Устройство синхронизации времени

Для привязки (синхронизации) внешних событий к шкале мирового времени с одновременным повышением точности синхронизации времени предлагается устройство синхронизации времени, включающее приемник сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), выполненный с возможностью точной установки времени, процессор обработки данных и тактовый генератор, которые соединены с источником питания. НКА имеет первый вход для подключения антенны ГЛОНАСС/GPS (антенный вход), второй вход для подключения источника питания, и два выхода, соединенные с процессором обработки данных, имеющим пять входов: первый и второй входы, соединенные соответственно с выходами от приемника сигналов от НКА, третий вход для входа внешнего сигнала «Событие», четвертый вход, соединенный с выходом тактового генератора; пятый вход соединен с источником питания, и три выхода. Процессор обработки данных содержит тактовый счетчик, делитель частоты, формирователь импульсов для светодиодов, буфер данных, делитель частоты на два, буфер входных сообщений, блок передачи данных. Вход тактового генератора подключен к источнику питания, выход тактового генератора, через четвертый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом делителя частоты, первым входом тактового счетчика, выход которого соединен с первым входом буфера данных, соединенного своим выходом с первым входом блока передачи данных. Выход делителя частоты соединен с первым входом формирователя импульсов для светодиодов, выход которого через второй выход процессора обработки данных соединен с блоком световой индикации. Первый выход приемника сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) через первый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом тактового счетчика, вторым входом буфера данных, первым входом делителя частоты, третьим входом формирователя импульсов для светодиодов и входом делителя частоты на два, выход которого через третий выход процессора обработки данных соединен с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации. Второй выход приемника сигналов от НКА через второй вход процессора обработки данных соединен с входом буфера входных сообщений, выход которого соединен со вторым входом блока передачи данных, который в свою очередь через первый выход процессора обработки данных соединен с СОМ-портом персонального компьютера. Выход внешнего сигнала «Событие» через третий вход процессора обработки данных соединен с третьим входом буфера данных и со вторым входом формирователя импульсов для светодиодов. 5 ил.

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в автоматизированных системах управления и обработки данных.

Известен радиосервер точного времени РСТВ-01-01 (http://www.proryv.com/equipment/servers/rstv-01-01/), применяемый в составе автоматизированных информационно-измерительных систем: АСУ ТП, АИИС КУЭ, АСТУЭ. РСТВ-01 является базовым элементом для построения хронометрических систем и систем синхронизации времени различного назначения, обеспечивает точное единое время абонентов сети по эталонной шкале времени UTC (SU), а также обеспечивает регистрацию даты и времени событий и данных в автоматизированных системах. РСТВ-01-01 работает под управлением высокопроизводительного RISC процессора, имеет встроенное коммутационное поле для подключения внешних устройств, часы реального времени, поддерживает механизм автоматического включения резервного питания. На специальном выходе РСТВ-01-01 формируется собственная шкала времени (ШВ) - последовательность секундных импульсов, синхронизированных метками шкалы времени UTC. Информация о времени принимается от спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS и передается через порты изделия на устройства, включенные в информационно-измерительную систему. При передаче через порт Ethernet используется протокол NTP, передача через порты RS-232 и RS-422-1, RS-422-2 выполняется в формате пакета GPRMC. Основными функциями устройства являются: прием эталонных сигналов частоты и времени, передаваемых спутниковыми системами ГЛОНАСС/GPS; выдача информации о системном времени; синхронизация шкал времени системных таймеров компьютеров; протоколирование работы. Пределы допускаемой абсолютной погрешности синхронизации фронта импульсов 1 с относительно шкалы UTC (SU)±0,1 мкс.

