基于嵌入式的轨道交通GPS时间服务器设计

ＴＲＵ　Ｎ　Ｋ　ＲＡ＿ＬＷＡＹ　干线铁路专区Ｉ　ＧＰｓ系统　基于嵌入式的　轨道交通Ｇ　Ｐ　Ｓ时问服务器设计　◎熊天圣冯金霞付谦　时间．每秒自动校准。该系统提供若干高精度时钟，　并且做到　分秒不差”。这些数字钟通过ＲＳ４８　５串口　总线、Ｚｉｇｂｅｅ无线网络等方式校准，与ＵＴＣ（通用协调　时：　Ｕｎｉｖｅｒｓａｆ　Ｔｉｍｅ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ）的时间偏差限定在　２０ｍｓ以内。其中ＲＳ４８５传输需要现场布线，Ｚｉｇｂｅｅ无线　网络传输则不用破坏原有的线路设计，更加方便在原　有轨道交通系统的基础上配置。　（２）自动校准并同步局域网内各分布式控制系　统计算机的时间。以ＮＴＰ网络协议给局域网内的各台计　算机提供精确的时间校对服务，有效补偿网络传输延　时　并且独立于其他网络系统．直接作为网络校时服　务器接入网络。　（３）自动保持系统内计算机、数字钟、及计算　概论　机和数字钟之间的同步。系统内的各台计算机通过局域网连接　在轨道交通系统中　随着网络应用的不断深入，形成了各　到系统的时间服务器上　各个数字钟也通过ＲＳ４８５或Ｚｉｇｂｅｅ等方　种功能的分布式网络系统。如何构造时钟系统来为不同的分布　式连接到时间服务器上，这些节点都由时间服务器统一校准时　式网络系统提供有效的同步时间服务成为一项重要的课题。同　间，保证了系统内各节点的时间完全同步。　时随着轨道交通的快速发展，行车密度越来越高，对调度指挥　提出了更高的要求，轨道交通运行控制系统对时间精度要求很　基本框架设计　高，并且需要大范围内保持精确同步。　ＧＰＳ时钟系统的组成见图１，主要组成部分有双套ＧＰＳ接收　在调度中心，各种调度指挥工作分布在不同的房间，调度　机、时间服务器和数字钟，此外还包括ＵＰＳ等辅助设备。ＧＰＳ接　员和各种分布式控制计算机系统都需要有精确同步的时钟。传　收机、时间服务器等安装在机房内，数字钟安装在各个显示位　统计算机校时依靠手动操作．误差较大　长期使用造成更大的　置。此外屋顶需安装两只小型防雨ＧＰＳ天线。　累计误差．要实现全调度中心的精确同步比较困难。普通的时　ＧＰＳ接收机负责接收ＧＰＳｇ＿星信号．经过解算产生ＵＴＣ时　钟．需要定期校时，操作不便且精度不高。ＧＰＳ作为国际通用　间数据信号，送入时间服务器。时间服务器采用高稳定性嵌入　的高精度定位定时系统．授时精度在ｕ　ｓＡ，完全满足轨道交通　式计算机实现，提供了光电隔离的ＲＳ２３２串１３和脉冲输入端１３　运行控制需要。ｔＢｃｐｓ授时技术应用到轨道交通控制和运营现　与ＧＰ￣接收机相连．接收ＵＴＣ时间数据，再经过ＵＴＣ－ＧＭＴＩ￣间　场，可以极大提高时间准确度和精度．有效实现精确、同步时　变换，产生精确的北京时间（东８区）．一方面通过以太网接　间。　口．内嵌ＮＴＰ协议为计算机校准时间；另一方面通过ＲＳ４８５．　或Ｚｉｇｂｅｅ无线网络等多种方式同步授时不同位置的多台数字时　基于嵌入式的轨道交通ＧＰＳｌ；Ｉ￣间服务器设计　钟　功能设计　系统工作流程　（１）为轨道交通内数字时钟自动提供长期稳定的高精度　系统的工作流程主要分为时间信息提取，时间信息传输　４６世界轨道交通２０１０　图１系统框架图　时间信息输出三部分。　网站问应该能够相互比对，有效克服传　（１）时间信息提取：ＧＰＳ模块接收卫　输延时的影响．提高准确度。　星信息．通过串口将信息数据传输给微　ｚｉｇｂｅｅ无线传输技术：ｚｉｇｂｅｅ是一　处理器ＭＣＵ．在ＭＣＵ中进行ＵＴＣ时间信息　种新兴的无线通信网络，其特点是短距　的提取，再转化为北京时间。　离、低功耗、低速率　低复杂度。Ｚｉｇｂｅｅ　（２）时间信息的传输：将处理好的实　可以在近百米距离内可靠通信，组网灵　时时钟信息通过多种方式传输到需要的　活．因而在无线数据采集、无线自动控　设备。考虑到实际的需求　主要提供三　制、家庭和楼宇自动化、医用网络控制　种传输方式：ＲＳ４８５串口传输、Ｚｉｇｂｅｅ无　等方面得到了广泛的应用。　线传输、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接口（ＲＪ４５）传输，对　于需求的多串口以及Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接口传输分　结论　别进行了串口扩展以及．串口转网口技　本设计通过分析轨道交通对精确同　术等。　步时间的需求分析，将ＧＰＳ授时技术引入　（３）时间信息的输出：设备将时间信　到嵌入式轨道时间服务器中，设计了一　息接收、显示出来。在本设计中，主要　套基于轨道交通的嵌入式ＧＰＳ时间服务　有ＬＣＤ显示屏显示以及在ＰＣ上的窗口显　器．提供精确同步的时钟．以满足轨道　示．其中ＰＣ上面的窗口显示采用ｃ＋＋编　交通行车控制和运营管理的特定要求。　程，保证接收时钟信息的实时性以及界　系统采用ＧＰＳ　ＯＥＭ板捕获ＧＰＳＰ星的高精　面的友好。　度时间信息，并结合带温度补偿的高精　度守时时钟．产生具有长期稳定性和精　关键技术分析　确性的时间信息。