一种一体化便携式时间同步装置及其搬钟方法
技术领域
本发明涉及一种一体化便携式时间同步装置及其搬钟方法，属于电力系统时间同步技术领域。
背景技术
在对电力系统二次设备进行测试时，许多应用情况下都需要测试装置具备时间同步功能，例如线路差动保护测试、多端测距系统测试、PMU测试、合并单元测试等。测试装置的时间基准信号一般分为有线时间基准信号和无线时间基准信号，其中，有线时间基准信号来自现场(变电站)的时间同步装置，通过电缆或光缆接入测试装置；无线时间基准信号来自卫星导航系统的无线信号，通过专用天线接收并通过天馈线接入测试装置。
但是，对于地下式配电站一类的应用场合，现场一般不会配置时间同步装置，而天线的架设位置必须为开阔场地(例如室外或楼顶)，与测试装置的相对位置较远，天馈线较长，牵引过程过于繁琐且耗时，增加了工程应用的难度和时间。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种一体化便携式时间同步装置及其搬钟方法，时间同步装置具备体积小、重量轻的优点，同时自带电池和铷原子钟，可在户外开阔地带且没有供电电源的情况下，同步至卫星导航系统并对铷原子钟进行驯服，使其在很长一段时间内保持很高的时间精度，然后再回到室内用该装置给测试装置授时(该过程称为搬钟)，极大减少了现场工作量。
本发明采用下述技术方案实现的：
一种一体化便携式时间同步装置，由以下多个模块组成，分别是：天线模块、卫星信号接收模块、铷原子钟模块、分频模块一、分频模块二、倍频模块、计数锁存模块、IRIG-B(DC)编码模块、调钟模块、RS485接口芯片或光纤发送器、电池模块、电池管理模块、电源管理模块；其特征在于：
所述电池管理模块连接直流电源输入端、所述电池模块和所述电源管理模块，所述电池管理模块一方面对所述电池模块的充电、放电进行管理，另一方面输出电压至所述电源管理模块，并切换输出电压的供电回路；
所述电源管理模块为时间同步装置内各模块供电；
所述卫星信号接收模块通过所述天线模块接收来自GPS或北斗的无线时间基准信号，输出参考秒脉冲信号，并提供串行数据接口供所述IRIG-B(DC)编码模块读取时间信息；
所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号，并提供串行数据接口供所述调钟模块调节所述10MHz基础频率信号的频率；
所述分频模块一对所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号进行分频，输出1kHz编码脉冲信号给所述分频模块二；
所述分频模块二对1kHz编码脉冲信号进行分频，输出本地秒脉冲信号；
所述倍频模块对所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号进行倍频，输出100MHz计数脉冲信号；
所述计数锁存模块接收所述分频模块二输出本地秒脉冲信号、所述倍频模块输出100MHz计数脉冲信号和所述卫星信号接收模块输出参考秒脉冲信号；所述计数锁存模块对100MHz计数脉冲信号计数，并且在本地秒脉冲的上升沿归零，计数范围为0～99,999,999，计数周期为10ns；所述计数锁存模块在参考秒脉冲的上升沿锁存当前计数值，计数值乘以计数周期即为本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差；
所述调钟模块连接所述卫星信号接收模块、所述计数锁存模块、所述铷原子钟模块，所述调钟模块的功能由卫星信号接收模块输出的参考秒脉冲信号触发，从所述计数锁存模块获取所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差；所述调钟模块调节所述铷原子钟模块输出的10MHz基础频率信号的频率直至获取到的本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差连续10～20次小于100ns；
所述IRIG-B(DC)编码模块连接所述分频模块一、所述分频模块二和所述卫星信号接收模块，所述IRIG-B(DC)编码模块从所述卫星信号接收模块读取时间信息之后更新本地时间，并在所述分频模块二输出本地秒脉冲信号和所述分频模块一输出1kHz编码脉冲信号的控制下输出包含本地时间的IRIG-B(DC)码信号；
