用GPS同步地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)-

1、城軌交通用GPS 同步地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)譚明勇3方薇33隋志國(guó)333摘要:利用全球定位系統(tǒng)(G PS 同步地鐵時(shí)鐘系統(tǒng),介紹了用G PS 進(jìn)行時(shí)間同步的原理,并結(jié)合北京地鐵的實(shí)際應(yīng)用介紹了G PS 同步儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。關(guān)鍵詞:G PS 地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)同步中心一級(jí)母鐘Abstract :Synchronize the clock system through the G lobal P osition System (G PS in subway is studied ,the principle of time 2synchronization according to the theory of G

2、 PS is introduced ,and a G PS synchronizing instrument using in Beijing subway is als o dealt with.K ey w ords :G PS ,Subway clock system ,Synchronizing ,Central primary master clock 3青島市廣播電視科研所高級(jí)工程師,266071山東青島33北京地鐵總公司通信信號(hào)段高級(jí)工程師,100088北京333青島市廣播電視科研所研究員,266071山東青島地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分,為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的定時(shí)同

3、步信號(hào),使整個(gè)地鐵執(zhí)行統(tǒng)一的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn),確保通信系統(tǒng)及其他重要控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。1地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)的構(gòu)成地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)使用G PS 技術(shù)進(jìn)行同步時(shí)間校準(zhǔn),采用控制中心(OCC 及車站(車輛段2級(jí)組網(wǎng)方式?？刂浦行脑O(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)接收單元、中心一級(jí)母鐘、中心接口和網(wǎng)絡(luò)管理終端等;車站(車輛段設(shè)置有車站接口、二級(jí)母鐘和時(shí)間顯示單元(簡(jiǎn)稱子鐘等。中心一級(jí)母鐘依靠接收外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)來校準(zhǔn),避免產(chǎn)生累計(jì)誤差;中心一級(jí)母鐘通過中心接口定時(shí)向二級(jí)母鐘發(fā)送時(shí)間編碼信號(hào),以校準(zhǔn)二級(jí)母鐘;中心一級(jí)母鐘提供嚴(yán)格同步的時(shí)碼輸出,能夠在整秒時(shí)刻給地鐵其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)信號(hào)(包括日期和時(shí)間信息。圖1是北京地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)的構(gòu)

4、成框圖。其中G PS 定時(shí)同步儀位于系統(tǒng)最前端,它接收G PS 衛(wèi)星信號(hào),從中解出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),用來同步中心一級(jí)母鐘?？紤]到地鐵環(huán)境的特殊性,中心一級(jí)母鐘A 、B 2套,互為主備,并能自動(dòng)倒換。中心一級(jí)母鐘的時(shí)間碼信號(hào)經(jīng)不同的中心接口產(chǎn)生不同的信道編碼,分別傳往地鐵各線路,校準(zhǔn)各個(gè)車站的二級(jí)母鐘。二級(jí)母鐘同步于中心一級(jí)母鐘,控制本站內(nèi)的所有子鐘 。圖1北京地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)的構(gòu)成框圖另外,G PS 定時(shí)同步儀還輸出2048kH z 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào),用于同步其他通信系統(tǒng),這樣既保證了整個(gè)地鐵系統(tǒng)的時(shí)間是統(tǒng)一的,同時(shí)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相比也是準(zhǔn)確的,極大地滿足了各個(gè)系統(tǒng)的要求。2GPS 定時(shí)同步儀的開發(fā)采用G

5、 PS 2OE M 接收板,配上自行開發(fā)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),以構(gòu)成實(shí)用的G PS 系統(tǒng)。G PS 2OE M 板將接收解譯的導(dǎo)航電文,經(jīng)串行口輸出送給用戶計(jì)算機(jī)。71用G PS 同步地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)譚明勇,方薇,隋志國(guó)所有的G PS 2OE M 接收板都輸出NME A 20183和二進(jìn)制2種數(shù)據(jù)格式。NME A 20183格式由美國(guó)國(guó)家海洋電子學(xué)會(huì)制定,采用ASC 碼,各公司的OE M 板輸出的NME A 20183格式基本相同,目前已得到廣泛應(yīng)用。這種統(tǒng)一的格式方便了用戶對(duì)G PS 2OE M 板的二次開發(fā)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)判讀NME A 20183語句,從中解譯出定位、定時(shí)信息。GG A

