專利名稱：一種面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于在時鐘同步技術領域，更為具體地講，涉及一種面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統。
背景技術：
近年來，隨著無線分布式系統范圍的不斷擴大和分散控制能力的逐步提高，許多重要領域，如電力系統、石油勘測、工業自動化、航空和航天領域等，都需要對各種智能電子設備進行實時地調度和控制。而這些智能電子設備大都需要統一的時間參考才得以正常運行，各個設備的時間同步是分布式系統的基本條件。同時由于計算機通信技術和微電子技術的快速發展，越來越多的控制系統都需要高精確的同步時間才能有序地執行控制任務， 這些控制系統不僅對時間同步的精度提出更高要求，而且需要同步時鐘裝置具有足夠的可靠性、穩定性和安全性，因此，可靠、安全、有效的高精度無線時鐘同步技術的研究與實現已經成為了國內外一個重要的研究熱點。精確的無線分布式時鐘同步裝置在電力自動化系統中同樣有著重要的地位。在某些電力系統業務，如電網中的無線傳感器監控節點、同步相量測量裝置以及線路行波故障測距裝置，甚至要求時鐘同步準確度在1微秒內。目前在電力系統中無線分布式時鐘同步方法主要有三種基于網絡時鐘協議 (NTP)的時鐘同步方法、基于GPS授時模塊方式的時鐘同步方法和基于IEEE-1588的時鐘同步方法。1、基于網絡時鐘協議(NTP)的時鐘同步方法該方法實現比較簡單易行，但是即使通過一定的硬件配合和算法優化，也只能達到毫秒級的同步精度，對于那些對同步精度要求更高的場合并不適合。2、基于GPS授時模塊方式的時鐘同步方法該方法是當前電力系統主要的時鐘同步方法，但是這種方法對GPS高精度授時模塊具有很強的依賴性，大量使用高精度GPS授時模塊，不僅增加了電力系統的應用成本，還存在一定的安全隱患。3、基于IEEE1588的時鐘同步方法IEEE 1588精確時鐘協議是一種基于以太網的網絡時鐘同步協議，由于其具有成本低、精度高等特點在時鐘同步技術領域得到了廣泛應用。目前利用該協議實現的時鐘同步方法主要有二種，一種是基于軟件時間戳的時鐘同步方法，另一種是基于硬件時間戳的時鐘同步方法。基于軟件時間戳的時鐘同步方法通過軟件的方法在應用層上進行時間戳的檢測和標識，這種方法的同步精度雖然比傳統的NTP時間同步方法有了進一步提高，但是由于 TCP/IP協議定義的網絡接口層(數據鏈路層和物理層)、網絡層、傳輸層以及應用層的數據傳輸在每一層中都存在不確定性的時延，從而大大降低了同步精度。基于硬件時間戳的時鐘同步方法，如2011年06月01日授權公告的，公告號為CN101242231B，名稱為“一種面向電力系統同步相量測量的時鐘同步裝置”的中國發明專利，采用了在數據鏈路層前端添加TCP/IP協議棧硬件實現模塊，將時間戳的標識從應用層轉移到數據鏈路層中，這種方法雖然避開了延遲和抖動較大的網絡層和傳輸層，同步性能比軟件時間戳方法要高，但是數據鏈路層的驅動程序及其中斷響應依然存在不確定性時延，中斷的處理時間隨著時鐘同步裝置CPU或控制邏輯模塊的性能及結構配置的差異而有所不同上，影響了其時鐘同步精度，從而不能實現廣域的高精度時鐘同步。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，以進一步提聞時鐘同步的精度。為實現上述發明目的，本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，包括主時鐘裝置、從時鐘裝置，主從時鐘裝置通過WLAN(無線局域網絡，Wireless Local Area Networks)無線信道連接構建同步授時網絡，主時鐘裝置的本地實時時間信息通過WLAN無線信道，發送給從時鐘裝置，從時鐘裝置根據接收到的主時鐘裝置的本地實時時間信息，得到時間修正信息對本地時間重新設定，從而完成對從時鐘裝置的本地時鐘的同步授時，實現時鐘同步；其特征在于，主時鐘裝置包括有中央處理器模塊、無線收發機、雙定向耦合器；2. 4GHz天線、硬件輔助時間戳電路；在主時鐘裝置中，中央處理器模塊依據IEEE1588時鐘協議產生Sync (同步)時間報文、Follow Up (跟隨)時間報文以及Delay Resp (延遲響應)時間報文并經過其傳輸層、 網絡層以及網絡接口層處理后，生成相應的IEEE802. 3協議時間報文，由無線收發機轉換為相應的IEEE 802. 11協議無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，雙定向耦合器將無線收發機發送來的無線網絡時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給2. 