通过Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接口和ＮＴＰ　时间同步技术：采用网络时间协　网络时间服务协议为网络内的计算机提　议（ＮＴＰ）实现。ＮＴＰ全称网络时间协议　供精确同步的授时服务，通过Ｚｉｇｂｅｅ、　（Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｉｍｅ　Ｐｒｏｃｏｔｏ１）。它的目的　ＲＳ４８５等接口为站台、管理中心等特定部　是在国际互联网上传递统一、标准的时　门时钟提供精确时间信息。ｍ　间。具体的实现方案是在网络上指定时　钟源，为用户提供授时服务，并且这些　作者均为：同济大学）　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＰＳ　ｔｉｍｅ　ｓｅｒｖｅｒ　Ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏＩ　ｃｅｎｔｒｅ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｊｓｔｒｊｂｕｔｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｆＯｒｍｅｄ　ｇｒａｄＵａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｂｏｔｈ｝ｄｉｓｐａｔｃｈｅｒ　ａｎｄ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｎｅｅｄ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．　Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｎｅｅｄ　＿　ｔｏ　ｍａｎｕａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ．　ｌｌ；　Ｉｔ　ＷｉＩＩｌ　Ｉｅａｄ　ｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂ　ｌｅ｝　ｅｒｒｏｒ，ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ＵＳｅ　ｒｅｓｕ　ｉｔ　蠢　ｉｎ　ｇｒｅａｔｅｒ　ＣＵｍｕｌａｔｉｖｅ　ｅｒｒｏｒｌｓ．　薯≯　Ｔｈｅ　ｏｃｎｔｒｏｌ　ｃｅｎｔｅｒ　Ｗ川ｂｅ　ｖｅｒｙ　鏊　ｄｉｉｆｃｕｌｔ　ｔｏ　ｒｅａｃｈ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｌ＝｜ｓ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｃｏｎｔｍｌ　Ｃｏｍｍｏｎ　０　Ｃ１０Ｃｋ　ｎｅｅｄ　ｆｏ　ｒ　ｌｒｅｇＵＩａ　ｒ“　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ　ａｎｄ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．　Ａｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａＩ　ＣＵｒｒｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｔｉｍｉｎｇ　ＳＹｓｔｅｍ。ＧＰＳ’Ｓ　ｔｉｍｉｎｇ　ａｃｃｕ　ｒａｃｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌＪＳ－ＩｅＶｅＩ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｔ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏＩ．　Ｉｆ　ｔｈｅ　ＧＰＳ　ｔｉｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇＹ　ｕｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｃｏｎｔｒｏＩ＿　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｔｅ，　ｉｔ　ｃａｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕ　ｒａｃｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓＩｏｎ　Ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｃｈｉｅｖｅ　ｐｒｅｃ‘ｓｅ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ。　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　ｈｕＤ：／／ｗｗｗ．ｗｏｄｄｒａｉｗｌａｙｃｎ　４７