劉澤水+鄒海東

摘??要：針對(duì)在任務(wù)中使用示波器監(jiān)測(cè)時(shí)統(tǒng)同步精度時(shí)，崗位人員需長(zhǎng)時(shí)間密切注視示波器狀態(tài)，極易疲勞，且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，延誤處理時(shí)機(jī)，影響任務(wù)順利完成。提出了一種時(shí)統(tǒng)秒同步故障遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，利用示波器通信擴(kuò)展模塊TDS2CM采集示波器監(jiān)測(cè)信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)模塊處理，傳輸?shù)絀P網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)本機(jī)秒和外秒的同步精度超出某一設(shè)定的數(shù)值時(shí)觸發(fā)聲音告警，及時(shí)提醒崗位人員進(jìn)行手動(dòng)同步操作，防止同步精度超出規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍，達(dá)到故障預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞：時(shí)統(tǒng)?同步?預(yù)警?TDS2CM

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Title?Design?of?Second?Synchronization?Fault?Distant?Early?Warning?System?of?Time?Unified?System

Zeshui?Liu，?Haidong?Zou

（China?Satellite?Maritime?Tracking?and?Control?Department，?Jiangyin?Jiangsu?214431）

Abstract：?In?the?task，?when?using?the?oscilloscope?to?monitor?the?synchronization?accuracy?of?time?unified?system，?staff?positions?will?take?time?to?closely?monitor?the?status?of?the?oscilloscope，?easy?fatigue，?and?can?not?detect?equipment?failure，?delays?in?the?processing?time?to?affect?the?successful?completion?of?the?task.?Presents?a?design?ideas?which?is?second?synchronization?fault?distant?early?warning?system?of?Time?rnified?system，?use?communication?expansion?module?TDS2CM?of?oscilloscope?to?monitor?collect?monitoring?signal?of?oscilloscope，?through?microcontroller?and?network?module?processing，?transmission?to?the?IP?network?for?remote?monitoring.?Audible?alarm?is?triggered?when?native?seconds?and?outer?second?beyond?a?certain?set?of?values??，?Timely?reminder?staff?positions?for?manual?synchronization?to?prevent?synchronization?accuracy?beyond?the?prescribed?range?of?technical?indicators?to?achieve?the?purpose?of?warning?fault.Key?words：??Time?unified?system;?Synchronous;?Warning;?TDS2CM

1?引言

時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為任務(wù)的重要設(shè)備，承擔(dān)著為其它系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的重要任務(wù)。在任務(wù)過程中，時(shí)統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行“對(duì)時(shí)”和“守時(shí)”操作。所謂“對(duì)時(shí)”，就是以GPS秒信號(hào)或者銣?zhǔn)貢r(shí)鐘等外秒信號(hào)作為對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，使時(shí)統(tǒng)時(shí)碼設(shè)備產(chǎn)生的本機(jī)秒信號(hào)的秒前沿與外秒信號(hào)秒前沿取齊，實(shí)現(xiàn)同步的目的，時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)原理如圖1所示。所謂“守時(shí)”，就是對(duì)時(shí)完畢后，時(shí)統(tǒng)設(shè)備按照自身的頻率進(jìn)行走時(shí)，并將時(shí)碼信號(hào)傳輸給時(shí)統(tǒng)用戶。所以，時(shí)統(tǒng)設(shè)備所采用的頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度決定了時(shí)碼信號(hào)的精度。時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用銣原子鐘作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，在開機(jī)運(yùn)行過程中，銣原子鐘的頻率會(huì)產(chǎn)生一定漂移，使時(shí)碼信號(hào)的秒信號(hào)隨之產(chǎn)生漂移，開機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的漂移值就越大，最終超出所容許的范圍。所以，在任務(wù)中，時(shí)統(tǒng)崗位人員需用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)統(tǒng)本機(jī)秒信號(hào)與外秒信號(hào)的同步精度。當(dāng)兩者的同步精度超出規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍時(shí)，需要崗位人員及時(shí)進(jìn)行手動(dòng)同步操作，使同步精度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。

