基于樹莓派研發(fā)的雙模授時系統(tǒng)

黃明亮

摘 要：作者通過樹莓派、UM220-III GNSS模塊、以及C#軟件研發(fā)GPS/北斗授時服務器。使用樹莓派的的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過配置樹莓派，從本地串口獲取數(shù)據(jù)，安裝配置NTP服務，并利用自研串口一分三模塊，通過C#平臺開發(fā)一套上位機串口時鐘同步軟件，搭建一套支持NTP授時，串口授時的北斗_GPS雙模授時系統(tǒng)，完成對空管系統(tǒng)的授時應用。

關鍵詞：UM220，樹莓派，北斗，GPS，NTP，串口報文

1引言：

作者之前基于STC12C5A60s2單片機和網(wǎng)絡模塊W5500，開發(fā)了一套時鐘授時服務器，硬件電路簡單，成本低廉，使用維護方便。為了進一步提高授時服務器性能和準確性，作者利用樹莓派作為處理器，利用樹莓派強大的處理性能，研發(fā)了新一套高性能、精準授時時鐘服務器。

2研發(fā)背景：

桂林空管站技保部目前配置兩套GPS時鐘授時系統(tǒng)，一套是川大智勝的GPS時鐘授時系統(tǒng)，另一套是美國Symmetricom公司的GPS服務器。川大智勝的GPS時鐘授時系統(tǒng)通過時間同步系統(tǒng)分發(fā)主機為用戶提供串口時間報文，并在各個引接該系統(tǒng)時鐘的主機上安裝上位機軟件，完成對該系統(tǒng)的授時應用。桂林空管站采用該種方式獲取GPS時間的系統(tǒng)主要有：ATC3000自動化系統(tǒng)，64路和48路青島宏光轉(zhuǎn)報機，HT記錄儀，MDSL記錄儀，氣象自觀設備等。

美國Symmetricom公司的GPS服務器，通過一臺交換機提供NTP授時服務。在被授時的客戶機上設置好服務器IP地址，即可通過NTP協(xié)議方式獲取GPS時間，完成時間同步。桂林空管站采用該種方式獲取GPS時間的系統(tǒng)主要有：新舊兩套telephonics自動化系統(tǒng)，F(xiàn)A36網(wǎng)管，F(xiàn)REQUENTIS內(nèi)話系統(tǒng)，快速檢測系統(tǒng)等。

這兩套授時系統(tǒng)均只支持串口或者網(wǎng)絡其中一種授時方式，不滿足現(xiàn)階段空管眾多設備的授時需求。并且該時鐘服務器還存在時鐘翻轉(zhuǎn)和售后服務困難的問題，設備一旦出現(xiàn)故障，對空管安全生產(chǎn)將造成很大影響，基于此現(xiàn)狀，作者研發(fā)了支持串口和網(wǎng)絡兩種授時方式的授時服務器，以作為這兩套時鐘服務器故障后的備份保障工具。

3系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)是基于和芯星通的UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊、樹莓派和網(wǎng)絡模塊W5500開發(fā)，使用樹莓派作為處核心處理模塊，利用樹莓派的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過編程配置，完成NTP授時功能。

3.1硬件設計

UM220-III N模塊能夠同時支持BD2 B1，GPS L1兩個頻點，接收北斗和GPS衛(wèi)星信號。該模塊串口1為主串口，輸入輸出信號類型為LVTTL電平，默認波特率為9600bps，最高可以設為115200bps，可自行配置。模塊上還集成了MAX232芯片，提供EIA/TIA-232-E標準電平，以便與PC機等通過RS232串口進行通信。

樹莓派它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口），可連接鍵盤、鼠標和網(wǎng)線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。

網(wǎng)絡授時模塊：UM220-III N模塊輸出的時間信息，通過串口轉(zhuǎn)USB線輸出至樹莓派，在樹莓派上安裝ntpd，并配置ntpd從本地串口獲取數(shù)據(jù)，啟用NTP服務，完成NTP授時功能。具體步驟如下：

關閉樹莓派的串口登陸功能，使得樹莓派可以使用GPIO 14和GPIO15作為串口通信。通過指令sudo raspi-config進行配置，找到Serial這一項，選擇disable。

通過指令cat/dev/ttyAMA0測試串口，查看樹莓派能否讀取UM220-III N模塊輸出的語句

安裝配置ntp服務，通過編輯/etc/ntp.conf文件，配置ntpd連接本地串口并獲取gps時鐘信息，配置完成重啟ntp服務sudo service ntp restart

串口授時模塊：UM220-III N輸出的時間信息，通過自研串口一分三模塊輸出至需要授時的設備，在設備上安裝自研上位機軟件，獲取精確時間，完成串口授時功能。

3.2上位機軟件設計

本系統(tǒng)上位機軟件采用C#平臺開發(fā)，軟件包括串口接收模塊、UTC時間轉(zhuǎn)換模塊、授時模塊、圖形界面模塊。

串口接收模塊：接收UM220發(fā)出的串口報文，利用編程指令完成時間信息接收和處理;

UTC時間轉(zhuǎn)換模塊：衛(wèi)星提供的時間是UTC時間，與北京時間相差八小時，并且為了保證系統(tǒng)的可靠性，時間轉(zhuǎn)換過程需要考慮閏年等情況

授時模塊：處理串口報文，并利用編程指令對系統(tǒng)進行授時，授時的頻率可以按需更改

圖形界面模塊：通過友好的界面開啟串口授時，并負責將接收到的時間信息，顯示到指定位置。

4結束語

本文介紹的基于樹莓派研發(fā)的雙模授時系統(tǒng)，不僅能夠提供精確的NTP授時和串口報文授時，而且具有硬件電路清晰，編程方便，性能穩(wěn)定的特點，具有一定的使用價值。