6、是最常用的NME A 20183語句,輸出G PS 定位數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)。定時(shí)同步儀主要是讀取該語句。北京地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)采用的G PS 2OE M 接收板,有12個(gè)并行接收通道,可跟蹤視野中最多的12顆衛(wèi)星。具有2個(gè)串行口,缺省設(shè)置下串口1自動(dòng)以NME A 20183格式輸出導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),且按RS232標(biāo)準(zhǔn)接口的4800baud/s 、8位數(shù)據(jù)、無奇偶校驗(yàn)、1位起始位和1位停止位輸出,每秒輸出1次。串口1也可接收用戶的控制信號(hào)。該接收板還具有秒脈沖(1PPS 和10kH z 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。本系統(tǒng)最重要的是在GG A 語句中輸出的時(shí)間碼和1PPS 。圖2G PS 定時(shí)同步儀結(jié)構(gòu)以G PS 2OE M

7、 板為基礎(chǔ)的G PS 定時(shí)同步儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。G PS 射頻前端接收G PS L 1波段的導(dǎo)航電文,其片內(nèi)集成了低噪聲前置放大器、VC O 、多路輸入開關(guān)、分頻器、AG C 、P LL 等多個(gè)功能單元,用外接的濾波器濾取L 1載波,再通過2次變頻處理,最后把采樣的二次中頻和包含數(shù)據(jù)信息的同步正交調(diào)相信號(hào)送給DSP 芯片。DSP 芯片是個(gè)12通道單片數(shù)字信號(hào)處理器,內(nèi)含處理G PS 信號(hào)的專用硬件電路,如時(shí)頻信號(hào)發(fā)生器、G PS 信號(hào)處理器自測(cè)試單元、頻率溫控單元等。OE M 接收板同時(shí)輸出1PPS 和包含日歷時(shí)間信息的GG A 語句,其1PPS 與UT C 嚴(yán)格同步,但其GG A 語句有一定

8、的隨機(jī)性,即與1PPS 不嚴(yán)格同步。作為一個(gè)高精度的時(shí)鐘系統(tǒng),其輸出信號(hào)應(yīng)保證秒的前沿是準(zhǔn)確的,同時(shí)其時(shí)間數(shù)據(jù)也應(yīng)是實(shí)時(shí)的,不應(yīng)抖動(dòng)。鑒于此,我們開發(fā)的G PS 定時(shí)同步儀的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分,采用了2個(gè)單片機(jī)同時(shí)工作,如圖3所示 。圖3G PS 定時(shí)同步儀的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分圖單片機(jī)采用89C51微處理器,主要作用是讀取OE M 板串口1輸出的NME A 20183標(biāo)準(zhǔn)的GG A 語句,軟件不斷讀取串行數(shù)據(jù),判斷到數(shù)據(jù)頭$G PGG A 之后讀入標(biāo)準(zhǔn)UT C 時(shí)間碼,并根據(jù)校驗(yàn)和判斷時(shí)碼是否正確。單片機(jī)將讀得的時(shí)間碼數(shù)據(jù),在2個(gè)1PPS 的間隙以并行方式傳送給單片機(jī)。單片機(jī)讀入時(shí)碼并作加1s

9、 的運(yùn)算,在下一個(gè)1PPS 信號(hào)到來時(shí),根據(jù)1PPS 信號(hào)引發(fā)的中斷,實(shí)時(shí)地按輸出格式要求編碼串行輸出。其前沿由硬件電路對(duì)1PPS 信號(hào)整形、整寬之后先行輸出,這樣就可保證串行輸出時(shí)碼的精度與G PS 2OE M 板的輸出精確同步,同步精度可以作到1s ,具有穩(wěn)定的開機(jī)重現(xiàn)性。單片機(jī)和之間的數(shù)據(jù)交換采用并行方式,借鑒了PC 機(jī)打印口的通信協(xié)議,通過軟件編程,實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)并行數(shù)據(jù)傳輸,其時(shí)序如圖4所示,各信號(hào)的定義描述如下。DAV 信號(hào):由單片機(jī)控制,其高電平表明數(shù)據(jù)口D 0D 7的數(shù)據(jù)有效,單片機(jī)可以讀取。D 0D 7數(shù)據(jù):由單片機(jī)寫,單片機(jī)讀。ANS 信號(hào):由單片機(jī)控制作為應(yīng)答信號(hào),低電平表