Известно устройство синхронизации времени УСВ-2 (http://www.elec.ru/market/Ustrojstvo-sinhronizatsii-vremeni-USV-2-14937974793.html), предназначенное для обеспечения единого времени в автоматизированных информационно-измерительных системах (АИИС) и выполняющее измерение (формирование, счет) текущих значений времени и даты с коррекцией по сигналам навигационных систем ГЛОНАСС и/или GPS NAVSTAR, а также по сигналам проверки времени «6 точек». Далее эти данные передаются в АИИС для синхронизации текущих значений времени и даты. Основные функции:

формирование, счет и индикация текущих значений времени и календарной даты;

- первоначальная установка или коррекция текущих значений времени и календарной даты с помощью встроенного пульта оператора или с ЭВМ;

- синхронизация (установка в 00 значений минут и 00 секунд) или коррекция (установка текущих значений часа, минут, секунд) значений времени по сигналам проверки времени от внешнего источника (линейного выхода радиоприемника или радиотрансляционной сети); - синхронизация текущих значений времени (установка в 00 значений минут и 00 секунд) по сигналам ГЛОНАСС/ОРS-приемника;

- индикация питания, аварийной ситуации, правильного приема сигналов проверки времени; - вывод информации о времени и дате по каналу последовательной связи RS-232.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является установка синхронизации времени, содержащая базовую станцию, выполненную с возможностью точной установки времени, антенну ГЛОНАСС/GPS, усилительно-распределительное устройство, источник электрического питания и коммутатор подключения потребителей, причем антенна ГЛОНАСС/GPS подключена к первому входу базовой станции, первый выход базовой станции соединен с коммутатором, выполненным с возможностью подключения, по меньшей мере, одного компьютера потребителя, второй выход базовой станции подключен к входу усилительно-распределительного устройства, выход которого выполнен с возможностью подключения к, по меньшей мере, одним вторичным часам, при этом источник питания подключен ко второму входу базовой станции (патент 99202, G04C 11/02 (2006.01)). Разработанное устройство обеспечивает за счет конструктивных возможностей базовой станции:

- формирование и автономное хранение собственной шкалы времени;

- синхронизацию собственной шкалы времени по сигналам Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС);

- выдачу синхроимпульсов и сигналов по протоколам NTP и РТР;

- управление вторичными электронными часами;

- управление настройками по интерфейсу RS-232 и USB;

- ручной ввод часового пояса;

- автоматический или ручной переход с летнего времени на зимнее и обратно;

- ручной ввод времени;

- задание режимов и контроль работы приемника глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в числе которых ГЛОНАСС, GPS, Galileo, и т.д.

К недостаткам выше приведенных технических решений относятся:

- отсутствие функции фиксации временной величины рассогласования двух шкал времени - внешней шкалы времени потребителя к шкале мирового времени;

- невозможность сведения шкал времени фото и видео приемников к единой системе мирового времени;

- недостаточная точность синхронизации по протоколам NTP и РТР, особенно для часов, входящих в состав различных независимых друг от друга систем синхронизации.

Технической задачей полезной модели является возможность привязки (синхронизации) внешних событий к шкале мирового времени с одновременным повышением точности синхронизации времени.

Заявляемое устройство синхронизации времени включает приемник сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), выполненный с возможностью точной установки времени, процессор обработки данных и тактовый генератор, которые соединены с источником питания. НКА имеет первый вход для подключения антенны ГЛОНАСС/GPS (антенный вход), второй вход для подключения источника питания, и два выхода, соединенные с процессором обработки данных, имеющим пять входов:

первый и второй входы, соединенные соответственно с выходами от приемника сигналов от НКА, третий вход для входа внешнего сигнала «Событие», четвертый вход, соединенный с выходом тактового генератора;

пятый вход соединен с источником питания, и три выхода: первый связан с компьютером, второй - с блоком световой индикации, третий - с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации. В заявляемом устройстве приемник сигналов от навигационных космических аппаратов, используемый в качестве базовой станции, выполненной с возможностью точной установки времени.

