基于船鐘信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃國(guó)雄，莊乾波，殷文濤

●（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

基于船鐘信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃國(guó)雄，莊乾波，殷文濤

●（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

通過對(duì)大型船舶子母鐘系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，獲得船鐘信號(hào)特征；基于船鐘時(shí)間信號(hào)的高精度特點(diǎn)，提出一種采用船鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)來同步計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的方法；設(shè)計(jì)開發(fā)出隔離型串口轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)器和客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間與船鐘時(shí)間的同步調(diào)整；解決了在無互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步服務(wù)器的情況下，船舶穿越不同時(shí)區(qū)時(shí)的時(shí)間自動(dòng)校準(zhǔn)和同步調(diào)整問題。

子母鐘；接口轉(zhuǎn)換；時(shí)間校準(zhǔn)；時(shí)間協(xié)議

0 引言

大型遠(yuǎn)洋船舶在各大洋航行時(shí)經(jīng)常穿越不同時(shí)區(qū)，在到達(dá)新時(shí)區(qū)時(shí)，常常要調(diào)整船上的時(shí)鐘時(shí)間來適應(yīng)時(shí)區(qū)變化帶來的時(shí)間變化。為了實(shí)現(xiàn)船舶上大量時(shí)鐘時(shí)間的同步調(diào)整，船用時(shí)鐘一般采用子母鐘系統(tǒng)，配置一臺(tái)母鐘和若干臺(tái)子鐘，其中，母鐘作為統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，各子鐘時(shí)間同步在母鐘上。子鐘具備自走時(shí)功能，當(dāng)母鐘信號(hào)中斷時(shí)子鐘會(huì)繼續(xù)走時(shí)以保證時(shí)間的連續(xù)性，當(dāng)需要改變時(shí)間時(shí)，只要調(diào)整好母鐘的時(shí)間，子鐘就會(huì)自動(dòng)同步到母鐘的時(shí)間上。采用子母鐘系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全船時(shí)間的同步調(diào)整，省去逐臺(tái)時(shí)鐘人工調(diào)整的麻煩，且時(shí)鐘同步精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工調(diào)整。

計(jì)算機(jī)時(shí)間由軟件計(jì)算的方法產(chǎn)生，時(shí)鐘走時(shí)精度受操作系統(tǒng)軟件的影響較大，往往走時(shí)精度不高，月誤差高達(dá)數(shù)分鐘。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各計(jì)算機(jī)之間的時(shí)鐘各自獨(dú)立運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，在一些對(duì)時(shí)間較敏感的應(yīng)用（比如數(shù)據(jù)同步記錄）中是不可接受的。然而，遠(yuǎn)洋船舶接入互聯(lián)網(wǎng)困難，不能使用互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間同步服務(wù)器來同步網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)時(shí)間。船用子母鐘系統(tǒng)采用高精度晶體振蕩器作為時(shí)鐘源，走時(shí)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘，可作為參考時(shí)間基準(zhǔn)。鑒于此，本文提出了一種通過船鐘信號(hào)來同步網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)時(shí)間的方法，對(duì)提高全網(wǎng)時(shí)間精度具有重大意義。

1 船鐘信號(hào)分析

1.1 子母鐘系統(tǒng)簡(jiǎn)介

子母鐘系統(tǒng)原理框圖見圖1。母鐘采用89C51單片機(jī)為核心，采用高穩(wěn)定晶體振蕩器為單片機(jī)提供工作時(shí)鐘，同時(shí)作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接收單元接口接收GPS接收機(jī)、定時(shí)接收機(jī)等信號(hào)，對(duì)時(shí)間進(jìn)行修正，單片機(jī)完成計(jì)時(shí)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、譯碼顯示等，產(chǎn)生時(shí)間編碼信號(hào)，通過信號(hào)變換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS-422電平，從輸出接口向各子鐘發(fā)送，對(duì)子鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。子鐘接收母鐘信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)變換電路轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，由內(nèi)部單片機(jī)進(jìn)行解碼得到時(shí)間，內(nèi)部走時(shí)系統(tǒng)同步到接收到的時(shí)間上，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)走時(shí)機(jī)構(gòu)。