10、示空閑,高電平表示已成功讀完數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)過程為:單片機(jī)要傳送數(shù)據(jù)時(shí),首先判斷ANS 信號(hào)線的狀態(tài),ANS 為低電平時(shí)表示單片機(jī)空閑,單片機(jī)此時(shí)可以送出并行8bit 數(shù)據(jù),同時(shí)將DAV 信號(hào)線置為高電平;單片機(jī)由DAV 信號(hào)的高電平觸發(fā),讀入數(shù)據(jù),然后將應(yīng)答信號(hào)置為高,(下轉(zhuǎn)第33頁(yè)81鐵道通信信號(hào)2002年第38卷第2期通信機(jī)械室1通信機(jī)械室2通信機(jī)械室n ,通信機(jī)械室n 至音頻轉(zhuǎn)接通信站間有另一條自愈環(huán)備用通道。在通信實(shí)現(xiàn)光纖接入網(wǎng)的條件下,這種通信是可靠的;在未實(shí)現(xiàn)光纖接入網(wǎng)的地方,則無法用備用通道實(shí)現(xiàn)自愈環(huán),而且多個(gè)車站通信機(jī)械室設(shè)備相應(yīng)連接很難保證正常的通信。114撥號(hào)上網(wǎng)通信

11、當(dāng)調(diào)度所至各變電所之間無法實(shí)現(xiàn)以上3種通信中的任一種時(shí),就只能利用公用電話網(wǎng)以撥號(hào)方式進(jìn)行通信.如圖2 所示。圖2撥號(hào)上網(wǎng)通信為了使通信不堵塞,調(diào)度所至電話網(wǎng)之間宜有備用通道。這種方式也能實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化,但其最大的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)沒有實(shí)時(shí)性,而且變電所采集設(shè)備故障時(shí),要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能建立起正常通信。2調(diào)度所至中心通信站的通信電力調(diào)度所往往與中心通信站間隔數(shù)百米至數(shù)千米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸距離不大于15m (電纜芯線線徑<=0175mm 時(shí)的范圍,而且中心通信站至調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備往往是以音頻口對(duì)接。因此,為了保證能正常通信,在調(diào)度端需加M odem ,即使中心通信站對(duì)調(diào)度端使用數(shù)據(jù)口也要用數(shù)據(jù)

12、M odem 。另一種情況是當(dāng)調(diào)度所與中心通信站的距離不超過1000m 時(shí),可將M odem 改為RS485(全雙工通信時(shí)可轉(zhuǎn)為RS422,但RS485本身不帶電源,需從通信設(shè)備的音頻板端子獲取9V 電源才能正常運(yùn)行,音頻板電路可能受到損害,因此采用RS485不盡合理。3通信機(jī)械室至變電所的通信沿線車站通信機(jī)械室至變電所的距離不超過1000m 時(shí),可以采用以上的調(diào)度所至中心通信站的通信方式,而且通信機(jī)械室對(duì)外端口要與中心通信站相應(yīng)地同為音頻口或數(shù)據(jù)口。當(dāng)通信機(jī)械室至變電所的距離超過1000m 時(shí),就可考慮采用光纜線路上光電轉(zhuǎn)換設(shè)備,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的傳輸。電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)需要有高質(zhì)量的信道,近年來

13、隨著鐵路通信接入網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而迅速發(fā)展起來。另外,調(diào)度所設(shè)備及終端采集設(shè)備與通信設(shè)備的接口較豐富,它因通信設(shè)備制式、廠家的不同存在較大的差異,不同的設(shè)備需配備具體相應(yīng)的接口才能正常運(yùn)行。不過,對(duì)于不同拓樸結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng),M odem 具有動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)的功能。它能對(duì)信道傳送能力(S/N 進(jìn)行識(shí)別,自適應(yīng)地把數(shù)據(jù)傳送速率調(diào)整在600b/s ×2n -1,其中,n =1,2,3。(收稿日期:2001211202(上接第18頁(yè)再進(jìn)行必要的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ);單片機(jī)通過ANS 信號(hào)得知單片機(jī)讀完數(shù)據(jù)后,恢復(fù)數(shù)據(jù)有效位,等待;單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)后再將ANS 應(yīng)答信號(hào)置低電平,此時(shí)又可以進(jìn)行下一個(gè)8bit 數(shù)據(jù)的傳輸 。圖4并行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖另外,G PS 接收板還具有10kH z 標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出,本應(yīng)用中設(shè)計(jì)了2048kH z 信號(hào)發(fā)生模塊,用于通信系統(tǒng)的同步,其