4GHz天線，由2. 4GHz天線將無線網絡時間報文信號發送給從時鐘裝置，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；同時，2. 4GHz天線接收來自從時鐘裝置的依據IEEE1588時鐘協議產生的Delay Req(延時請求)時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，雙定向耦合器將2. 4GHz天線發送來的格式為IEEE 802. 11協議的Delay Req時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給無線收發機，由無線收發機將IEEE 802. 11協議的Delay Req時間報文信號轉換為IEEE802. 3 協議時間報文，并發送給中央處理器模塊，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；硬件輔助時間戳電路對接收到的無線網絡報文信號進行處理，得到滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對數據幀進行檢測，如果是時間報文，則結合本地實時時間信息，對該時間報文進行時間戳標記，將標記的時間戳信息傳送給中央處理器模塊作相應處理發送Sync時間報文后，硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Sync時間報文發送時間中央處理器模塊則將Sync時間報文發送時間h加入到即將要發送的 Follow Up時間報文中，并發送出去；當中央處理器模塊接收到來自從時鐘裝置的延時請求 Delay Req時間報文后，同時硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Delay Req時間報文到達時間&，并將其加入到即將發送的Delay Resp時間報文中，并發送出去，其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息；從時鐘裝置包括有中央處理器模塊、無線收發機、雙定向耦合器，2. 4GHz天線、硬件輔助時間戳電路；在從時鐘裝置中，2. 4GHz天線接收來自主時鐘裝置的格式為IEEE 802. 11協議的Sync時間報文、Follow Up時間報文以及Delay Resp時間的無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，耦合成二路信號，一路傳送給無線收發機，由無線收發機將無線網絡時間報文信號轉換為IEEE802. 3協議時間報文，并發送給中央處理器模塊，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；同時，中央處理器模塊依據IEEE1588時鐘協議產生Delay Req時間報文，并經過其傳輸層、網絡層以及網絡接口層處理后，生成相應的IEEE802. 3協議時間報文，由無線收發機轉換為相應的IEEE 802. 11協議無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，雙定向耦合器將無線收發機發送來的無線網絡時間報文信號耦合成二路信號， 一路傳送給2. 4GHz天線，由2. 4GHz天線將無線網絡時間報文信號發送給從時鐘裝置，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；硬件輔助時間戳電路對接收到的無線網絡報文信號進行處理，得到滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對數據幀進行檢測，如果是時間報文，則結合本地實時時間信息，對該時間報文進行時間戳標記，將標記的時間戳信息傳送給中央處理器模塊作相應處理當中央處理器模塊接收到來自主時鐘裝置的Sync時間報文，同時硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Sync時間報文到達時間t2，中央處理器模塊在接收到 Follow Up時間報文后，發送Delay Req(延遲-請求)時間報文,在發送Delay Req時間報文后，硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Delay Req時間報文發送時間t3，其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息；從時鐘裝置依據Follow Up時間報文中的Sync時間報文發送時間VSync時間報文到達時間t2、Delay Req時間報文發送時間t3以及Delay Resp時間報文中的Delay Req 時間報文到達時間t4，計算時間偏差值t。