劉澤水+鄒海東

摘??要：針對在任務(wù)中使用示波器監(jiān)測時統(tǒng)同步精度時，崗位人員需長時間密切注視示波器狀態(tài)，極易疲勞，且不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，延誤處理時機，影響任務(wù)順利完成。提出了一種時統(tǒng)秒同步故障遠程預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計思路，利用示波器通信擴展模塊TDS2CM采集示波器監(jiān)測信號，經(jīng)過單片機和網(wǎng)絡(luò)模塊處理，傳輸?shù)絀P網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。當本機秒和外秒的同步精度超出某一設(shè)定的數(shù)值時觸發(fā)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(guī)定的技術(shù)指標范圍，達到故障預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞：時統(tǒng)?同步?預(yù)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(tǒng)設(shè)備作為任務(wù)的重要設(shè)備，承擔著為其它系統(tǒng)提供標準時間和標準頻率信號，實現(xiàn)時間同步的重要任務(wù)。在任務(wù)過程中，時統(tǒng)設(shè)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(tǒng)時碼設(shè)備產(chǎn)生的本機秒信號的秒前沿與外秒信號秒前沿取齊，實現(xiàn)同步的目的，時統(tǒng)設(shè)備對時原理如圖1所示。所謂“守時”，就是對時完畢后，時統(tǒng)設(shè)備按照自身的頻率進行走時，并將時碼信號傳輸給時統(tǒng)用戶。所以，時統(tǒng)設(shè)備所采用的頻率標準的頻率準確度和穩(wěn)定度決定了時碼信號的精度。時統(tǒng)設(shè)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(chǎn)生一定漂移，使時碼信號的秒信號隨之產(chǎn)生漂移，開機時間越長，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，時統(tǒng)崗位人員需用示波器實時監(jiān)測時統(tǒng)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(guī)定的技術(shù)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(fù)到正常范圍內(nèi)。

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(lián)系人，E-mail：maohpu@126.com

圖1?時統(tǒng)設(shè)備對時原理

然而，由于時統(tǒng)設(shè)備本身缺乏有效的故障監(jiān)測和預(yù)警手段，且在使用示波器監(jiān)測同步精度時，崗位人員需長時間密切注視示波器狀態(tài)，極易疲勞，無法及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，延誤處理時機，影響任務(wù)順利完成。設(shè)備由于老化嚴重，各項性能指標下降明顯，在過去任務(wù)中就曾經(jīng)發(fā)生過同步精度超出指標范圍而影響任務(wù)的情況。所以有必要設(shè)計一套時統(tǒng)秒同步故障預(yù)警系統(tǒng)對時統(tǒng)同步精度進行實時監(jiān)測，當同步精度超出某一設(shè)定的數(shù)值時觸發(fā)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(guī)定的技術(shù)指標范圍，達到故障預(yù)警的目的。

2?系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2?時統(tǒng)秒同步故障遠程預(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通信擴展模塊，它的作用是對數(shù)字示波器監(jiān)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(shè)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(zhuǎn)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(jù)采樣定理，采樣頻率F應(yīng)大于或等于被采樣信號的最高頻率f的2倍，即F≥2f?？紤]到實際恢復(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，通常取F=（2.5～5）f或者更高。當采樣的信號高達100MHZ時，就應(yīng)該達到500MHZ的采樣率。時統(tǒng)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(shù)指標要求，所以，要對時統(tǒng)秒信號進行采樣，信號采集設(shè)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(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、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(shù)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(yīng)軟件（如Matlab等）可以對示波器的數(shù)據(jù)、波形直接進行讀取和處理。所以，經(jīng)綜合考慮，時統(tǒng)秒同步故障遠程預(yù)警系統(tǒng)決定采用TDS2CM擴展模塊作為信號采集設(shè)備。

TDS2CM是Tektronix公司針對TDS200系列數(shù)字示波器開發(fā)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?qū)κ静ㄆ餍盘栠M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(tǒng)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(shù)字示波器，經(jīng)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(wǎng)絡(luò)模塊，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程監(jiān)控終端，實現(xiàn)時統(tǒng)秒同步故障的遠程監(jiān)控。

3?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要涉及兩個部分：單片機分系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)模塊對TDS2CM通信擴展模塊現(xiàn)場采集的串口數(shù)據(jù)進行解析與重新封裝處理，以利于網(wǎng)絡(luò)傳輸;遠程監(jiān)測終端能夠?qū)Λ@得的數(shù)據(jù)進行存儲、查詢以及實時預(yù)警等。

3.1?單片機分系統(tǒng)軟件處理

單片機部分的軟件主要完成現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與遠程傳輸，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)模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸。主要分為串口數(shù)據(jù)包的完整性檢測，數(shù)據(jù)預(yù)計算與現(xiàn)場預(yù)警，數(shù)據(jù)重新封裝與網(wǎng)絡(luò)傳輸三個部分。其基本實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3?單片機軟件處理流程圖

3.2?遠程監(jiān)測終端軟件處理

遠程監(jiān)測終端部分主要完成對實時獲取的遠程采集數(shù)據(jù)進行存儲、響應(yīng)查詢、實時故障預(yù)警等。為了能夠快捷、準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)計一個存儲數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。遠程監(jiān)測系統(tǒng)可以采用VC編程實現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的通信可以通過MFC?ODBC編程接口來實現(xiàn)，通過在監(jiān)測平臺中裝載ODBC驅(qū)動，軟件編程調(diào)用DatabaseConnect類，即可實現(xiàn)平臺與數(shù)據(jù)庫的通信。其基本軟件處理流程如圖4所示。

圖4?遠程監(jiān)測終端軟件處理流程圖

遠程監(jiān)測系統(tǒng)在運行之后，執(zhí)行與本地數(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程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，通過對數(shù)據(jù)包的解析處理之后，進行判斷是否超過預(yù)設(shè)的閾值，如果判斷結(jié)果為真，則進行遠程報警并轉(zhuǎn)入人工處理。同時將所解析的數(shù)據(jù)按照預(yù)定格式寫入本地數(shù)據(jù)庫。此后，通過數(shù)據(jù)可視化處理，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的可視化顯示，如此完成一個完整的數(shù)據(jù)采集與遠程預(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通信擴展模塊構(gòu)建時統(tǒng)秒同步故障遠程預(yù)警系統(tǒng)，具有幾個方面的優(yōu)點：一是硬件結(jié)構(gòu)搭建簡單易行，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;四是系統(tǒng)的可擴展性較強，因為數(shù)字示波器具有較高的數(shù)據(jù)采樣率，所以只需要對軟件系統(tǒng)進行修改，系統(tǒng)便可對其它高頻信號進行采集，構(gòu)建相應(yīng)的設(shè)備遠程監(jiān)控和故障預(yù)警系統(tǒng)。

參考文獻

[1]吳坤，張君.基于GPS的靶場時統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)研究[J].國防技術(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器件在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中的應(yīng)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