專利名稱：融合b碼解碼技術的ieee1588智能電網時間傳輸方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法與裝置。
背景技術：
隨著我國經濟持續快速發展，對電力需求快速增長；另外，隨著數字經濟和IT時代的發展，電力消費者對用電力的要求也越來越高。現有電力系統已無法滿足需求，加快電力生產，輸送和消費方式的轉變，推動電力行業發展模式的轉變，建立具有中國特色的堅強智能電網是時代所趨。智能電網是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，采用先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，通過清晰的 邏輯時序實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全。智能電網發展中邏輯時序是關鍵，融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置旨在提供一種高準確度的時間傳輸裝置。IEEE 1588與其他常用于Ethernet TCP/IP網絡的同步協議如SNTP或NTP相比，主要的區別是IEEE 1588是針對更穩定和更安全的網絡環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少。IEEE1588定義的網絡結構可以使自身達到很高的精度，設定冗余的網絡路徑進入PTP協議的非激活狀態。與SNTP/NTP相反，時間印章更容易在硬件上實現，并且不局限于應用層，這使得融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置可以達到微秒以內的精度。為了 IEEE1588智能電網時間傳輸裝置的準確度，目前的B碼技術主要是使用多片單片機組合成聯合控制系統，補償同步系統的時延。但是這并沒有補償和修正從發射端到接收端傳輸過程中引入的誤差。同時單片機的運行速度比較慢，在處理過程中會引入時延較大，這就會給系統的參考時間帶來很大的誤差。在硬件平臺上采用ARM7，甚至更低平臺，運行速度較慢。
發明內容
本發明目的是提出一種融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，尤其是時間準確度高、長期穩定性好的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置。B碼解碼指B碼基準解碼接收技術授時的標準時間發送的方法與裝置。該方法與裝置以IRIG-B (TTL電平或RS422)碼解碼模塊為核心。本發明的技術方案是融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法，在智能電網變電站的時間傳輸裝置的嵌入式處理器和網絡接口模塊的時間信號輸入端設有兩組輸入信號一組是IPPS和NMEA0183，另一組是IRIG-B，通過信號選擇模塊負責選擇出時間精度最高的一組信號，優先級別為IPPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B ；IRIG-B碼解碼模塊將信號選擇模塊選擇出來的信號進行串并轉換，為嵌入式處理器和網絡接口模塊提供時間戳；LED指示模塊，負責指示出當前系統的運行狀態。
嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端；IRIG-B解碼模塊中時間報文解析的時間協議為NMEAO183，GPS接收機根據NMEAO183協議的標準規范，將位置、速度信息通過串口傳送到中央處理器，NMEAO183協議是GPS接收機 應當遵守的標準協議；解析模塊解析的語句有GGA和RMC ；GGA中解出GPS鎖星數，解出的鎖星數用于時間源選擇單元，判斷GPS的工作狀態是否正常；RMC語句中解析出時間信息；補償和修正從發射端到接收端傳輸過程中引入的誤差的方法進一步的，IRIG-B碼準時沿提取連續兩個P碼元(即為IBIG-B碼的幀頭)，判斷幀頭信息需要對B碼信號的高電平計時，當連續兩個脈沖的高電平時間達到碼元的要求時才可認為是幀頭，但此時秒脈沖信號的準時沿、上升沿已經過去了 8ms ;設有屏蔽信號Mask，在IPPS到來的前Ims打開，截取整個PO碼元，那么同步脈沖將是Mask與進入的IRIG-B信號“與”的結果，利用這種組合邏輯實現IPPS信號的同步提取；即提取出的秒脈沖信號(irigb_pulse)。