t0 = [(^^!)-(^^3)1/2依據時間偏差值t。重新設定從時鐘裝置的本地時間，對從時鐘裝置的本地時間進行同步，完成主從時鐘裝置的高精度同步授時。本發明的發明目的是這樣實現的本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統由主時鐘裝置、從時鐘裝置和 WLAN無線信道組成，主從時鐘裝置通過WLAN無線信道連接構建同步授時網絡，主時鐘裝置的本地實時時間信息通過WLAN無線信道，發送給從時鐘裝置，從時鐘裝置根據時間偏差值對本地時間重新設定，從而完成主從時鐘裝置的本地時鐘的同步授時。本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統采用了在物理層中添加硬件輔助時間戳電路，將時間戳的標識從傳統的應用層或者數據鏈路層(MAC)轉移到物理層(PHY)中，將時間戳信息傳送給中央處理器，相對現有技術的硬件時間戳方法，由于其近一步避免了數據鏈路層的驅動程序及其中斷響應存在的不確定性時延，因而具有更高的時間同步精度高，同時可靠性和安全性也得到了進一步提高，滿足了各種分布式系統對時鐘同步精度高的要求，同時又不適合鋪設電纜的應用場合。另外，本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統可以大大減少傳統分布式控制系統的電纜鋪設，節約建設成本和工程施工難度；也很好的解決了在GPS不允許應用或者無法應用的場合，大大減少了對GPS的依賴，提高了系統的安全性；最后本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統是通過在物理層添加硬件輔助時間戳電路實現的時間戳標識，具有更高的同步精度和穩定性的同時也具有很強的實用性、經濟性，滿足了各種分布式控制系統，如電力系統在對時間同步精度有精確要求的領域，適合普遍推廣應用。
圖I是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統一種具體實施方式
原理圖；圖2是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統主從時鐘裝置無線時鐘同步的一種具體實施方式
流程圖；圖3是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統主從時鐘裝置一次時間同步的原理圖；圖4是三種時間戳標記方法在TCP/IP四層協議的具體位置指示圖；圖5是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統硬件輔助時間戳電路一具體實施方式
原理圖；圖6是IEEE 802. Ilb協議報文的長PLCP PPDU格式；圖7是IEEE 802. Ilb協議報文的短PLCP PPDU格式。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。實施例圖I是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統一種具體實施方式
原理圖在本實施例中，如圖I所示，本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統由主時鐘裝置、多個從時鐘裝置和WLAN無線信道構成。主時鐘裝置包括GPS天線、GPS接收機、2. 4GHz天線、無線收發機、硬件輔助時間戳電路、2. 4GHz雙定向耦合器和中央處理器模塊。從時鐘裝置包括2. 4GHz天線、無線收發機、硬件輔助時間戳電路、2. 4GHz雙定向耦合器和中央處理器模塊。主時鐘裝置通過WLAN無線信道與從時鐘裝置連接，組成同步授時網絡。在本實施例中，主時鐘裝置不僅可以依靠自身恒溫晶振源為本地實時時鐘的計時提供精確的計時依據，還可以根據具體的應用場合要求，提供GPS對時功能，即通過GPS天線和GPS接收模塊接收GPS衛星發射過來的含有世界統一時間信息的信號，對主時鐘裝置中本地實時時鐘提供世界統一時間，并將其作為同步授時網絡中的標準時間值。主時鐘裝置的時鐘同步報文通過WLAN無線信道，發送給從時鐘裝置，從時鐘裝置根據接收的時鐘同步報文進行相關計算處理，并對從時鐘裝置中本地實時時鐘重新設定和校正，從而完成主時鐘裝置和從時鐘裝置的高精度時鐘同步。所述的無線收發機用于當無線收發機發送信號時，將基于IEEE 802. 3協議的時間報文互換成IEEE 802. 11協議的無線網絡時間報文，并傳送給2. 4GHz雙定向耦合器，通過2. 4GHz天線將時間報文發送出去；當無線收發機接收信號時，將接收到的IEEE 802. 11 無線網絡時間報文轉換成IEEE 802. 3協議的時間報文，并傳送給中央處理器模塊。所述的2. 4GHz雙定向耦合器用于將一路的信號耦合成二路信號。當無線收發機發送信號時，將發送的無線網絡時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給2. 4GHz天線，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；當無線收發機接收無線網絡時間報文信號時，將
