用GPS同步地铁时钟系统-

1、城轨交通用GPS 同步地铁时钟系统谭明勇3方薇33隋志国333摘要:利用全球定位系统(G PS 同步地铁时钟系统,介绍了用G PS 进行时间同步的原理,并结合北京地铁的实际应用介绍了G PS 同步仪的设计及应用。关键词:G PS 地铁时钟系统同步中心一级母钟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青岛市广播电视科研所高级工程师,266071山东青岛33北京地铁总公司通信信号段高级工程师,100088北京333青岛市广播电视科研所研究员,266071山东青岛地铁时钟系统是地铁通信系统的一个基本组成部分,为各系统提供统一的定时同

3、步信号,使整个地铁执行统一的定时标准,确保通信系统及其他重要控制系统协调一致。1地铁时钟系统的构成地铁时钟系统使用G PS 技术进行同步时间校准,采用控制中心(OCC 及车站(车辆段2级组网方式。控制中心设置有标准时间信号接收单元、中心一级母钟、中心接口和网络管理终端等;车站(车辆段设置有车站接口、二级母钟和时间显示单元(简称子钟等。中心一级母钟依靠接收外部标准时间信号来校准,避免产生累计误差;中心一级母钟通过中心接口定时向二级母钟发送时间编码信号,以校准二级母钟;中心一级母钟提供严格同步的时码输出,能够在整秒时刻给地铁其他系统提供统一的时标信号(包括日期和时间信息。图1是北京地铁时钟系统的构

4、成框图。其中G PS 定时同步仪位于系统最前端,它接收G PS 卫星信号,从中解出标准时间信号,用来同步中心一级母钟。考虑到地铁环境的特殊性,中心一级母钟A 、B 2套,互为主备,并能自动倒换。中心一级母钟的时间码信号经不同的中心接口产生不同的信道编码,分别传往地铁各线路,校准各个车站的二级母钟。二级母钟同步于中心一级母钟,控制本站内的所有子钟 。图1北京地铁时钟系统的构成框图另外,G PS 定时同步仪还输出2048kH z 标准频率信号,用于同步其他通信系统,这样既保证了整个地铁系统的时间是统一的,同时与国家标准时间相比也是准确的,极大地满足了各个系统的要求。2GPS 定时同步仪的开发采用G

5、 PS 2OE M 接收板,配上自行开发的计算机数据处理系统,以构成实用的G PS 系统。G PS 2OE M 板将接收解译的导航电文,经串行口输出送给用户计算机。71用G PS 同步地铁时钟系统谭明勇,方薇,隋志国所有的G PS 2OE M 接收板都输出NME A 20183和二进制2种数据格式。NME A 20183格式由美国国家海洋电子学会制定,采用ASC 码,各公司的OE M 板输出的NME A 20183格式基本相同,目前已得到广泛应用。这种统一的格式方便了用户对G PS 2OE M 板的二次开发。计算机数据处理系统判读NME A 20183语句,从中解译出定位、定时信息。GG A

6、是最常用的NME A 20183语句,输出G PS 定位数据和定时数据。定时同步仪主要是读取该语句。北京地铁时钟系统采用的G PS 2OE M 接收板,有12个并行接收通道,可跟踪视野中最多的12颗卫星。具有2个串行口,缺省设置下串口1自动以NME A 20183格式输出导航定位数据,且按RS232标准接口的4800baud/s 、8位数据、无奇偶校验、1位起始位和1位停止位输出,每秒输出1次。串口1也可接收用户的控制信号。该接收板还具有秒脉冲(1PPS 和10kH z 标准信号输出。本系统最重要的是在GG A 语句中输出的时间码和1PPS 。图2G PS 定时同步仪结构以G PS 2OE M

7、 板为基础的G PS 定时同步仪结构如图2所示。G PS 射频前端接收G PS L 1波段的导航电文,其片内集成了低噪声前置放大器、VC O 、多路输入开关、分频器、AG C 、P LL 等多个功能单元,用外接的滤波器滤取L 1载波,再通过2次变频处理,最后把采样的二次中频和包含数据信息的同步正交调相信号送给DSP 芯片。DSP 芯片是个12通道单片数字信号处理器,内含处理G PS 信号的专用硬件电路,如时频信号发生器、G PS 信号处理器自测试单元、频率温控单元等。OE M 接收板同时输出1PPS 和包含日历时间信息的GG A 语句,其1PPS 与UT C 严格同步,但其GG A 语句有一定