在CPLD中判斷幀頭信息需要對B碼信號的高電平計時，為了能夠使提取出的秒脈沖信號(irigb_pulse),設計一個屏蔽信號Mask,在IPPS (每秒的脈沖數)到來的前Ims打開,截取整個PO碼元；進一步的，IRIG-B碼時間信息的提取IRIG-B碼每秒發送一次，碼元有Pr碼、P碼、邏輯I、邏輯0，其中Pr碼和P碼的高電平寬度為8ms，邏輯I的高電平寬度為5ms，邏輯O的高電平寬度為2ms，根據不同碼元的高電平寬度不同識別出碼元，待識別完畢之后，對數據進行串并轉化，轉化成BCD碼，最后把BCD碼時間轉化為二進制時間；IRIG-B解碼模塊產生IPPS信號給網絡接口模塊，網絡接口模塊記下此刻的時間戳；IRIG-B解碼模塊把秒以上的時間通過串口發送給嵌入式處理器(中斷方式)，嵌入式處理改變當前系統時間；網絡接口模塊記下時間戳后，并且觸發到CPU的PTP中斷，嵌入式處理器系統響應中斷并且讀取時間戳；嵌入式處理器與網絡接口模塊同步內核線程檢查開始兩個秒脈沖的時間并且使用one step模式調整網絡接口模塊的時間，確保秒以上時間準確；IRIG-B解碼模塊產生的IPPS與網絡接口模塊的時間同步內核線程，以后每秒的脈沖到來的時候，讀取時間戳，做temporary rate調整。融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是在智能電網變電站上使用，包括信號選擇控制模塊、IRIG-B碼解碼模塊、嵌入式處理器、網絡接口模塊、LED指示模塊和包括通用異步接收/發送模塊UART串并轉換單元；信號選擇控制模塊的輸入端支持兩組信號輸入一組信號是IPPS和NMEA0183，另一組信號是IRIG-B，通過信號選擇模塊選擇并輸出的信號接至串并轉換單元，再連接到嵌入式處理器和網絡接口模塊的時間信號輸入端；UART是一個并行輸入串行輸出的模塊，包括波特率發生模塊和接收器模塊；波特率發生模塊即一個分頻器實現；分頻器對系統主時鐘的分頻數為652，每一計數周期使輸出電平高、低變化，可得到波特率對應的UART的時鐘；接收器模塊，完成一個最大似然判決，接收器模塊從捕捉到數據串的第一個O開始工作，也就是驗證起始位的到來，驗證完后，開始接收8位數據，并進行串并轉換，隨后檢測停止位，正確則輸出；嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端。IRIG-B碼解碼模塊采用CPLD進行B碼的解碼融合濾波技術，嵌入式處理器采用ARM9硬件平臺，PHY采用工業級網絡接口芯片DP83640，對時精度達到納秒級；采用CPLD進行B碼的解碼，融合濾波技術，有效的提高了 B碼解碼的時間準確度。在IEEE1588協議上，融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置在ARM9硬件平臺上采用linux2. 6. 21系統，系統運行穩定快速，PHY采用工業級芯片DP83640，對時精度達到納秒級。嵌入式處理器和網絡接口模塊=IRIG-B解碼模塊產生IPPS信號給網絡接口模塊，網絡接口模塊記下此刻的時間戳；IRIG-B解碼模塊把秒以上的時間通過串口發送給嵌入式處理器(中斷方式)，嵌入式處理改變當前系統時間；網絡接口模塊記下時間戳后，并且觸發到CPU的PTP中斷，嵌入式處理器系統響應中斷并且讀取時間戳；嵌入式處理器與網絡接口模塊同步內核線程檢查開始兩個秒脈沖的時間并且使 用one step模式調整網絡接口模塊的時間，確保秒以上時間準確；IRIG-B解碼模塊產生的IPPS與網絡接口模塊的時間同步內核線程，以后每秒的脈沖到來的時候，讀取時間戳，做temporary rate調整；嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端。LED指示模塊，負責指示出當前系統的運行狀態。