2.4GHz天線的輸入無線網絡時間報文信號耦合成二路信號，其中一路信號傳送到無線收發機，另一路傳送到硬件輔助時間戳電路。所述的硬件輔助時間戳電路包括射頻前端電路、高速模數轉換電路、時間戳標記及向上層傳送、USB接口控制器、恒溫晶振、時間校正模塊和本地時間；該電路將時間戳的標識從傳統的應用層或者數據鏈路層轉移到物理層中，再通過USB接口控制器將時間戳信息傳送給中央處理器模塊，從而避免了軟件處理的不確定性抖動，同時這種實現方法與網絡設備和處理器的性能無關，不僅提高了時間同步的精度，還保證了系統的穩定性。所述的中央處理器模塊包括3個子模塊時鐘倍頻模塊、Mac-send模塊、GPS模塊、 IEEE-1588 模塊。所述的時鐘倍頻模塊主要用于產生主從時鐘裝置所需頻率的時鐘信號，主從時鐘裝置外接20M的恒溫晶振，產生2路輸出，其中一路倍頻至25M，以供外部的物理層芯片所用，另一路倍頻到50M，作為主從時鐘裝置的統一系統時鐘信號；Mac-Send模塊完成以太網 MAC子層的數據接收和解封功能；GPS模塊主要實現GPS時間信息的解析及其秒脈沖信號的獲取，并根據具體場合的功能需求，校準主時鐘裝置的本地實時時間；IEEE-1588模塊主要實現無線分布式控制系統網絡通信時間報文的產生、發送以及對發送過來的時間報文進行解析，并根據標記的時間戳值計算主從時鐘裝置之間的偏差和校正，實現主從時鐘裝置的時間同步。圖2是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統主從時鐘裝置無線時鐘同步的一種具體實施方式
流程圖在本實施例中，采用了點對點的時間同步方式，在某一時刻只有一個從時鐘裝置參與和主時鐘裝置的時鐘同步過程。各從時鐘裝置按照設定順序加入組播組，同一時刻有且只有一個從時鐘裝置加入組播組，只有成功后才能接收到主時鐘裝置發送過來的同步時間報文。當從時鐘裝置N成功加入組播組后，就開始與主時鐘裝置進行同步；從時鐘裝置 N在開始接收網絡報文的同時，硬件輔助時間戳電路也開始接收網絡報文，并檢測是否為時鐘同步的時間報文？如果不是，則繼續等待接收和檢測下一個網絡報文，如果是，則接收時間報文中幀起始界定符最后一個符號止的本地時間值，并將該值傳送給中央處理器模塊， 同時判斷同步是否完成？如果不是，則繼續接收網絡報文；如果是，則根據硬件輔助時間戳電路標記的時間計算得到的偏差是否滿足小于IOus 如果不是，則重新進行同步；如果是，則根據相關時間和計算得到的時間偏差值t。重新設定從時鐘裝置的本地時間，同時主動退出組播組，轉而由從時鐘裝置自身的高精度恒溫晶振自行守時。主時鐘裝置的同步報文發送間隔時間設定為Is。圖3是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統主從時鐘裝置一次時間同步的原理圖。
如圖3所示，圖中，三角形是基于軟件時間戳的一次時間同步原理圖，八角形是基于硬件時間戳的一次時間同步原理圖，對頂三角形是本發明時間戳時間同步原理圖，這三種方法的一次時間同步原理是相同的，只是時間戳的標記點不一樣而已，下面以本發明時間戳一次時間同步原理圖進行詳細說明。在無線同步對時過程中，主從時鐘裝置之間的時間報文遵循IEEE1588協議，其中主時鐘裝置作為準確時間的發布者，從時鐘裝置接收和發送時間報文，并同步從時鐘裝置的本地實時時間。所述的時間報文是指下面四種報文Sync(同步)時間報文、Follow Up (跟隨)時間報文、Delay Req (延遲-請求)時間報文、Delay Resp (延遲響應)時間報文。在本實施例中，所述的Sync時間報文是主時鐘裝置每Is發送一次，Sync時間報文的時間間隔可以自行設定，這里設定為ls，以UDP組播方式發送到組網里，同一組網內的從時鐘裝置都將收到這個報文。