時間統一系統秒同步故障遠程預警系統設計

劉澤水+鄒海東

摘??要：針對在任務中使用示波器監測時統同步精度時，崗位人員需長時間密切注視示波器狀態，極易疲勞，且不能及時發現設備故障，延誤處理時機，影響任務順利完成。提出了一種時統秒同步故障遠程預警系統的設計思路，利用示波器通信擴展模塊TDS2CM采集示波器監測信號，經過單片機和網絡模塊處理，傳輸到IP網絡實現遠程監控。當本機秒和外秒的同步精度超出某一設定的數值時觸發聲音告警，及時提醒崗位人員進行手動同步操作，防止同步精度超出規定的技術指標范圍，達到故障預警的目的。

關鍵詞：時統?同步?預警?TDS2CM

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：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

時統設備作為任務的重要設備，承擔著為其它系統提供標準時間和標準頻率信號，實現時間同步的重要任務。在任務過程中，時統設備需要進行“對時”和“守時”操作。所謂“對時”，就是以GPS秒信號或者銣守時鐘等外秒信號作為對時標準，使時統時碼設備產生的本機秒信號的秒前沿與外秒信號秒前沿取齊，實現同步的目的，時統設備對時原理如圖1所示。所謂“守時”，就是對時完畢后，時統設備按照自身的頻率進行走時，并將時碼信號傳輸給時統用戶。所以，時統設備所采用的頻率標準的頻率準確度和穩定度決定了時碼信號的精度。時統設備采用銣原子鐘作為頻率標準，在開機運行過程中，銣原子鐘的頻率會產生一定漂移，使時碼信號的秒信號隨之產生漂移，開機時間越長，產生的漂移值就越大，最終超出所容許的范圍。所以，在任務中，時統崗位人員需用示波器實時監測時統本機秒信號與外秒信號的同步精度。當兩者的同步精度超出規定的技術指標范圍時，需要崗位人員及時進行手動同步操作，使同步精度恢復到正常范圍內。

收稿日期：

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

*通訊聯系人，E-mail：maohpu@126.com

圖1?時統設備對時原理

然而，由于時統設備本身缺乏有效的故障監測和預警手段，且在使用示波器監測同步精度時，崗位人員需長時間密切注視示波器狀態，極易疲勞，無法及時發現設備故障，延誤處理時機，影響任務順利完成。設備由于老化嚴重，各項性能指標下降明顯，在過去任務中就曾經發生過同步精度超出指標范圍而影響任務的情況。所以有必要設計一套時統秒同步故障預警系統對時統同步精度進行實時監測，當同步精度超出某一設定的數值時觸發聲音告警，及時提醒崗位人員進行手動同步操作，防止同步精度超出規定的技術指標范圍，達到故障預警的目的。

2?系統硬件設計

系統硬件結構如圖2所示。

圖2?時統秒同步故障遠程預警系統硬件結構

從圖中可以看出，該系統采用了TDS2CM通信擴展模塊，它的作用是對數字示波器監測信號進行采集。當要對一個高頻信號（比如高達100MHZ的雷達波形）進行采集和處理的時候。通常會設計一個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轉換部分等，這種電路的要求非常高，要求邊采集邊存儲，電路速度高，而且要考慮各種輻射干擾等，同時，目前市場上成品價格很難承受。并且根據采樣定理，采樣頻率F應大于或等于被采樣信號的最高頻率f的2倍，即F≥2f。考慮到實際恢復波形的低通濾波器不可能具有完全理想的特性，為了正確恢復信號，通常取F=（2.5～5）f或者更高。當采樣的信號高達100MHZ時，就應該達到500MHZ的采樣率。時統本機秒和外秒信號的同步精度通常需要達到幾十個納秒才能滿足技術指標要求，所以，要對時統秒信號進行采樣，信號采集設備就需要達到1GS/S左右的采樣率。這是一般信號采集卡所達不到的，即便能達到，價格也非常昂貴。