信號選擇模塊，時間信息的來源有兩個途徑一種是IPPS和NMEA0183，另一種是IRIG-B ;時間信息源選擇模塊選擇出時間精度最高的一組信號，優先級別為IPPS和NMEAO183的優先級別高于IRIG-B ；IRIG-B解碼模塊，時間報文解析的時間報文格式#NMEA0183，解析模塊解析的語句有GGA、RMC ；GGA中解出GPS鎖星數，解出的鎖星數用于時間源選擇單元，判斷GPS的工作狀態是否正常；RMC語句中解析出時間信息；B碼解碼指B碼基準解碼接收技術授時的標準時間發送的方法與裝置。該方法與裝置以IRIG-B (TTL電平或RS422)碼解碼模塊為核心。本發明的有益效果是，融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置模塊化的設計也使本發明很容易適應低端設備，所以該系統的智能電網中有廣闊的應用前景。尤其是一種時間準確度高、長期穩定性好的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置。
圖I為本發明硬件框圖；圖2為本發明軟件框圖；圖3為本發明時間信息源選擇模塊設計框圖；圖4為本發明串口時間報文解析示意圖；圖5為本發明UART模塊框圖。
具體實施例方式參見附圖，圖1-2 了基本架構，融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，在輸入端有兩組輸入信號。一組是IPPS和NMEA0183，另一組是IRIG-B，信號選擇模塊負責選擇出時間精度最高的一組信號，優先級別為IPPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B。IRIG碼解碼模塊將信號選擇模塊選擇出來的信號進行串并轉換，為嵌入式處理器和網絡接口模塊提供時間戳。嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端。LED指示模塊，負責指示出當前系統的運行狀態。具體措施如下信號選擇模塊(參見圖3):時間信息的來源有兩個途徑一種是IPPS和NMEA0183，另一種是IRIG-B。時間信息源選擇模塊如下圖所示。信號選擇模塊負責選擇出時間精度最高的一組信號，優先級別為IPPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B。IRIG-B 解碼模塊 時間報文解析的時間報文格式#NMEA0183，解析模塊解析的語句有GGA、RMC。GGA中解出GPS鎖星數，解出的鎖星數用于時間源選擇單元，判斷GPS的工作狀態是否正常；RMC語句中解析出時間信息。基于CPLD的IRIG-B碼解碼器的設計；也可以對IRIG-B碼的解碼與衛星授時的實現，可基于單片機的B碼解碼。如圖4串口時間報文解析示意圖。設計中通用異步接收/發送裝置UART包括二個模塊UART并行輸入成為串行輸出的芯片，包括波特率發生模塊，接收器模塊。如圖5。( I)波特率發生模塊，波特率發生器實際上就是一個分頻器，具體是通過一個計數器實現。本設計采用16倍頻采樣的方案，也就是采用16倍于波特率的時鐘，即若波特率為9600，則波特率發生器的輸出時鐘為9600X16。同時，因為系統主時鐘為100MHz，所以分頻電路對系統主時鐘的分頻數為652，每一計數周期使輸出電平高、低變化，即可得到9600波特率對應的UART的時鐘。(2)接收器模塊，為了避免噪聲影響，能夠得到正確的起始信號和有效數據，需要完成一個簡單的最大似然判決，其方法如下由于bclk信號的頻率為波特率的16倍，則對于每個數據都會有16個采樣值，最終的采樣比特值為出現次數超過8次的電平邏輯值。接收模塊從捕捉到數據串的第一個O開始工作，也就是驗證起始位的到來，驗證完后，開始接收8位數據，并進行串并轉換，隨后檢測停止位,正確則輸出。IRIG-B碼準時沿的提取連續兩個P碼元即為IBIG-B碼的幀頭，在CPLD中判斷幀頭信息需要對B碼信號的高電平計時，當連續兩個脈沖的高電平時間達到P碼元的要求時才可認為是幀頭，但此時秒的準時刻(上升沿)已經過去了 8ms。為了能夠使提取出的秒脈沖信號irigb_pulse,設計一個屏蔽信號Mask,在IPPS到來的前Ims打開,截取整個PO碼元，那么同步脈沖將是Mask與進入的IRIG-B信號“與”的結果，利用這種組合邏輯實現IPPS信號的同步提取。IRIG-B碼時間信息的提取IRIG-B碼每秒發送一次，為100個碼元。