主時鐘裝置發送完Sync時間報文后，隨即再以組播方式向從時鐘裝置發送Follow up報文，這個報文包含有先前的Sync時間報文準確發送時間h ； 在Sync時間報文到達從時鐘裝置時，通過硬件輔助時間戳電路，在物理層記錄下報文準確到達時間丨2，并隨即向主時鐘裝置發送Delay Req時間報文，同時從時鐘裝置在物理層標記它準確發送時間t3 ;當該時間報文到達主時鐘裝置時，立即在物理層記錄報文的準確到達時間t4,最后主時鐘裝置向從時鐘裝置返回一個Delay Resp時間報文,這個時間報文帶著先前的Delay Req時間報文的準確的到達時間t4 ;由于網絡傳輸延時具有較高的穩定性， 因此可以假設主從時鐘裝置之間的網絡延時具有對稱性，記為td ;t。表示從時鐘裝置與主時鐘裝置之間的時間偏差值。由于網絡的延時是對稱的，那么根據圖3，可以得到如下計算公式⑴t2-t! = td+t0(I)t4-t3 = td-t0從而解得td = [ (t2-t!) + (t4-t3) ] /2(2)t0 = [(t2-t1)-(t4-t3)]/2從時鐘裝置根據公式(2)得到時間偏差值t。，重新設定從時鐘裝置的本地時間，鎖存當前修正過的時間，并以自身恒溫晶振繼續守時，從而完成主從時鐘裝置的高精度同步授時。圖4是三種方法的時間戳標記在TCP/IP四層協議的具體位置指示圖。從圖4中，我們可以看出，基于軟件時間戳時鐘同步方法的時間戳是在應用層(時鐘協議)上進行檢測、記錄和標識的，由于TCP/IP協議定義的網絡接口層(由物理層PHY 和數據鏈路層MAC組成)、網絡層、傳輸層以及應用層的數據傳輸在每一層中都存在不確定性的延時，分別對應(td4+td3)、td2、tdl、td(l,從而擴大了時間同步誤差。基于硬件時間戳的時間同步方法，將時間戳的標識從應用層轉移到數據鏈路層中，這種方法雖然避開了延遲和抖動較大的網絡層和傳輸層，同步性能比軟件時間戳方法要高，但是數據鏈路層的驅動程序及其中斷響應依然存在不確定性時延，從而不能實現廣域的高精度時間同步。而本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統將時間戳的檢測和標識進一步從數據鏈路層轉移到物理層中，通過在物理層添加硬件輔助時間戳電路監測時間報文， 記錄發送和接收時間報文的時間戳均由硬件輔助時間戳電路執行，克服了驅動程序及其中斷響應造成的不確定性抖動，提高了時鐘同步的精度。圖4中的2. 4GHz雙定向耦合器用于將一路信號變成二路信號；當無線收發機發送無線網絡時間報文時，將發送的無線網絡時間報文耦合成二路輸出，一路傳送給2. 4GHz天線，發送到組播網內，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路，用于標記報文的精確發送時間； 當無線收發機接收無線網絡時間報文時，將2. 4GHz天線的輸入信號耦合成二路輸出信號， 其中一路傳送到無線收發機，將基于802. Ilb協議的無線網絡時間報文轉換成基于802. 3 協議的時間報文，并傳送到中央處理器模塊，另一路傳送到硬件輔助時間戳電路，用于標記報文的精確到達時間。圖5是本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統硬件輔助時間戳電路一具體實施方式
原理圖如圖5所示，在本實施例中，硬件輔助時間戳電路由射頻前端電路、高速的AD轉換電路、時間戳標記及向上層傳送模塊、USB接口控制器、恒溫晶振、時鐘校正模塊、精確計時器、本地時間構成。所述的射頻前端電路用于在眾多的電波中選出無線網絡時間報文信號， 并將這些信號放大到高速模數轉換電路所要求的電平范圍，然后再經過下變頻處理得到基帶模擬信號，最后傳送給高速模數轉換電路，實現模擬信號到數字信號的轉換；時間戳標記及向上層傳送模塊對接收到的數字信號進行解調，解調后的數字信號滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對這些數字信號進行檢測，并結合本地時間，對符合要求的報文，即時間報文進行時間戳標記，再通過USB接口控制器將時間信息傳送給中央處理器模塊作相關處理；所述的恒溫晶振是一顆高精度和高穩定度的恒溫晶振，用于產生中央處理器的工作時鐘elk和為本地時間的計時提供精確的計時頻率；所述的時間校正模塊用于接收中央處理器的時間偏差值并對本地時間進行修正，從而實現主時鐘裝置和從時鐘裝置的高精度時鐘同步。本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統為了能夠很好的兼容 IEEE802. Ilb,同時又要獲得更高的物理傳輸速度，本系統采用了工作在2. 4GHz頻段的 IEEE 802. Ilg標準，同時支持DSSS擴頻技術、CCK調制方式和正交頻分復用(OFDM)的調制方式，并且能夠發送和接收前導幀。下面將以IEEE 802. Ilb作詳細說明。圖6和圖7分別是IEEE 802. I Ib協議的長PLCP PPDU幀格式和短PLCPPPDU幀格式；其中IEEE 802. Ilb是指一個工作在2. 