收稿日期：

作者簡(jiǎn)介：劉澤水（1978—），男，貴州玉屏，工程師，本科，研究方向：有線通信

*通訊聯(lián)系人，E-mail：maohpu@126.com

圖1?時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)原理

然而，由于時(shí)統(tǒng)設(shè)備本身缺乏有效的故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警手段，且在使用示波器監(jiān)測(cè)同步精度時(shí)，崗位人員需長(zhǎng)時(shí)間密切注視示波器狀態(tài)，極易疲勞，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，延誤處理時(shí)機(jī)，影響任務(wù)順利完成。設(shè)備由于老化嚴(yán)重，各項(xiàng)性能指標(biāo)下降明顯，在過去任務(wù)中就曾經(jīng)發(fā)生過同步精度超出指標(biāo)范圍而影響任務(wù)的情況。所以有必要設(shè)計(jì)一套時(shí)統(tǒng)秒同步故障預(yù)警系統(tǒng)對(duì)時(shí)統(tǒng)同步精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)同步精度超出某一設(shè)定的數(shù)值時(shí)觸發(fā)聲音告警，及時(shí)提醒崗位人員進(jìn)行手動(dòng)同步操作，防止同步精度超出規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍，達(dá)到故障預(yù)警的目的。

2?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2?時(shí)統(tǒng)秒同步故障遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，該系統(tǒng)采用了TDS2CM通信擴(kuò)展模塊，它的作用是對(duì)數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集。當(dāng)要對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)（比如高達(dá)100MHZ的雷達(dá)波形）進(jìn)行采集和處理的時(shí)候。通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)高速或者超高速硬件采集電路，包括放大部分、濾波部分、A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分等，這種電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲(chǔ)，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時(shí)，目前市場(chǎng)上成品價(jià)格很難承受。并且根據(jù)采樣定理，采樣頻率F應(yīng)大于或等于被采樣信號(hào)的最高頻率f的2倍，即F≥2f?？紤]到實(shí)際恢復(fù)波形的低通濾波器不可能具有完全理想的特性，為了正確恢復(fù)信號(hào)，通常取F=（2.5～5）f或者更高。當(dāng)采樣的信號(hào)高達(dá)100MHZ時(shí)，就應(yīng)該達(dá)到500MHZ的采樣率。時(shí)統(tǒng)本機(jī)秒和外秒信號(hào)的同步精度通常需要達(dá)到幾十個(gè)納秒才能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，所以，要對(duì)時(shí)統(tǒng)秒信號(hào)進(jìn)行采樣，信號(hào)采集設(shè)備就需要達(dá)到1GS/S左右的采樣率。這是一般信號(hào)采集卡所達(dá)不到的，即便能達(dá)到，價(jià)格也非常昂貴。

Tektronix公司的TDS200系列數(shù)字示波器早已經(jīng)在各處得到廣泛應(yīng)用，并且其配套的擴(kuò)展模塊TDS2CM具有與外部設(shè)備雙向通信的功能，可直接與打印機(jī)、計(jì)算機(jī)連接，使波形的存儲(chǔ)打印等工作變得十分方便。其中TDS220數(shù)字示波器擁有100MHZ的帶寬，以10倍的掃描方式，達(dá)到1GS/S的采樣率。?當(dāng)配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計(jì)算機(jī)連接后，利用相應(yīng)軟件（如Matlab等）可以對(duì)示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進(jìn)行讀取和處理。所以，經(jīng)綜合考慮，時(shí)統(tǒng)秒同步故障遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)決定采用TDS2CM擴(kuò)展模塊作為信號(hào)采集設(shè)備。

TDS2CM是Tektronix公司針對(duì)TDS200系列數(shù)字示波器開發(fā)的通信擴(kuò)展模塊，可直接插入任何TDS200系列示波器的后面板，能夠?qū)κ静ㄆ餍盘?hào)進(jìn)行采集處理。該模塊有GPIB和RS232兩種接口，并配有一個(gè)centronics硬拷貝打印端口。

在該系統(tǒng)中，將時(shí)碼器輸出的本機(jī)秒信號(hào)和外秒信號(hào)通過示波器探頭輸入TDS220數(shù)字示波器，經(jīng)TDS2CM通信擴(kuò)展模塊采集后通過RS232接口傳輸至單片機(jī)進(jìn)行處理。處理后的信號(hào)送入網(wǎng)絡(luò)模塊，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)秒同步故障的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)分系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)TDS2CM通信擴(kuò)展模塊現(xiàn)場(chǎng)采集的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與重新封裝處理，以利于網(wǎng)絡(luò)傳輸;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端能夠?qū)Λ@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢以及實(shí)時(shí)預(yù)警等。