8、的随机性,即与1PPS 不严格同步。作为一个高精度的时钟系统,其输出信号应保证秒的前沿是准确的,同时其时间数据也应是实时的,不应抖动。鉴于此,我们开发的G PS 定时同步仪的计算机数据处理部分,采用了2个单片机同时工作,如图3所示 。图3G PS 定时同步仪的计算机数据处理部分图单片机采用89C51微处理器,主要作用是读取OE M 板串口1输出的NME A 20183标准的GG A 语句,软件不断读取串行数据,判断到数据头$G PGG A 之后读入标准UT C 时间码,并根据校验和判断时码是否正确。单片机将读得的时间码数据,在2个1PPS 的间隙以并行方式传送给单片机。单片机读入时码并作加1s

9、 的运算,在下一个1PPS 信号到来时,根据1PPS 信号引发的中断,实时地按输出格式要求编码串行输出。其前沿由硬件电路对1PPS 信号整形、整宽之后先行输出,这样就可保证串行输出时码的精度与G PS 2OE M 板的输出精确同步,同步精度可以作到1s ,具有稳定的开机重现性。单片机和之间的数据交换采用并行方式,借鉴了PC 机打印口的通信协议,通过软件编程,实现了单片机并行数据传输,其时序如图4所示,各信号的定义描述如下。DAV 信号:由单片机控制,其高电平表明数据口D 0D 7的数据有效,单片机可以读取。D 0D 7数据:由单片机写,单片机读。ANS 信号:由单片机控制作为应答信号,低电平表

10、示空闲,高电平表示已成功读完数据。数据传输的一个过程为:单片机要传送数据时,首先判断ANS 信号线的状态,ANS 为低电平时表示单片机空闲,单片机此时可以送出并行8bit 数据,同时将DAV 信号线置为高电平;单片机由DAV 信号的高电平触发,读入数据,然后将应答信号置为高,(下转第33页81铁道通信信号2002年第38卷第2期通信机械室1通信机械室2通信机械室n ,通信机械室n 至音频转接通信站间有另一条自愈环备用通道。在通信实现光纤接入网的条件下,这种通信是可靠的;在未实现光纤接入网的地方,则无法用备用通道实现自愈环,而且多个车站通信机械室设备相应连接很难保证正常的通信。114拨号上网通信

11、当调度所至各变电所之间无法实现以上3种通信中的任一种时,就只能利用公用电话网以拨号方式进行通信.如图2 所示。图2拨号上网通信为了使通信不堵塞,调度所至电话网之间宜有备用通道。这种方式也能实现调度自动化,但其最大的缺点是数据没有实时性,而且变电所采集设备故障时,要花费较长时间才能建立起正常通信。2调度所至中心通信站的通信电力调度所往往与中心通信站间隔数百米至数千米,远远超出数据信号传输距离不大于15m (电缆芯线线径<=0175mm 时的范围,而且中心通信站至调度自动化设备往往是以音频口对接。因此,为了保证能正常通信,在调度端需加M odem ,即使中心通信站对调度端使用数据口也要用数据

12、M odem 。另一种情况是当调度所与中心通信站的距离不超过1000m 时,可将M odem 改为RS485(全双工通信时可转为RS422,但RS485本身不带电源,需从通信设备的音频板端子获取9V 电源才能正常运行,音频板电路可能受到损害,因此采用RS485不尽合理。3通信机械室至变电所的通信沿线车站通信机械室至变电所的距离不超过1000m 时,可以采用以上的调度所至中心通信站的通信方式,而且通信机械室对外端口要与中心通信站相应地同为音频口或数据口。当通信机械室至变电所的距离超过1000m 时,就可考虑采用光缆线路上光电转换设备,实现高质量的传输。电力调度自动化系统需要有高质量的信道,近年来

13、随着铁路通信接入网技术的实现而迅速发展起来。另外,调度所设备及终端采集设备与通信设备的接口较丰富,它因通信设备制式、厂家的不同存在较大的差异,不同的设备需配备具体相应的接口才能正常运行。不过,对于不同拓朴结构的通信网,M odem 具有动态分配数据的功能。它能对信道传送能力(S/N 进行识别,自适应地把数据传送速率调整在600b/s ×2n -1,其中,n =1,2,3。(收稿日期:2001211202(上接第18页再进行必要的内部数据处理和存储;单片机通过ANS 信号得知单片机读完数据后,恢复数据有效位,等待;单片机处理完数据后再将ANS 应答信号置低电平,此时又可以进行下一个8bit 数据的传输 。图4并行数据传输时序图另外,G PS 接收板还具有10kH z 标准频率信号输出,本应用中设计了2048kH z 信号发生模块,用于通信系统的同步,其