圖1 子母鐘系統(tǒng)原理框圖

母鐘與子鐘通過四芯電纜連接，子鐘與子鐘之間為并聯(lián)連接，所有子鐘統(tǒng)一由母鐘提供工作電源。子鐘端四芯電纜接口定義分別為R+、R-、+24V、VSS，其中，R+、R-分別為RS-422接口差分輸入正負(fù)端，分別連接到母鐘輸出接口的T+、T-，+24V為24V直流供電，VSS為電源低電平端，即電源地線。信號(hào)采用廣播方式發(fā)送，母鐘只發(fā)送信號(hào)不接收信號(hào)，子鐘只接收信號(hào)不發(fā)送信號(hào)。

1.2 船鐘信號(hào)分析

查閱子母鐘說明書得知船鐘信號(hào)采用串行傳輸，除此之外無任何其他信息可供參考，如果需要從船鐘信號(hào)中解調(diào)出時(shí)間，必須知道船鐘信號(hào)的傳輸速率、幀格式等關(guān)鍵信息。通過示波器測(cè)量船鐘信號(hào)波形可知，每幀數(shù)據(jù)寬度約12.5 ms，最小脈沖寬度約208 μs，則：

數(shù)據(jù)傳輸率率=1/208μs≈4800bit/s

每幀bit數(shù)=12.5ms/208μs≈60bit

串行通信中，每次傳輸1個(gè)字節(jié)，一般采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位的子幀結(jié)構(gòu)，每子幀占用10bit，由此得出船鐘信號(hào)每幀數(shù)據(jù)包含 6個(gè)字節(jié)。按照以上設(shè)置，采用串口調(diào)試軟件接收船鐘信號(hào)，接收到的數(shù)據(jù)見圖2。由接收數(shù)據(jù)可知，船鐘信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸率為 4800bit/s，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，每秒鐘傳輸1幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含6個(gè)字節(jié)，采用二進(jìn)制傳輸，幀格式為：ABHMSV，其中：AB為幀同步碼，占用2個(gè)字節(jié)，有兩種同步碼，分別為二進(jìn)制FAFB、FCFD，交替出現(xiàn)；H為小時(shí)，占用1個(gè)字節(jié)；M為分鐘，占用1個(gè)字節(jié)；S為秒鐘，占用1個(gè)字節(jié)；V為校驗(yàn)碼，占用1個(gè)字節(jié)，且V=H+M+S。

圖2 串口調(diào)試數(shù)據(jù)

2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船鐘信號(hào)接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

船鐘信號(hào)從計(jì)算機(jī)的串口輸入，由于船鐘信號(hào)為RS-422接口電平，計(jì)算機(jī)串口為RS-232接口電平，兩者不能相互兼容，必須進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。鑒于船鐘信號(hào)傳輸速率不高，且為單向傳輸，為提高系統(tǒng)抗干擾性和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文中的接口轉(zhuǎn)換沒有采用專用RS-422/RS-232接口轉(zhuǎn)換器，而是設(shè)計(jì)了一款隔離型接口轉(zhuǎn)換器，電路原理見圖3。

圖3 RS-422/RS-232接口轉(zhuǎn)換電路原理圖

RS-422接口數(shù)據(jù)為正邏輯判決[1]，船鐘信號(hào)通過串行差分端口R+、R-輸入，R+為正電平輸入，R-為負(fù)電平輸入，差分電壓為±2～±6V，當(dāng) R+電平大于 R-電平時(shí)代表邏輯“1”，反之代表邏輯“0”。RS-232接口數(shù)據(jù)為負(fù)邏輯判決，數(shù)據(jù)從RXD端口輸入計(jì)算機(jī)，電壓范圍為±3～±15V，當(dāng)信號(hào)電壓小于-3V時(shí)代表邏輯“1”，信號(hào)電壓大于3V時(shí)代表邏輯“0”。計(jì)算機(jī)串口兼容非標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平，對(duì)正邏輯的判決范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，即信號(hào)電壓大于3V代表邏輯“0”，信號(hào)電壓小于3V代表邏輯“1”[2]。

