时间统一系统秒同步故障远程预警系统设计

刘泽水+邹海东

摘  要：针对在任务中使用示波器监测时统同步精度时，岗位人员需长时间密切注视示波器状态，极易疲劳，且不能及时发现设备故障，延误处理时机，影响任务顺利完成。提出了一种时统秒同步故障远程预警系统的设计思路，利用示波器通信扩展模块TDS2CM采集示波器监测信号，经过单片机和网络模块处理，传输到IP网络实现远程监控。当本机秒和外秒的同步精度超出某一设定的数值时触发声音告警，及时提醒岗位人员进行手动同步操作，防止同步精度超出规定的技术指标范围，达到故障预警的目的。

关键词：时统 同步 预警 TDS2CM

中图分类号：TP274 文献标识码：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

时统设备作为任务的重要设备，承担着为其它系统提供标准时间和标准频率信号，实现时间同步的重要任务。在任务过程中，时统设备需要进行“对时”和“守时”操作。所谓“对时”，就是以GPS秒信号或者铷守时钟等外秒信号作为对时标准，使时统时码设备产生的本机秒信号的秒前沿与外秒信号秒前沿取齐，实现同步的目的，时统设备对时原理如图1所示。所谓“守时”，就是对时完毕后，时统设备按照自身的频率进行走时，并将时码信号传输给时统用户。所以，时统设备所采用的频率标准的频率准确度和稳定度决定了时码信号的精度。时统设备采用铷原子钟作为频率标准，在开机运行过程中，铷原子钟的频率会产生一定漂移，使时码信号的秒信号随之产生漂移，开机时间越长，产生的漂移值就越大，最终超出所容许的范围。所以，在任务中，时统岗位人员需用示波器实时监测时统本机秒信号与外秒信号的同步精度。当两者的同步精度超出规定的技术指标范围时，需要岗位人员及时进行手动同步操作，使同步精度恢复到正常范围内。

收稿日期：

作者简介：刘泽水（1978—），男，贵州玉屏，工程师，本科，研究方向：有线通信

*通讯联系人，E-mail：maohpu@126.com

图1 时统设备对时原理

然而，由于时统设备本身缺乏有效的故障监测和预警手段，且在使用示波器监测同步精度时，岗位人员需长时间密切注视示波器状态，极易疲劳，无法及时发现设备故障，延误处理时机，影响任务顺利完成。设备由于老化严重，各项性能指标下降明显，在过去任务中就曾经发生过同步精度超出指标范围而影响任务的情况。所以有必要设计一套时统秒同步故障预警系统对时统同步精度进行实时监测，当同步精度超出某一设定的数值时触发声音告警，及时提醒岗位人员进行手动同步操作，防止同步精度超出规定的技术指标范围，达到故障预警的目的。

2 系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示。

图2 时统秒同步故障远程预警系统硬件结构

从图中可以看出，该系统采用了TDS2CM通信扩展模块，它的作用是对数字示波器监测信号进行采集。当要对一个高频信号（比如高达100MHZ的雷达波形）进行采集和处理的时候。通常会设计一个高速或者超高速硬件采集电路，包括放大部分、滤波部分、A/D和D/A转换部分等，这种电路的要求非常高，要求边采集边存储，电路速度高，而且要考虑各种辐射干扰等，同时，目前市场上成品价格很难承受。并且根据采样定理，采样频率F应大于或等于被采样信号的最高频率f的2倍，即F≥2f。考虑到实际恢复波形的低通滤波器不可能具有完全理想的特性，为了正确恢复信号，通常取F=（2.5～5）f或者更高。当采样的信号高达100MHZ时，就应该达到500MHZ的采样率。时统本机秒和外秒信号的同步精度通常需要达到几十个纳秒才能满足技术指标要求，所以，要对时统秒信号进行采样，信号采集设备就需要达到1GS/S左右的采样率。这是一般信号采集卡所达不到的，即便能达到，价格也非常昂贵。

Tektronix公司的TDS200系列数字示波器早已经在各处得到广泛应用，并且其配套的扩展模块TDS2CM具有与外部设备双向通信的功能，可直接与打印机、计算机连接，使波形的存储打印等工作变得十分方便。其中TDS220数字示波器拥有100MHZ的带宽，以10倍的扫描方式，达到1GS/S的采样率。 当配套的TDS2CM模块采用RS232电缆用串口通信与计算机连接后，利用相应软件（如Matlab等）可以对示波器的数据、波形直接进行读取和处理。所以，经综合考虑，时统秒同步故障远程预警系统决定采用TDS2CM扩展模块作为信号采集设备。

TDS2CM是Tektronix公司针对TDS200系列数字示波器开发的通信扩展模块，可直接插入任何TDS200系列示波器的后面板，能够对示波器信号进行采集处理。该模块有GPIB和RS232两种接口，并配有一个centronics硬拷贝打印端口。

在该系统中，将时码器输出的本机秒信号和外秒信号通过示波器探头输入TDS220数字示波器，经TDS2CM通信扩展模块采集后通过RS232接口传输至单片机进行处理。处理后的信号送入网络模块，经IP网络传送到远程监控终端，实现时统秒同步故障的远程监控。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要涉及两个部分：单片机分系统与网络模块对TDS2CM通信扩展模块现场采集的串口数据进行解析与重新封装处理，以利于网络传输;远程监测终端能够对获得的数据进行存储、查询以及实时预警等。

3.1 单片机分系统软件处理

单片机部分的软件主要完成现场监测数据的协议转换与远程传输，也就是将RS232的串口数据转换为利于网络传输的自定义数据包，再通过网络模块实现网络远程传输。主要分为串口数据包的完整性检测，数据预计算与现场预警，数据重新封装与网络传输三个部分。其基本实现流程如图3所示。

图3 单片机软件处理流程图

3.2 远程监测终端软件处理

远程监测终端部分主要完成对实时获取的远程采集数据进行存储、响应查询、实时故障预警等。为了能够快捷、准确的为通信总体决策分析提供数据支持，需要给本系统所采集的数据设计一个存储数据库系统。远程监测系统可以采用VC编程实现，实现数据库的通信可以通过MFC ODBC编程接口来实现，通过在监测平台中装载ODBC驱动，软件编程调用DatabaseConnect类，即可实现平台与数据库的通信。其基本软件处理流程如图4所示。

图4 远程监测终端软件处理流程图

远程监测系统在运行之后，执行与本地数据库的连接建立工作。连接成功之后，系统在固定的端口接收远程传输的数据包，通过对数据包的解析处理之后，进行判断是否超过预设的阈值，如果判断结果为真，则进行远程报警并转入人工处理。同时将所解析的数据按照预定格式写入本地数据库。此后，通过数据可视化处理，实现采集数据的可视化显示，如此完成一个完整的数据采集与远程预警流程。

4.结束语

利用已经广泛使用的TDS200系列数字示波器和配套的TDS2CM通信扩展模块构建时统秒同步故障远程预警系统，具有几个方面的优点：一是硬件结构搭建简单易行，只需利用现有的TDS220数字示波器，购买相应的硬件模块即可;二是所应用的通信技术成熟可靠;三是系统的可兼容性较强;四是系统的可扩展性较强，因为数字示波器具有较高的数据采样率，所以只需要对软件系统进行修改，系统便可对其它高频信号进行采集，构建相应的设备远程监控和故障预警系统。

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