4GHz頻段、編碼采用CCK/DSSS或PBCC/DSSS方式、調制方式為差分正交相移鍵控(DQPSK)、傳輸速率高達IlMbps的無線局域網標準；PLCP 是指IEEE 802. IIb協議定義的高速PLCP子層，用于HR/DSSS擴頻方式，PLCP子層將MAC層傳來的數據MPDU轉換成PSDU，然后加上PLCP頭信息和前導碼就構成了 PPDU數據幀結構， 以實現IlMbps的傳輸速率；MPDU是指MAC層協議數據單元，將MSDU數據單元按一定幀結構包裝后的等發數據信息；MSDU是指MAC層業務數據單元，即最原始的等發數據信息；PSDU 是指PLCP子層業務數據單元，也即是從MAC層傳來的MPDU信息；PPDU是指將PSDU按照特定的幀格式進行數據封裝后的數據包，也是最終經物理介質發送出去的數據封裝。為了提高數據傳輸效率，該協議還提供了一種可選模式，允許使用短PLCP前導碼來提高吞吐量。所述的PPDU數據包由72位或者144位PLCP前導碼、48位PLCP頭和PSDU三部分組成；其中PLCP前導碼由52位或者128位的同步字符SYNC和16位起始界定符SFD組成， 同步字符SYNC用于喚醒接收設備，使其與接收信號同步；起始界定符SFD用于通知硬件輔助電路，在SFD結束后時進行時間戳標記，如黑色箭頭所示。所述的48位PLCP頭由8位信號、8位業務、16位長度和16位CRC檢驗碼四個字段組成，這四個字段包含了與數據傳輸相關的物理參數，其中8位信號定義了數據傳輸速率， 8位業務規定了調制的方式，16位長度指明了 PSDU數據長度，16位CRC校驗碼用于檢驗前面收到的三個字段是否被正確接收，接收機將按照這幾個參數調整接收的速率、解碼方式以及數據停止接收的時間。所述的PSDU是指包含了數據發送源地址、數據接收目的地、時間戳信息和幀校驗序列等有效數據信息。主時鐘裝置發送Sync時間報文后，同時將接收到USB接口控制器傳送過來的有效時間戳信息Lt1也即是Sync時間報文的精確發送時間，中央處理器則將該時間信息h加入即將要發送的Follow Up時間報文中，并發送出去；當主時鐘裝置接收到Delay Req時間報文后，同時提取USB接口控制器傳送過來的有效時間戳信息t4，并將其加入到即將發送的 Delay Resp時間報文中，并發送出去。其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息。從時鐘裝置接收到Sync時間報文后，同時接收到USB接口控制器傳送過來的有效時間戳信息t2，t2也即是Sync時間報文的精確到達時間，中央處理器模塊則將Sync時間報文的精確到達時間t2放進一個寄存器中,用于下一步計算；當從時鐘裝置接收到Follow Up時間報文是在Sync時間報文后，中央處理器模塊在提取Follow Up時間報文中時間信息 h并放進一個寄存器的同時，也將接收到USB接口控制器傳送過來的無效時間戳信息，并將其舍去；隨后從時鐘裝置發送Delay Req時間報文，同時也將接收到USB接口控制器傳送過來的有效時間戳信息t3，t3也即是Delay Req時間報文的精確發送時間，中央處理器將該時間信息t3放進一個寄存器中；當從時鐘裝置接收到Delay Resp時間報文后，中央處理器提取Delay Resp報文中的時間信息t4，并放進一個的寄存器，與此同時也將接收到USB接口控制器傳送過來的無效時間戳信息。其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息。從時鐘裝置根據特定寄存器的時間信息tpt2、t3、t4計算時間偏差值t。，再判斷偏差是否符合要求，若不符合要求則重新進行同步；若符合要求，則退出組播組，并將這些時間信息通過USB接口控制器傳送給時間校正模塊，用于從時鐘裝置本地時間的校正，從而完成主從時鐘裝置的高精度無線時鐘同步。本發明面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，還可以應用于其他精確的無線分布式系統的時鐘同步。盡管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1. 一種面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，包括主時鐘裝置、從時鐘裝置，主從時鐘裝置通過WLAN(無線局域網絡，Wireless Local Area Networks)無線信道連接構建同步授時網絡，主時鐘裝置的本地實時時間信息通過WLAN無線信道，發送給從時鐘裝置， 從時鐘裝置根據接收到的主時鐘裝置的本地實時時間信息，得到時間修正信息對本地時間重新設定，從而完成對從時鐘裝置的本地時鐘的同步授時，實現時鐘同步；其特征在于，主時鐘裝置包括有中央處理器模塊、無線收發機、雙定向耦合器；2. 