3.1?單片機(jī)分系統(tǒng)軟件處理

單片機(jī)部分的軟件主要完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與遠(yuǎn)程傳輸，也就是將RS232的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為利于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖远x數(shù)據(jù)包，再通過網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸。主要分為串口數(shù)據(jù)包的完整性檢測(cè)，數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，數(shù)據(jù)重新封裝與網(wǎng)絡(luò)傳輸三個(gè)部分。其基本實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3?單片機(jī)軟件處理流程圖

3.2?遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端軟件處理

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端部分主要完成對(duì)實(shí)時(shí)獲取的遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、響應(yīng)查詢、實(shí)時(shí)故障預(yù)警等。為了能夠快捷、準(zhǔn)確的為通信總體決策分析提供數(shù)據(jù)支持，需要給本系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以采用VC編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的通信可以通過MFC?ODBC編程接口來實(shí)現(xiàn)，通過在監(jiān)測(cè)平臺(tái)中裝載ODBC驅(qū)動(dòng)，軟件編程調(diào)用DatabaseConnect類，即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫的通信。其基本軟件處理流程如圖4所示。

圖4?遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端軟件處理流程圖

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行之后，執(zhí)行與本地?cái)?shù)據(jù)庫的連接建立工作。連接成功之后，系統(tǒng)在固定的端口接收遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，通過對(duì)數(shù)據(jù)包的解析處理之后，進(jìn)行判斷是否超過預(yù)設(shè)的閾值，如果判斷結(jié)果為真，則進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警并轉(zhuǎn)入人工處理。同時(shí)將所解析的數(shù)據(jù)按照預(yù)定格式寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫。此后，通過數(shù)據(jù)可視化處理，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的可視化顯示，如此完成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程預(yù)警流程。

4.結(jié)束語

利用已經(jīng)廣泛使用的TDS200系列數(shù)字示波器和配套的TDS2CM通信擴(kuò)展模塊構(gòu)建時(shí)統(tǒng)秒同步故障遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)，具有幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是硬件結(jié)構(gòu)搭建簡(jiǎn)單易行，只需利用現(xiàn)有的TDS220數(shù)字示波器，購買相應(yīng)的硬件模塊即可;二是所應(yīng)用的通信技術(shù)成熟可靠;三是系統(tǒng)的可兼容性較強(qiáng);四是系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較強(qiáng)，因?yàn)閿?shù)字示波器具有較高的數(shù)據(jù)采樣率，所以只需要對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行修改，系統(tǒng)便可對(duì)其它高頻信號(hào)進(jìn)行采集，構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳坤，張君.基于GPS的靶場(chǎng)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)研究[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2009，26（4）：10-11.

[1]WU?Kun，ZHANG?Jun.The?unified?system?research?of?shooting?range?based?on?GPS[J].Technology?Foundation?of?National?Defence，2009，26（4）：10-11.

[2]李秋娜.CPLD器件在時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2005，32（2）：55-58.

[2]LI?Qiu-nan.CPLD?device?in?the?time?unified?system?application[J].Electronic?Testing，2005，32（2）：55-58.

[3]IEEE?Std?1558-2002.IEEE?Standard?for?a?precision?clock?synchronization?protocol?for?networked?measurement?and?control?systems[S].2002.

[4]IEEE?Std?1558-2008.IEEE?Standard?for?a?precision?clock?synchronization?protocol?for?networked?measurement?and?control?systems[S].2008.

[5]National?Semiconductor?Corporation.DP83640?precision?PHYTER-IEEE?1588?precision?time?protocol?transceiver[DB/OL].http：//www.national.com/ds.cgi/DP/?DP83640.pdf.2009.（ZH）

[6]LI?Gun，WU?Fu-ping.Development?of?high?precision?and?multifunctional?timing?system?using?integrated?GPS/BD?receiver[J].IEEE?Trans.On?Neural?Network，2008，10（3）：626-634.

[7]Paninski?L.Estimation?of?entropy?and?mutual?information[J].?Neural?Computation，2006，16（3）：1191-1253.

[8]V.Giovannetti，S.Lloyd，L.Maccone.Quantum?Enhanced?Positioning?and?Clock?Synchronization[J].quant-ph/0103006，2001，3.1