Процессор обработки данных содержит тактовый счетчик, делитель частоты, формирователь импульсов для светодиодов, буфер данных, делитель частоты на два, буфер входных сообщений, блок передачи данных. Вход тактового генератора подключен к источнику питания, выход тактового генератора, через четвертый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом делителя частоты, первым входом тактового счетчика, выход которого соединен с первым входом буфера данных, соединенного своим выходом с первым входом блока передачи данных. Выход делителя частоты соединен с первым входом формирователя импульсов для светодиодов, выход которого через второй выход процессора обработки данных соединен с блоком световой индикации. Первый выход приемника сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) через первый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом тактового счетчика, вторым входом буфера данных, первым входом делителя частоты, третьим входом формирователя импульсов для светодиодов и входом делителя частоты на два, выход которого через третий выход процессора обработки данных соединен с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации. Второй выход приемника сигналов от НКА через второй вход процессора обработки данных соединен с входом буфера входных сообщений, выход которого соединен со вторым входом блока передачи данных, который в свою очередь через первый выход процессора обработки данных соединен с СОМ-портом персонального компьютера. Выход внешнего сигнала «Событие» через третий вход процессора обработки данных соединен с третьим входом буфера данных и со вторым входом формирователя импульсов для светодиодов.

В отличие от прототипа заявляемое устройство в качестве базовой станции, выполненной с возможностью точной установки времени, имеет приемник сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), с антенным входом и двумя выходами. Кроме того, оно содержит процессор обработки данных с возможностью подсоединения к внешним устройствам. Перечень фигур графического изображения:

- на фиг.1 представлена блок-схема устройства синхронизации времени;

- на фиг.2 показана временная диаграмма работы делителя частоты на два относительно фронта сигнала частотой равной 1 Гц;

- на фиг.3 изображена временная диаграмма записи данных в блок передачи данных;

- на фиг.4 изображена временная диаграмма работы формирователя импульсов для светодиодов;

- на фиг.5 изображена временная диаграмма записи данных с «Событием» в блок передачи данных.

Устройство синхронизации времени включает приемник сигналов от НКА 1, имеющий антенный вход, два выхода, соединенные с процессором обработки данных 2, имеющим входы: первый и второй входы, соединенные соответственно с выходами от приемника сигналов от НКА 1, третий вход для входа внешнего сигнала «Событие», четвертый вход, соединенный с выходом тактового генератора 3; и три выхода: первый связан с компьютером (на фигуре не показан), второй - с блоком световой индикации (на фигуре не показан), третий - с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации (на фигуре не показана).

Процессор обработки данных 2 содержит тактовый счетчик 4, делитель частоты 5, формирователь импульсов для светодиодов 6, буфер данных 7, делитель частоты на два 8, буфер входных сообщений 9, блок передачи данных 10. Выход тактового генератора 3, через четвертый вход процессора обработки данных 2 соединен со вторым входом делителя частоты 5, первым входом тактового счетчика 4, выход которого соединен с первым входом буфера данных 7, соединенного своим выходом с первым входом блока передачи данных 10, вход делителя частоты 5, соединен с первым входом формирователя импульсов для светодиодов 6, выход которого через второй выход процессора обработки данных 2 соединен с блоком световой индикации (на фигуре не показан). Первый выход НКА 1 через первый вход процессора обработки данных 2 соединен со вторым входом тактового счетчика 4, вторым входом буфера данных 7, первым входом делителя частоты 5, третьим входом формирователя импульсов для светодиодов 6 и входом делителя частоты на два 8, выход которого через третий выход процессора обработки данных 2 соединен с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации. Второй выход НКА 1 через второй вход процессора обработки данных 2 соединен с входом буфера входных сообщений 9, выход которого соединен со вторым входом блока передача данных 10, который в свою очередь через первый выход процессора обработки данных 2 соединен с СОМ-портом персонального компьютера. Выход внешнего сигнала «Событие» через третий вход процессора обработки данных 2 соединен с третьим входом буфера данных 7 и со вторым входом формирователя импульсов для светодиодов 6. Источник питания 11 соединен с базовой станцией, а именно, с приемником сигналов от НКА 1, и процессором обработки данных 2, и тактовым генератором 3.

Приемник сигналов от КНА 1 может быть любым со стандартным интерфейсом, имеющим выход секундной метки в виде электрического прямоугольного импульса с амплитудой 5 вольт, длительностью не более секунды, соединенным со входом 1 процессора обработки данных 2, и выход сообщений данных: день, месяц, год, час, минута, секунда, наносекунды мирового времени соответствующее каждой секундной метке, подключенный ко входу 2 процессора обработки данных 2.

