基于以太网的舰船用时间控制系统

文 / 曲琳 杨微 王倩

基于以太网的舰船用时间控制系统

文 / 曲琳 杨微 王倩

叙述了传统的舰船用时钟设备的现状及缺点；提出将以太网技术及POE供电应用到船用时间控制系统中；系统功能、结构分析以及实现。

时钟设备；以太网；POE供电。

引言：伴随着国际运输行业和造船行业的快速发展，时钟系统在船舶领域得到广泛的应用。网络时代的发展对时钟同步系统提出了更高的要求。而目前国内时钟生产厂家对船用时钟同步系统还停留在只对自身系统的时间同步，并未实现网络互联，因此，需要一种基于以太网的舰船用时间控制系统，实现时钟系统的网络互联。

船用时钟系统技术目前的现状及缺点

1、需要单独的网络，布线复杂：目前市场上船舶使用的时钟系统，母钟与子钟之间一般是采用RS422/485通讯技术，需要单独的布线网络，每个子钟必须有固定的连接电缆，固定的连接顺序，不能放置错误。子钟要与母钟通讯，上传节点信息并获取时间。如果电缆出现问题（如受潮），将直接导致这一条线的所有子钟通讯失败。另外子钟供电主要由母钟提供电源，也需单独布电源线，由于直流电压线缆损耗等问题每路子钟的个数也会受到线缆的长度及粗细的限制。

2、子钟管理不方便：母钟对子钟只发送校时信号，一般子钟不发送反馈信息给母钟，当子钟发生故障时，只能人工确认哪个子钟故障。

3、后期维护费用高：出现问题要逐步排查问题原因，如果是用户自己的工程师，那就要逐步理线，耗时长，工作量大，如果子钟数量很多，后期一般是厂家维护，费用比较高。

基于以太网的舰船用时间控制系统把以太网络运用到时钟系统中，母钟内部设置网络接口，支持NTP服务协议, 实现网络校时。系统采用NTP时间同步协议进行时间同步，时间精度高，时间误差不超过10ms；子钟内部增加网络接口，母钟可通过以太网对子钟进行校时；并且各子钟支持POE网络供电。无需单独布线，便可共享计算机局域网。同时可同步网络内其它设备时间。

系统的实现

实现网络校时，母钟与子钟之间，不光要通讯走网络 ，子钟的供电同样走网络 。才能解决不需要重新布线的问题。这就引用到POE供电的技术，来实现子钟的网络供电。

1、POE技术介绍及其供电原理

POE被称为基于局域网的供电系统(POL, Power over LAN )或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电，这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。

标准的五类网线有四对双绞线,但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的两对。IEEE80 2.3af允许两种用法,应用空闲脚供电时,4、5脚连接为正极,7、8脚连接为负极。

应用数据脚供电时,将DC电源加在传输变压器的中点,不影响数据的传输。在这种方式下线对1、2和线对3、6可以为任意极性。本系统采用应用空闲脚供电。（见图1）

图1 通过空闲脚供电

图2 系统图

2、基于以太网的舰船用时间控制系统介绍

基于以太网的舰船用时间控制系统由一台母钟和几十只子钟组成，并通过以太网互联起来。能同时提供当地时间和GMT（某一特定地方时间）本系统的时间同步是采用计算机局域网组网技术，以太网络为传输介质，采用NTP时间同步协议进行时间同步，具有时间精度高的，利用现有计算机网络不需要重复布线的优点。

系统采用集中控制与调整，由如下部分组成：（系统图见图2）

1）时间信号接收单元 2）母钟 3）子钟

本系统由一台母钟和几十只子钟组成，通过以太网相互联接起来；它能同时提供当地时间和GMT。标准时间接收单元通过RS422方式向母钟发送高精度的时间基准信号，以实现对母钟精度的校准，保证系统无累积误差地运行。母钟将标准时间信号通过交换机发送至各个子钟及网络内其它设备，从而统一全船时间。

母钟内部以STM32F107微处理器为核心，进行数据存贮、译码运算，构成控制单元，（见图3）操作非常简单，可以同时对所有子钟进行顺时针或逆时针快速调整，在各种工作环境下，都能可靠运行。母钟采用LED数码显示方式，通过键盘调整来实现各种功能。

母钟对子钟进行自动校准。母钟采用恒温晶振，保证了系统的精度且有时间记忆功能。系统能够接收来自GPS的纳秒级标准的时间信号，经母钟处理后通过网络发送至系统的各个子钟，实现本系统的高精度无累积误差运行。

母钟电源采用交直流并行供电形式，来实现系统的不间断工作。

子钟是靠子钟控制系统自身的石英晶体振荡器运行，通过RJ45接口，采用网线与母钟相连，通过接收母钟发送的标准时间信号，对自身的精度进行校准，以自动消除误差，指示统一的时间；当接收不到标准时间信号时，子钟仍能以自身的精度工作。

子钟具有正拨和反拨两种调整方式，能够自动追时，当接收标准时间信号时，能够以最短距离快速调整指针的位置到标准时间，单独运行时，可通过键盘对时。

同时子钟管理支持snmp协议，可以嵌入到用户的管理平台。SNMP是基于TCP/IP协议族的网络管理标准，是一种在IP网络中管理网络节点（如服务器、工作站、路由器、交换机等）的标准协议。SNMP能够使网络管理员提高网络管理效能，及时发现并解决网络问题以及规划网络的增长。网络管理员还可以通过SNMP接收网络节点的通知消息以及告警事件报告等来获知网络出现的问题。

图3 系统架构图

图4 子钟原理框图

结语：基于以太网的舰船用时间控制系统 ，通过对以太网技术及POE供电技术的应用，无需单独布线，通过共享计算机局域网，便可同步子钟时间及网络内其它设备的时间。同时网络管理员还可以通过SNMP接收网络节点的通知消息以及告警事件报告等来获知网络出现的问题。真正实现舰船用时钟系统网络化。

《POE技术简介及应用分析》 刘敬武、孙秀山、魏国勋，2013

《以太网供电（POE）的关键技术解析》 陈英梅、段景汉、张家荣，2006《一种NTP系统设计与实现》 蒋志营，2011