碼元有Pr碼、P碼、邏輯I、邏輯0，其中Pr碼和P碼的高電平寬度為8ms，邏輯I的高電平寬度為5ms，邏輯O的高電平寬度為2ms。因此我們可以根據不同碼元的高電平寬度不同識別出碼元，待識別完畢之后，對數據進行串并轉化，最后把BCD碼時間轉化為二進制時間。嵌入式處理器和網絡接口模塊IRIG-B解碼模塊產生IPPS信號給網絡接口模塊，網絡接口模塊記下此刻的時間戳；IRIG-B解碼模塊把秒以上的時間通過串口發送給嵌入式處理器(中斷方式)，嵌入式處理改變當前系統時間；網絡接口模塊記下時間戳后，并且觸發到CPU的PTP中斷，嵌入式處理器系統響應中斷并且讀取時間戳；嵌入式處理器與網絡接口模塊同步內核線程檢查開始兩個秒脈沖的時間并且使用one step模式調整網絡接口模塊的時間，確保秒以上時間準確； IRIG-B解碼模塊產生的IPPS與網絡接口模塊的時間同步內核線程，以后每秒的脈沖到來的時候，讀取時間戳，做temporary rate調整。
權利要求
1.融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法，其特征是在智能電網變電站時間傳輸裝置上的嵌入式處理器和網絡接口模塊的時間信號輸入端有兩組輸入信號一組是IPPS和NMEAO183，另一組是IRIG-B，通過信號選擇模塊負責選擇出時間精度最高的一組信號，IPPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B ;解碼模塊將信號選擇模塊選擇出來的信號進行串并轉換，為嵌入式處理器和網絡接口模塊提供時間戳； IRIG-B解碼模塊中時間報文解析的時間協議為NMEA0183，GPS接收機根據NMEA0183協議的標準規范，將位置、速度信息通過串口傳送到處理器，NMEA0183協議是GPS接收機應當遵守的標準協議；解析模塊解析的語句有GGA和RMC ；GGA中解出GPS鎖星數，解出的鎖星數用于時間源選擇單元，判斷GPS的工作狀態是否正常；RMC語句中解析出時間信息。
2.根據權利要求I所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法，其特征是補償和修正從發射端到接收端傳輸過程中引入的誤差的方法 IRIG-B碼準時沿提取連續兩個P碼元、即為IBIG-B碼的幀頭，判斷幀頭信息需要對B碼信號的高電平計時，當連續兩個脈沖的高電平時間達到碼元的要求時才可認為是幀頭，但此時秒脈沖信號的準時沿、上升沿已經過去了 8ms ;設有屏蔽信號Mask，在IPPS到來的前Ims打開，截取整個PO碼元，那么同步脈沖將是Mask與進入的IRIG-B信號“與”的結果，利用這種組合邏輯實現IPPS信號的同步提取；即提取出的秒脈沖信號IBIG。
3.根據權利要求I所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法，其特征是IRIG-B碼時間信息的提取IRIG-B碼每秒發送一次，碼元有Pr碼、P碼、邏輯I、邏輯0，其中Pr碼和P碼的高電平寬度為8ms，邏輯I的高電平寬度為5ms，邏輯O的高電平寬度為2ms，根據不同碼元的高電平寬度不同識別出碼元，待識別完畢之后，對數據進行串并轉化，轉化成BCD碼，最后把BCD碼時間轉化為二進制時間； IRIG-B解碼模塊產生IPPS信號給網絡接口模塊，網絡接口模塊記下此刻的時間戳；IRIG-B解碼模塊把秒以上的時間通過串口發送給嵌入式處理器(中斷方式)，嵌入式處理改變當前系統時間；網絡接口模塊記下時間戳后，并且觸發到CPU的PTP中斷，嵌入式處理器系統響應中斷并且讀取時間戳； 嵌入式處理器與網絡接口模塊同步內核線程檢查開始兩個秒脈沖的時間并且使用onestep模式調整網絡接口模塊的時間，確保秒以上時間準確； IRIG-B解碼模塊產生的IPPS與網絡接口模塊的時間同步內核線程，以后每秒的脈沖到來的時候，讀取時間戳，做temporary rate調整。