4GHz天線、硬件輔助時間戳電路；在主時鐘裝置中，中央處理器模塊依據IEEE1588時鐘協議產生Sync (同步)時間報文、fallow Up (跟隨)時間報文以及Delay Resp (延遲響應)時間報文并經過其傳輸層、 網絡層以及網絡接口層處理后，生成相應的IEEE802. 3協議時間報文，由無線收發機轉換為相應的IEEE 802. 11協議無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，雙定向耦合器將無線收發機發送來的無線網絡時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給2. 4GHz天線，由2. 4GHz天線將無線網絡時間報文信號發送給從時鐘裝置，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；同時，2. 4GHz天線接收來自從時鐘裝置的依據IEEE1588時鐘協議產生的Delay Req(延時請求)時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，雙定向耦合器將2. 4GHz天線發送來的格式為IEEE 802. 11協議的Delay Req時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給無線收發機，由無線收發機將IEEE 802. 11協議的Delay Req時間報文信號轉換為IEEE802. 3 協議時間報文，并發送給中央處理器模塊，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；硬件輔助時間戳電路對接收到的無線網絡報文信號進行處理，得到滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對數據幀進行檢測，如果是時間報文，則結合本地實時時間信息，對該時間報文進行時間戳標記，將標記的時間戳信息傳送給中央處理器模塊作相應處理發送Sync時間報文后，硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Sync時間報文發送時間t1;中央處理器模塊則將Sync時間報文發送時間、加入到即將要發送的fallow Up時間報文中，并發送出去；當中央處理器模塊接收到來自從時鐘裝置的延時請求Delay Req時間報文后，同時硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Delay Req時間報文到達時間t4，并將其加入到即將發送的Delay Resp時間報文中，并發送出去，其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息；從時鐘裝置包括有中央處理器模塊、無線收發機、雙定向耦合器，2. 4GHz天線、硬件輔助時間戳電路；在從時鐘裝置中，2. 4GHz天線接收來自主時鐘裝置的格式為IEEE 802. 11協議的Sync 時間報文、Follow Up時間報文以及Delay Itesp時間的無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器，耦合成二路信號，一路傳送給無線收發機，由無線收發機將無線網絡時間報文信號轉換為IEEE802. 3協議時間報文，并發送給中央處理器模塊，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；同時，中央處理器模塊依據IEEE1588時鐘協議產生Delay Req時間報文，并經過其傳輸層、網絡層以及網絡接口層處理后，生成相應的IEEE802. 3協議時間報文，由無線收發機轉換為相應的IEEE 802. 11協議無線網絡時間報文信號，并發送給雙定向耦合器， 雙定向耦合器將無線收發機發送來的無線網絡時間報文信號耦合成二路信號，一路傳送給 2. 4GHz天線，由2. 