LKJ時(shí)間校準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭繼東

鄭繼東:貴陽電務(wù)段 工程師 550011 貴陽

通常在給LKJ校時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)儲(chǔ)器或校時(shí)卡等校時(shí)設(shè)備是在本段的子母鐘上完成讀取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的操作后，再送至各個(gè)作業(yè)點(diǎn)對(duì)LKJ的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方式不僅造成資源浪費(fèi)，而且在周轉(zhuǎn)過程中時(shí)間延遲有可能造成新的誤差，給LKJ的正常使用帶來不必要的麻煩。此外，校時(shí)過程是自動(dòng)完成，作業(yè)人員不能直觀看到校正誤差，對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的校時(shí)也不能及時(shí)處理，造成LKJ記錄數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，對(duì)事件分析非常不利。為此，貴陽電務(wù)段與鄭州愛普銳科技有限公司合作，開發(fā)研制了LKJ時(shí)間校準(zhǔn)器，可以從GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)裝置獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并通過液晶顯示實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，為LKJ提供方便快捷地校時(shí)操作，校時(shí)完成后自動(dòng)關(guān)機(jī)。

1 校準(zhǔn)器組成

該校準(zhǔn)器采用1100 mA·h鋰電池供電，利用軟開關(guān)省電模式，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。同時(shí)采用液晶屏直觀顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，避免在使用中的誤操作。該裝置以STC89C54RD+單片機(jī)為核心，配以ISL1208芯片，達(dá)到時(shí)間和通信上的穩(wěn)定。外配5 V直流充電器、USB充電線和通信線。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片選型

1．STC89C54RC/RD+系列單片機(jī)是兼容8051內(nèi)核的、高速、低功耗的新一代單片機(jī)，可反復(fù)設(shè)置12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期，工作頻率為0～40 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80 MHz。內(nèi)部有16 KB的程序存儲(chǔ)空間和1280 B的ROM，具有看門狗功能，無需再增加存儲(chǔ)字模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)芯片和專用看門狗芯片，極大地簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本。單片機(jī)具有ISP功能，不需要專用的編程器編程。

2．STC89C54具有在線系統(tǒng)可編程特性，在銷售前其內(nèi)部已經(jīng)固化有ISP系統(tǒng)引導(dǎo)程序。配合PC端的控制程序，通過串口即可將所需系統(tǒng)的程序代碼下載到單片機(jī)內(nèi)部，不需要編程器。

3．ISL1208是低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘，具有定時(shí)與晶體補(bǔ)償、時(shí)鐘/日歷、電源失效指示器、周期或輪詢報(bào)警、智能后備電池切換和后備電池供電的用戶SRAM等功能。

4．振蕩器采用32.768 kHz的晶體。實(shí)時(shí)時(shí)鐘用獨(dú)立的時(shí)、分、秒寄存器跟蹤時(shí)間，并且還帶有日歷寄存器用于存儲(chǔ)日、月、年和星期。日歷精確到2099年且具有閏年自動(dòng)修正功能。

2.2 ISP編程技術(shù)

單片機(jī)的ISP技術(shù)，即單片機(jī)的在線系統(tǒng)可編程技術(shù)，是指單片機(jī)芯片可以直接焊接到目標(biāo)電路板上。用戶可把已編譯好的用戶代碼直接寫入目標(biāo)電路板上的單片機(jī)，而不需要從電路板上取下單片機(jī)，并且不必考慮器件是空白的還是已被編程的。下載后直接調(diào)試，調(diào)試結(jié)束即為成品，免去了調(diào)試時(shí)頻繁插取芯片而對(duì)芯片和電路板造成損害。ISP革命性編程方式使得修改程序的容易程度接近仿真器。

2.3 接口電路設(shè)計(jì)

連接外部設(shè)備后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別外部類型并進(jìn)行“校時(shí)或受時(shí)”。無論是同LKJ2000、子母鐘，還是同PC機(jī)、GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)裝置等，均采用串口通信。由于采用了鋰電池供電，所以設(shè)計(jì)了升壓電路模塊和串口通信模塊。

2.4 低功耗及電源管理

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)采用1100 mA·h鋰電池，一方面其供電電壓平穩(wěn)、帶負(fù)載能力強(qiáng)、沒有記憶效應(yīng);另一方面，具有體積小、無污染、充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