4.融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是在智能電網變電站上使用，包括信號選擇控制模塊、IRIG-B碼解碼模塊、嵌入式處理器、網絡接口模塊、LED指示模塊和包括通用異步接收/發送模塊UART串并轉換單元；信號選擇控制模塊的輸入端支持兩組信號輸入一組信號是IPPS和NMEA0183，另一組信號是IRIG-B，時間信息源選擇模塊選擇出時間精度最高的一組信號，優先級別為IPPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B ;通過信號選擇模塊選擇并輸出的信號接至串并轉換單元，再連接到嵌入式處理器和網絡接口模塊的時間信號輸入端；UART是一個并行輸入串行輸出的模塊，包括波特率發生模塊和接收器模塊；波特率發生模塊即一個分頻器實現；分頻器對系統主時鐘的分頻數為652，每一計數周期使輸出電平高、低變化，可得到波特率對應的UART的時鐘；接收器模塊，完成一個最大似然判決，接收器模塊從捕捉到數據串的第一個O開始工作，也就是驗證起始位的到來,驗證完后,開始接收8位數據，并進行串并轉換,隨后檢測停止位,正確則輸出；嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端。
5.根據權利要求4所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是IRIG-B碼解碼模塊采用CPLD，嵌入式處理器采用ARM9硬件平臺，網絡接口模塊PHY采用工業級網絡接口芯片DP83640，對時精度達到納秒級。
6.根據權利要求4所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是IRIG-B解碼模塊產生IPPS信號給網絡接口模塊，網絡接口模塊記下此刻的時間戳；IRIG-B解碼模塊把秒以上的時間通過串口發送給嵌入式處理器，嵌入式處理改變當前系統時間；網絡接口模塊記下時間戳后，并且觸發到CPU的PTP中斷，嵌入式處理器系統響應中斷并且讀取時間戳；嵌入式處理器完成IEEE1588底層協議和驅動，為網絡接口提供時間報文，網絡接口負責將時間報文傳送給客戶端。LED指示模塊，負責指示出當前系統的運行狀態。
7.根據權利要求4所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是嵌入式處理器與網絡接口模塊同步內核線程檢查開始兩個秒脈沖的時間并且使用onestep模式調整網絡接口模塊的時間，確保秒以上時間準確。
8.根據權利要求4或5所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是I RIG-B解碼模塊產生的IPPS與網絡接口模塊的時間同步內核線程，以后每秒的脈沖到來的時候，讀取時間戳，做temporary rate調整。
9.根據權利要求4至8之一所述的融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸裝置，其特征是UART并行輸入成為串行輸出的芯片，包括波特率發生模塊和接收器模塊； (1)波特率發生模塊，波特率發生器是一個分頻器，通過一個計數器實現；得到9600波特率對應的UART的時鐘； (2)接收器模塊，bclk信號的頻率為波特率的16倍，則對于每個數據都會有16個采樣值，最終的采樣比特值為出現次數超過8次的電平邏輯值；接收模塊從捕捉到數據串的第一個O開始工作，也就是驗證起始位的到來，驗證完后，開始接收8位數據，并進行串并轉換，隨后檢測停止位，正確則輸出。
全文摘要
融合B碼解碼技術的IEEE1588智能電網時間傳輸方法，在智能電網變電站時間傳輸裝置上的嵌入式處理器和網絡接口模塊的時間信號輸入端有兩組輸入信號一組是1PPS和NMEA0183，另一組是IRIG-B，通過信號選擇模塊負責選擇出時間精度最高的一組信號，1PPS和NMEA0183的優先級別高于IRIG-B；解碼模塊將信號選擇模塊選擇出來的信號進行串并轉換，為嵌入式處理器和網絡接口模塊提供時間戳；IRIG-B解碼模塊中時間報文解析的時間協議為NMEA0183，GPS接收機根據NMEA0183協議的標準規范，將位置、速度信息通過串口傳送到處理器，NMEA0183協議是GPS接收機的標準協議。
文檔編號G04G3/00GK102882626SQ20121041145
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者張熀松 申請人:南京澳德思電氣有限公司