术进行时间间隔测量的原理。要实现通过北斗/GPS的秒脉冲信号校准本地恒温压控晶振，要用高精度测量方法得到本地秒脉冲与北斗/GPS秒脉冲的时间差值。相比于直接测频或测周期，相位比对更能灵敏地测量出两频率源之间的差异，本实用新型中通过测量相位差来获得时间间隔差。

时间间隔测量模块可以是鉴相器，进行相位差测量时，时钟频率越高,测量误差越小,但频率越高对芯片的性能要求也越高，成本也越高。而采用数字移相技术可以实现以较低的成本获得更高的测量精度。

所谓移相是指对于两路同频信号,以其中一路作为参考信号,另一路相对于该参考信号作超前或滞后的移动形成相位差。数字移相通常采用延时方法,以延时的长短来决定两数字信号之间的相位差。

如图3所示原始计数时钟信号CLK0通过移相后得到CLK90、CLK180、CLK270三个时钟,相位依次相差90°,用这四路时钟信号同时驱动四个相同的计数器对待测信号进行计数。设时钟频率为f,周期为T,对应每路时钟信号有一个计数器,各个计数器的计数个数分别为ml、m2、m3和m4,则时间延迟的测量值为:

T_{x} = \frac{(m_{1} + m_{2} + m_{3} + m_{4})}{4} \times T

可以看到,这种方法实际等效于将原始计数时钟四倍频,以4f的时钟频率对待测信号进行计数测量,从而将测量精度提高到原来的4倍。例如原始计数时钟为10MHz时,***的等效计数频率则为40MHz,如果不考虑各路计数时钟间的相对延迟时间误差,其测量的最大误差将降为原来的四分之一,仅为25ns。同时,该方法保证了整个电路的最大工作频率仍为f,避免了时钟频率提高带来的一系列问题。

综上所述，本实用新型实施例提供了一种双模授时主时钟装置，本实用新型的方案根据北斗/GPS秒脉冲和本地晶振在随机误差和累积误差互补特性，采用恒温压控晶振，维持本地同步时钟的短期和长期的时间精度和稳定性，且具有优良的抗干扰性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种双模式主时钟装置，该主时钟装置包括双模式卫星接收机、驯服信号产生装置、数模转换器、本地恒温晶振以及输出单元；双模式卫星接收机包括北斗接收机和GPS接收机；驯服信号产生装置包括伪脉冲处理装置，时间间隔测量装置和PID控制器；双模式卫星接收机输出时间信号至驯服信号产生装置中的伪脉冲处理装置，所述伪脉冲处理装置将窄脉冲叠加至输入的时间信号上以屏蔽干扰脉冲，所述伪脉冲处理装置输出信号至时间间隔测量装置中，所述时间间隔测量装置测量输入信号与本地恒温晶振信号之间的相位差，PID控制器根据测量得到的相位差生成驯服信号，所述驯服信号经过数模转换器后输入本地恒温晶振，本地恒温晶振信号经过所述驯服信号的调整后输出至输出单元，所述输出单元对外输出时钟信号。

2.根据权利要求1的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述双模式卫星接收机包括抗干扰天线。

3.根据权利要求1或2的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述输出单元包括分频装置，所述分频装置将输入至输出单元的信号进行分频得到1PPS秒脉冲。

4.根据权利要求1或2的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述主时钟装置还包括主控制电路，所述主控制电路与所述双模式卫星接收机相连。

5.根据权利要求1或2的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述双模式卫星接收机包括切换装置，所述切换装置在北斗接收机模式或GPS接收机模式之间进行切换。

6.根据权利要求5的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述双模式卫星接收机根据用户选择在北斗接收机模式或GPS接收机模式之间进行切换。

7.根据权利要求5的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述双模式卫星接收机当某一接收机模式出现故障后，所述切换装置自动切换至另一接收机模式。

8.根据权利要求1或2的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述驯服信号产生装置还包括卡尔曼滤波器，将PID控制器输出的驯服信号进行滤波后再输入所述数模转换模块。

9.根据权利要求1或2的一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述时间间隔测量装置包括鉴相器。

10.根据权利要求9一种双模式主时钟装置，其特征在于，所述时间间隔测量装置还包括数字移相器，所述数字移相器将原始计数时钟依次移相90度，形成等效的四倍频的计数时钟。