采用的軟開關(guān)設(shè)計(jì)，保證了該校準(zhǔn)器的省電模式。軟開關(guān)控制電路如圖1所示。按“K1”2 s，設(shè)備開機(jī)，屏幕顯示“日期和時(shí)間信息”;在開機(jī)狀態(tài)下，繼續(xù)按“K1”到P12高電平設(shè)定時(shí)間后，CPU送出關(guān)機(jī)指令，松手設(shè)備自動(dòng)關(guān)機(jī)。待機(jī)時(shí)間到150 s時(shí)，屏幕上提示“待機(jī)時(shí)間到，系統(tǒng)即將自動(dòng)關(guān)機(jī)”。

圖1 軟開關(guān)控制電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件通過串口完成校時(shí)卡讀寫標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的功能。根據(jù)計(jì)算機(jī)配置的不同，提示出所有可用的串口以及描述，并根據(jù)選擇校正時(shí)間還是讀取時(shí)間來操作此設(shè)備。

該校準(zhǔn)器可以通過SNTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Internet時(shí)間服務(wù)器時(shí)間校正功能，使用中國國家授時(shí)中心(http://www.time.ac.cn)和微軟時(shí)間服務(wù)器(time.windows.com)選擇校時(shí)。如果選擇自動(dòng)校時(shí)，系統(tǒng)會(huì)每隔1 h校時(shí)一次。對(duì)于本地網(wǎng)絡(luò)，如果沒有Internet連接，可選擇一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為時(shí)間服務(wù)器來校正其他計(jì)算機(jī)的時(shí)間，Intranet時(shí)間服務(wù)器會(huì)每隔50 s對(duì)其子機(jī)進(jìn)行校正。

該校準(zhǔn)器在運(yùn)行過程中采用2種時(shí)間信息，內(nèi)部傳輸采用UTC時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，外部顯示根據(jù)計(jì)算機(jī)所在時(shí)區(qū)不同顯示不同時(shí)間。

4 校準(zhǔn)器特點(diǎn)

把校準(zhǔn)器的插頭和待校裝置連接好后，自動(dòng)進(jìn)入校時(shí)狀態(tài)，當(dāng)校準(zhǔn)器顯示屏顯示“校時(shí)成功”并閃亮3次，被校裝置時(shí)間更新為校準(zhǔn)器校準(zhǔn)時(shí)間，完成對(duì)該裝置的校時(shí)，且本次校時(shí)的信息自動(dòng)存入校準(zhǔn)器內(nèi)。若顯示“校時(shí)失敗”，可以取下校準(zhǔn)器重新插上自動(dòng)校時(shí)，或者按校準(zhǔn)器鍵盤上的“校時(shí)”鍵，手動(dòng)校時(shí)。

在對(duì)LKJ2000校時(shí)成功后，會(huì)自動(dòng)把監(jiān)控裝置校時(shí)時(shí)間、類型、機(jī)車號(hào)和GPS校時(shí)器內(nèi)存的存儲(chǔ)序號(hào)自動(dòng)保存在校準(zhǔn)器內(nèi)，可通過校時(shí)管理軟件進(jìn)行查看管理。校準(zhǔn)器對(duì)校時(shí)記錄實(shí)行循環(huán)式存儲(chǔ)，最多可存6萬條記錄，超過時(shí)，新的記錄覆蓋最早一條記錄。為避免有用信息被覆蓋，校時(shí)信息可讀取并存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，可隨時(shí)調(diào)閱。校準(zhǔn)器外形如圖2所示。

5 結(jié)束語

LKJ時(shí)間校準(zhǔn)器通過GPS授時(shí)系統(tǒng)可以快速、精確地獲得時(shí)間數(shù)據(jù)，顯著提高了列車運(yùn)行監(jiān)控裝置校時(shí)的工作效率和時(shí)間的精準(zhǔn)。2009年生產(chǎn)出來后一直在貴陽電務(wù)段試用，使用效果穩(wěn)定可靠，顯示直觀，在校時(shí)中能顯示出校正時(shí)間差異，作業(yè)人員通過校正值超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，判斷LKJ本身的時(shí)鐘系統(tǒng)是否存在故障，從而避免了簡單盲目的校時(shí)，解決了原校時(shí)設(shè)備存在的弊端。在LKJ檢測(cè)作業(yè)中，還可以用轉(zhuǎn)儲(chǔ)卡完成LKJ數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)，取代壽命短價(jià)格高的轉(zhuǎn)儲(chǔ)盒，節(jié)約成本，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

圖2 監(jiān)控時(shí)間校準(zhǔn)器外形圖

［1］ 楊志剛．LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置［M］ ．北京:中國鐵道出版社，2008．

［2］ 黃建文．微電子電路設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用［M］ ．北京:中國鐵道出版社，1999．