4GHz天線將無線網絡時間報文信號發送給從時鐘裝置，另一路傳送給硬件輔助時間戳電路；硬件輔助時間戳電路對接收到的無線網絡報文信號進行處理，得到滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對數據幀進行檢測，如果是時間報文，則結合本地實時時間信息，對該時間報文進行時間戳標記，將標記的時間戳信息傳送給中央處理器模塊作相應處理當中央處理器模塊接收到來自主時鐘裝置的Sync時間報文，同時硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Sync時間報文到達時間t2，中央處理器模塊在接收到fallow Up時間報文后，發送Delay Req (延遲-請求)時間報文，在發送Delay Req時間報文后，硬件輔助時間戳電路傳送過來的時間戳信息即為Delay Req時間報文發送時間t3，其余情況接收到的時間戳信息則判斷為無效信息；從時鐘裝置依據fallow Up時間報文中的Sync時間報文發送時間、、Sync時間報文到達時間t2、Delay Req時間報文發送時間t3以及Delay Resp時間報文中的Delay Req時間報文到達時間t4，計算時間偏差值t。t0 = [(Vt1)-(Vt3)]/2依據時間偏差值t。重新設定從時鐘裝置的本地時間，對從時鐘裝置的本地時間進行同步，完成主從時鐘裝置的高精度同步授時。
2.根據權利要求1所述的面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，其特征在于，主時鐘裝置還包括有GPS天線和GPS接收模塊；主時鐘裝置依靠自身恒溫晶振源為本地實時時鐘的計時提供精確的計時依據，還可以根據具體的應用場合要求，提供GPS對時功能，即通過GPS天線和GPS接收模塊接收GPS衛星發射過來的含有世界統一時間信息的信號，對主時鐘裝置中本地實時時鐘提供世界統一時間，并將其作為同步授時網絡中的標準時間值。
3.根據權利要求1所述的面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，其特征在于，所述的時鐘同步采用點對點的時間同步方式，在某一時刻只有一個從時鐘裝置參與和主時鐘裝置的時鐘同步過程，各從時鐘裝置按照設定順序加入組播組，同一時刻有且只有一個從時鐘裝置加入組播組，只有成功后才能接收到主時鐘裝置發送過來的同步時間報文；當從時鐘裝置N成功加入組播組后，就開始與主時鐘裝置進行同步；從時鐘裝置N在開始接收網絡報文的同時，硬件輔助時間戳電路也開始接收網絡報文，并檢測是否為時鐘同步的時間報文？如果不是，則繼續等待接收和檢測下一個網絡報文，如果是，則接收時間報文中幀起始界定符最后一個符號止的本地時間值，并將該值傳送給中央處理器模塊，同時判斷同步是否完成？如果不是，則繼續接收網絡報文；如果是，則根據硬件輔助時間戳電路標記的時間計算得到的偏差是否滿足小于IOus ？如果不是，則重新進行同步；如果是，則根據相關時間和計算得到的時間偏差值t。重新設定從時鐘裝置的本地時間，同時主動退出組播組，轉而由從時鐘裝置自身的高精度恒溫晶振自行守時。
4.根據權利要求1所述的面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，其特征在于，所述的硬件輔助時間戳電路由射頻前端電路、高速的AD轉換電路、時間戳標記及向上層傳送模塊、USB接口控制器、恒溫晶振、時鐘校正模塊、精確計時器、本地時間構成；所述的射頻前端電路用于在眾多的電波中選出無線網絡時間報文信號，并將這些信號放大到高速模數轉換電路所要求的電平范圍，然后再經過下變頻處理得到基帶模擬信號， 最后傳送給高速模數轉換電路，實現模擬信號到數字信號的轉換；時間戳標記及向上層傳送模塊對接收到的數字信號進行解調，解調后的數字信號滿足IEEE 802. 11協議的數據幀格式，再對這些數字信號進行檢測，并結合本地時間，對符合要求的報文，即時間報文進行時間戳標記，再通過USB接口控制器將時間信息傳送給中央處理器模塊作相關處理；所述的恒溫晶振是一顆高精度和高穩定度的恒溫晶振，用于產生中央處理器的工作時鐘elk和為本地時間的計時提供精確的計時頻率；所述的時間校正模塊用于接收中央處理器的時間偏差值并對本地時間進行修正，從而實現主時鐘裝置和從時鐘裝置的高精度時鐘同步。
全文摘要
本發明公開了一種面向電力系統的高精度無線時鐘同步系統，采用了在物理層中添加硬件輔助時間戳電路，將時間戳的標識從傳統的應用層或者數據鏈路層(MAC)轉移到物理層(PHY)中，將時間戳信息傳送給中央處理器，相對現有技術的硬件時間戳方法，由于其近一步避免了數據鏈路層的驅動程序及其中斷響應存在的不確定性時延，因而具有更高的時間同步精度高，同時可靠性和安全性也得到了進一步提高，滿足了各種分布式系統對時鐘同步精度高的要求，同時又不適合鋪設電纜的應用場合。
文檔編號H04W56/00GK102547969SQ20121004327
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者井實, 吳杰, 孟勁松, 張華 , 易建波, 王彪, 甄威, 謝強強, 陳班賢, 黃琦 申請人:四川電力祀 學研究院, 電子科技大學