Источник питания 11 подключен ко второму входу НКА 1, к пятому входу процессора обработки данных 2 и входу тактового генератора 3.

Блок световой индикации имеет стандартную светодиодную матрицу, содержащую 56 светодиодов. Работой блока световой индикации управляет формирователь импульсов для светодиодов 6.

Работает устройство синхронизации времени следующим образом. При включении заявляемого устройства от источника питания 11 одновременно включаются приемник сигналов от НКА 1, процессор обработки данных 2 и тактовый генератор 3, при этом формирование импульсов в формирователе импульсов для светодиодов 6 не происходит и с выхода делителя частоты на два 8 сигнал не выводится на выход 3 процессора обработки данных 2, т.к. до момента настройки приемника сигналов НКА 1 на мировое время по сигналам, поступающим со спутников и принятых его антенной, приемник сигналов от НКА 1 сигнал частотой равной 1 Гц не выдает. После настройки на мировое время приемник сигналов от НКА 1 начинает выдавать в процессор обработки данных 2 сигнал частотой равной 1 Гц. При поступлении фронта сигнала частотой равной 1 Гц обнуляются тактовый счетчик 4, делитель частоты 5, формирователь импульсов для светодиодов 6 и делитель частоты на два 8. После этого тактовый счетчик 4 начинает считать поступающие импульсы с тактового генератора 3, делитель частоты 5 начинает формировать выходной сигнал частотой равной 1 кГц., а делитель частоты на два 8, меняет свое предыдущее состояние на противоположное (т.е. если на выходе была логическая единица, то станет ноль и наоборот) (см. фиг.2). При поступлении следующего фронта сигнала частотой равной 1 Гц данные с тактового счетчика 4 поступают в буфер данных 7, и тактовый счетчик 4 обнуляется, а данные с буфера данных 7 передаются в блок передачи данных 10 и затем на первый выход процессора обработки данных 2 (см. фиг.3). При этом делитель частоты на два 8 меняет свое предыдущее состояние на противоположное, а делитель частоты 5 и формирователь импульсов для светодиодов 6 снова обнуляются.

При поступлении сигнала «Событие» через третий вход процессора обработки данных 2 в буфер данных 7 записывается количество отсчетов тактового счетчика 4 с момента прихода фронта сигнала частотой равной 1 Гц до момента прихода фронта сигнала «Событие». Одновременно сигнал «Событие» поступает в формирователь импульсов для светодиодов 6, который активируется при поступлении фронта сигнала частотой равной 1 Гц от входа 1 процессора обработки данных 2. После чего включается первый светодиод в блоке световой индикации. При поступлении сигнала с делителя частоты 5, т.е. через 1 миллисекунду, формирователь импульсов для светодиодов 6 одновременно выключает первый светодиод и включает второй светодиод. Таким образом, каждую миллисекунду включается очередной светодиод и выключается предыдущий (см. фиг.4). Так происходит до тех пор, пока не выключится последний пятьдесят шестой светодиод. После этого формирователь импульсов для светодиодов 6 переходит в режим ожидания следующего фронта сигнала частотой равной 1 Гц. При поступлении этого сигнала данные с тактового счетчика 4 сохраняются в буфере данных 7, и тактовый счетчик 4 обнуляется, а данные с буфера данных 7 передаются в блок передачи данных 10, как показано на фиг.5, и затем на первый выход процессора обработки данных 2, соединенного с СОМ-портом персонального компьютера. Количество тактов тактового генератора 3, отсчитываемых между фронтами сигнала частотой равной 1 Гц равно К, а количество тактов, отсчитываемых между фронтом сигнала частотой равной 1 Гц, и фронтом сигнала «Событие» равно K₁. Эти данные К и K ₁ обрабатываются с помощью программы обработки данных, позволяющей определять отношение K₁/K равное дробной части секунды на момент прихода внешнего сигнала «События», и записываются в протоколе, отмечая время произошедшего события, привязанное к шкале мирового времени. Делитель частоты на два 8 при этом меняет свое предыдущее состояние на противоположное, делитель частоты 5 обнуляется и формирователь импульсов для светодиодов 6 включает первый светодиод в блоке световой индикации.