Tektronix公司的TDS200系列數字示波器早已經在各處得到廣泛應用，并且其配套的擴展模塊TDS2CM具有與外部設備雙向通信的功能，可直接與打印機、計算機連接，使波形的存儲打印等工作變得十分方便。其中TDS220數字示波器擁有100MHZ的帶寬，以10倍的掃描方式，達到1GS/S的采樣率。?當配套的TDS2CM模塊采用RS232電纜用串口通信與計算機連接后，利用相應軟件（如Matlab等）可以對示波器的數據、波形直接進行讀取和處理。所以，經綜合考慮，時統秒同步故障遠程預警系統決定采用TDS2CM擴展模塊作為信號采集設備。

TDS2CM是Tektronix公司針對TDS200系列數字示波器開發的通信擴展模塊，可直接插入任何TDS200系列示波器的后面板，能夠對示波器信號進行采集處理。該模塊有GPIB和RS232兩種接口，并配有一個centronics硬拷貝打印端口。

在該系統中，將時碼器輸出的本機秒信號和外秒信號通過示波器探頭輸入TDS220數字示波器，經TDS2CM通信擴展模塊采集后通過RS232接口傳輸至單片機進行處理。處理后的信號送入網絡模塊，經IP網絡傳送到遠程監控終端，實現時統秒同步故障的遠程監控。

3?系統軟件設計

系統的軟件設計主要涉及兩個部分：單片機分系統與網絡模塊對TDS2CM通信擴展模塊現場采集的串口數據進行解析與重新封裝處理，以利于網絡傳輸;遠程監測終端能夠對獲得的數據進行存儲、查詢以及實時預警等。

3.1?單片機分系統軟件處理

單片機部分的軟件主要完成現場監測數據的協議轉換與遠程傳輸，也就是將RS232的串口數據轉換為利于網絡傳輸的自定義數據包，再通過網絡模塊實現網絡遠程傳輸。主要分為串口數據包的完整性檢測，數據預計算與現場預警，數據重新封裝與網絡傳輸三個部分。其基本實現流程如圖3所示。

圖3?單片機軟件處理流程圖

3.2?遠程監測終端軟件處理

遠程監測終端部分主要完成對實時獲取的遠程采集數據進行存儲、響應查詢、實時故障預警等。為了能夠快捷、準確的為通信總體決策分析提供數據支持，需要給本系統所采集的數據設計一個存儲數據庫系統。遠程監測系統可以采用VC編程實現，實現數據庫的通信可以通過MFC?ODBC編程接口來實現，通過在監測平臺中裝載ODBC驅動，軟件編程調用DatabaseConnect類，即可實現平臺與數據庫的通信。其基本軟件處理流程如圖4所示。

圖4?遠程監測終端軟件處理流程圖

遠程監測系統在運行之后，執行與本地數據庫的連接建立工作。連接成功之后，系統在固定的端口接收遠程傳輸的數據包，通過對數據包的解析處理之后，進行判斷是否超過預設的閾值，如果判斷結果為真，則進行遠程報警并轉入人工處理。同時將所解析的數據按照預定格式寫入本地數據庫。此后，通過數據可視化處理，實現采集數據的可視化顯示，如此完成一個完整的數據采集與遠程預警流程。

4.結束語

利用已經廣泛使用的TDS200系列數字示波器和配套的TDS2CM通信擴展模塊構建時統秒同步故障遠程預警系統，具有幾個方面的優點：一是硬件結構搭建簡單易行，只需利用現有的TDS220數字示波器，購買相應的硬件模塊即可;二是所應用的通信技術成熟可靠;三是系統的可兼容性較強;四是系統的可擴展性較強，因為數字示波器具有較高的數據采樣率，所以只需要對軟件系統進行修改，系統便可對其它高頻信號進行采集，構建相應的設備遠程監控和故障預警系統。

參考文獻

[1]吳坤，張君.基于GPS的靶場時統系統技術研究[J].國防技術基礎，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器件在時間統一系統中的應用[J].電子測試，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