本文設(shè)計(jì)的隔離型接口轉(zhuǎn)換器采用串口自供電設(shè)計(jì)，電路工作電壓由串口的DTR、RTS信號(hào)產(chǎn)生，DTR、RTS信號(hào)通過隔離二極管D1、D2組成的加法器后，經(jīng)電容C1濾波，產(chǎn)生約8V的直流電壓為其他電路提供工作電壓。差分電壓從R+、R-端接入光電隔離器U1的輸入端，當(dāng)R+電平大于 R-時(shí)，光電耦合器輸出端3、4腳導(dǎo)通，串口接收端RXD接地為低電平，當(dāng)R+電平小于R-時(shí)，光電耦合器輸出端3、4腳截止，在上拉電阻R2的作用下，串口接收端RXD為約8V電壓的高電平。光電耦合器不僅起到了信號(hào)隔離的作用，而且實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的極性變換，即將輸入的RS-422接口的正邏輯判決轉(zhuǎn)換成RS-232接口的負(fù)邏輯判決，使得輸入信號(hào)邏輯正確。圖3中各元件參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)確定，確保在輸入電壓±2～±6V范圍內(nèi)輸出電壓滿足RS-232接口電平規(guī)范要求。

2.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)器端軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是船鐘時(shí)間的接收解調(diào)與顯示、本地計(jì)算機(jī)時(shí)間的顯示、實(shí)時(shí)計(jì)算本機(jī)時(shí)間與船鐘時(shí)間的誤差，根據(jù)設(shè)置可控制本機(jī)時(shí)間是否同步到船鐘時(shí)間；二是提供網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)，將本地計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，并按照規(guī)定的協(xié)議向客戶端傳送時(shí)間信息。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)采用RFC868時(shí)間協(xié)議，這個(gè)協(xié)議可工作在TCP和UDP協(xié)議下，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)工作在 UDP協(xié)議下，通過UDP協(xié)議工作的時(shí)間協(xié)議的工作過程為：S: 檢測(cè)端口37；C: 發(fā)送一個(gè)空數(shù)據(jù)報(bào)到端口37； S:接收這個(gè)空數(shù)據(jù)報(bào)；S:發(fā)送包含32位二進(jìn)制數(shù)（用于表示時(shí)間）的數(shù)據(jù)報(bào)；C: 接收時(shí)間數(shù)據(jù)報(bào)。這里S代表服務(wù)器，C代表客戶。

服務(wù)器在端口37上監(jiān)聽數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包來到后，服務(wù)器返回一個(gè)包含32位的時(shí)間的數(shù)據(jù)包。如果服務(wù)器不能決定現(xiàn)在是什么時(shí)間，服務(wù)器會(huì)拋棄接收到的數(shù)據(jù)報(bào)而不作出任何應(yīng)答。

服務(wù)器端軟件采用Delphi 2007開發(fā)，軟件界面見圖4。船鐘信號(hào)接收由串口通信控件ComPort實(shí)現(xiàn)，串口初始化參數(shù)：波特率4800bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，流控制參數(shù)中DTR、RTS設(shè)置為Enable，用于為接口轉(zhuǎn)換電路提供電源。時(shí)間協(xié)議服務(wù)器由 Indy控件中的TdTimeUDPServer組件實(shí)現(xiàn)，軟件啟動(dòng)時(shí)讀取本機(jī)IP地址作為時(shí)間協(xié)議服務(wù)器地址。船鐘時(shí)間由接收到的串口數(shù)據(jù)包中提取，本機(jī)時(shí)間由GetLocalTime(LocalTime)函數(shù)取得，同步時(shí)間由SetLocalTime(ShipTime)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，時(shí)間誤差單位為秒，計(jì)算公式如下：