Одновременно с описанной выше работой сигнал частотой равной 1 Гц поступает на вход делителя частоты на два 8, который формирует периодический сигнал частотой равной ¹/₂ Гц, фронт и спад которого привязаны к началу новой мировой секунды, что позволяет применять этот сигнал в качестве эталона начала мировой секунды для привязки нескольких шкал времени к единой системе мирового времени у приборов, имеющих вход синхронизации (компьютеры или любая другая аппаратура).

Параллельно с описанной выше работой выполняется обработка данных, переданных приемником сигналов от НКА 1 со второго выхода. Данные поступают в буфер входных сообщений 9, с которого передаются в блок передачи данных 10. Блок передачи данных 10 каждую секунду формирует пакет данных: день, месяц, год, час, минута, секунда, наносекунды мирового времени, соответствующие каждой секундной метке, который передается с первого выхода процессора обработки данных 2 в СОМ-порт компьютера для дальнейшей обработки.

В качестве базовой станции - приемника сигналов от навигационных космических аппаратов 1 может быть использован, например, приемник К-161 (производитель «Российский институт радионавигации и времени», позволяющий работать с любой существующей группировкой спутников как то ГЛОНАСС, GPS, EGNOS и т.д.). Устройство питается от источника питания 11 постоянного тока с выходным напряжением 5 вольт. Тактовым генератором может быть любой генератор прямоугольных импульсов с любой стабильностью и частотой равной не менее 1 МГц.

Заявляемое техническое решение позволяет:

- осуществлять привязку (синхронизацию) внешних событий к шкале мирового времени;

- сводить несколько шкал времени к единой системе мирового времени;

- фиксировать временную величину рассогласования двух шкал времени - внешней шкалы времени потребителя к шкале мирового времени;

- обеспечивать возможность синхронизации с точностью не менее 0.1 мкс;

- обеспечивать привязку шкал времени фото и видео приемников (например, привязку кадра в видеокамере) к мировой шкале времени с погрешностью не более 1 мс.

Устройство синхронизации времени, включающее базовую станцию, выполненную с возможностью точной установки времени, антенну ГЛОНАСС/GPS, источник электрического питания, отличающееся тем, что в качестве базовой станции использован приемник сигналов от навигационных космических аппаратов, антенна ГЛОНАСС/GPS соединена с приемником сигналов от навигационных космических аппаратов, имеющим антенный вход, вход для источника питания и два выхода, соединенные с процессором обработки данных, имеющим пять входов, из которых первый и второй входы соединены соответственно с выходами от приемника сигналов от навигационных космических аппаратов, третий вход предназначен для входа внешнего сигнала «Событие», четвертый вход соединен с выходом тактового генератора, пятый вход соединен с источником питания, и три выхода, причем процессор обработки данных содержит тактовый счетчик, делитель частоты, формирователь импульсов для светодиодов, буфер данных, делитель частоты на два, буфер входных сообщений, блок передачи данных; выход тактового генератора через четвертый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом делителя частоты, первым входом тактового счетчика, выход которого соединен с первым входом буфера данных, соединенного своим выходом с первым входом блока передачи данных, выход делителя частоты соединен с первым входом формирователя импульсов для светодиодов, выход которого через второй выход процессора обработки данных соединен с блоком световой индикации; первый выход приемника сигналов от навигационных космических аппаратов через первый вход процессора обработки данных соединен со вторым входом тактового счетчика, вторым входом буфера данных, первым входом делителя частоты, третьим входом формирователя импульсов для светодиодов и входом делителя частоты на два, выход которого через третий выход процессора обработки данных может быть соединен с компьютером или любой другой аппаратурой, имеющей вход синхронизации, второй выход приемника сигналов от навигационных космических аппаратов через второй вход процессора обработки данных соединен с входом буфера входных сообщений, выход которого соединен со вторым входом блока передачи данных, который, в свою очередь, через первый выход процессора обработки данных соединен с СОМ-портом по меньшей мере одного персонального компьютера, выход внешнего сигнала «Событие» через третий вход процессора обработки данных соединен с третьим входом буфера данных и со вторым входом формирователя импульсов для светодиодов.