圖4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)器端軟件界面

2.3 客戶端軟件設(shè)計(jì)

圖5 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步客戶端軟件界面

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步客戶端軟件采用Delphi 2007開發(fā)，界面見圖5。客戶端軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是本地計(jì)算機(jī)時(shí)間顯示、計(jì)算本機(jī)時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間的誤差；二是利用服務(wù)器時(shí)間校準(zhǔn)本機(jī)時(shí)間。時(shí)間協(xié)議客戶端由Indy控件中的Td Time UDP組件實(shí)現(xiàn)[3]，獲取服務(wù)器時(shí)間時(shí)，客戶端向設(shè)置的服務(wù)器地址發(fā)送請(qǐng)求，從返回的數(shù)據(jù)報(bào)中提取服務(wù)器時(shí)間，本機(jī)時(shí)間由 GetLocalTime(LocalTime)函數(shù)取得，校對(duì)時(shí)間由IdTimeUDP組件的SyncTime方法實(shí)現(xiàn)，時(shí)間誤差的計(jì)算與服務(wù)器端軟件相同。

3 時(shí)間校準(zhǔn)精度分析

船子母鐘系統(tǒng)的母鐘采用高穩(wěn)定晶體振蕩器作為頻率源，其頻率準(zhǔn)確度約 1×10-7～1×10-8以上，取平均值5×10-8計(jì)算，估算年誤差為：

ΔTShip=5×10-8×365×24×60×60=1.6s

年誤差不到2s，走時(shí)精度比較高。如果定期采用外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（一般采用GPS時(shí)間）進(jìn)行校準(zhǔn)，走時(shí)精度將更高。

計(jì)算機(jī)一般采用普通晶體振蕩器作為頻率源，其頻率準(zhǔn)確度約5×10-5～1×10-5，取平均值2.5×10-5計(jì)算，估算年誤差為：

ΔTPC=2.5×10-5×365×24×60×60 =788.4 s

平均每天誤差2 s左右，由于計(jì)算機(jī)時(shí)間受操作系統(tǒng)和所運(yùn)行的軟件影響較大，實(shí)際誤差比理論估算值更大。時(shí)間協(xié)議的同步誤差小于1 s。結(jié)合以上估算結(jié)果知，采用船鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)可將計(jì)算機(jī)時(shí)間精度提高近500倍，可滿足大多數(shù)對(duì)時(shí)間敏感的分布式應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)時(shí)間精度的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于船鐘信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)在某大型船舶辦公計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、工作計(jì)劃自動(dòng)廣播系統(tǒng)中得到了推廣應(yīng)用。該系統(tǒng)較好的解決了無互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步服務(wù)器和船舶跨時(shí)區(qū)時(shí)計(jì)算機(jī)時(shí)間同步的問題，大大提高了計(jì)算機(jī)時(shí)間精度。

[1]郭詮水. 通信設(shè)備接口協(xié)議手冊(cè)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

[2]李江全, 曹衛(wèi)彬, 鄭瑤, 等. 計(jì)算機(jī)典型測(cè)控與串口通信開發(fā)軟件應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[3]呂偉臣, 霍言, 高小山. Delphi2005入門與提高[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

Design and Realization of Network Time Synchronization System Based on Ship-borne Clock

HUANG Guo-xiong, ZHUANG Qian-bo, YIN Wen-tao
(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangsu Jiangyin 214431, China)

The feature of ship-borne clock is obtained by the analysis of network time synchronization system. Based on precise ship-borne clock, the system including low-cost serial peripheral, network time synchronization server and client are put forward. The computers can check time by system, which are on offshore ship without world-wide network time synchronization server. Not only the precision of computer time is improved greatly, but also the time automatic check can be realized across the time zone.

primary-secondary clock; low-cost peripheral; time check; time protocol

TP393.0

A

黃國(guó)雄（1977-），男，工程師。主要從事通信總體工作。