所述RS485接口芯片或光纤发送器连接IRIG-B(DC)编码模块，将IRIG-B(DC)编码模块输出的IRIG-B(DC)码信号转换成满足相关标准要求的电平信号或者光信号。
所述电池管理模块在有直流电源输入的情况下，一方面对所述电池模块充电，另一方面将输出电压的供电回路切换至直流电源输入。
所述电池管理模块在没有直流电源输入的情况下，将输出电压的供电回路切换至所述电池模块，此时，所述电池模块处于放电状态；
所述100MHz计数脉冲信号、1kHz编码脉冲信号、所述本地秒脉冲信号均来源于所述所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号，因此它们之间是同步的，并且共同构成了本地时间同步频率基准。
一种利用所述一体化便携式时间同步装置的搬钟方法，其特征在于按以下步骤进行：
步骤1，时间同步装置上电之后，所述铷原子钟模块处于自由振荡状态，输出10MHz基础频率信号；
步骤2，所述分频模块一对所述10MHz基础频率信号进行分频，输出1kHz编码脉冲信号；
步骤3，所述分频模块二对所述1kHz编码脉冲信号进行分频，输出本地秒脉冲信号；
步骤4，所述倍频模块对所述10MHz基础频率信号进行倍频，输出100MHz计数脉冲信号；
步骤5，所述计数锁存模块对所述100MHz计数脉冲信号计数，并且在所述本地秒脉冲的上升沿归零，因此，计数范围为0～99,999,999，计数周期为10ns；
步骤6，在室外开阔地带所述卫星信号接收模块通过装置的内置天线模块接收来自GPS或北斗的无线时间基准信号，待锁定无线时间基准信号之后，所述卫星信号接收模块输出所述参考秒脉冲信号；
步骤7，所述计数锁存模块在所述参考秒脉冲的上升沿锁存当前计数值，计数值乘以计数周期即为所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差；
步骤8，从所述计数锁存模块获取所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差并调节所述10MHz基础频率信号的频率，直至获取到的所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差连续10～20次小于100ns，认为所述铷原子钟模块已被驯服；
步骤9，所述IRIG-B(DC)编码模块从所述卫星信号接收模块读取时间信息之后更新本地时间，并在所述本地秒脉冲信号和所述1kHz编码脉冲信号的控制下输出包含所述本地时间的IRIG-B(DC)码信号；
步骤10，所述RS485接口芯片或光纤发送器连接IRIG-B(DC)编码模块，将IRIG-B(DC)编码模块输出的IRIG-B(DC)码信号转换成满足相关标准要求的电平信号或者光信号；
步骤11，回到室内，用本装置给被测装置或系统授时。
进一步地，室内虽然接收不到无线时间基准信号，但是所述铷原子钟模块能够长期保持极高的准确度。
优选地，本装置在室内可接入电源供电。
优选地，所述电池模块仅在室外没有输入电源的情况下才给本装置供电，回到室内之后可连接输入电源对其充电，因此所述电池模块的容量只需满足室外工作时间的要求即可。
本发明的有益效果是：通过搬钟的方法有效规避了现场架设天线的工作，缩短了试验前期的准备工作时间；装置采用一体化结构，具备搬钟所需的所有构件，体积小、重量轻，便于携带。
附图说明
图1为本发明装置供电部分原理结构图。
图2为本发明装置本地频率信号和脉冲信号生成电路原理结构图。
图3为本发明的参考秒脉冲信号原理结构图。
图4为本发明的秒脉冲偏差测量电路原理结构图。
图5为本发明的调钟电路原理结构图
图6为本发明的IRIG-B(DC)码信号生成电路原理结构图
图7为本发明的IRIG-B(DC)码信号输出电路原理结构图
图8为本发明的一体化便携式时间同步装置的搬钟方法流程图。
具体实施方式
下文结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，所述电池管理模块连接直流电源输入端、所述电池模块和所述电源管理模块，所述电池管理模块一方面对所述电池模块的充电、放电进行管理，另一方面输出电压至所述电源管理模块，并切换输出电压的供电回路；所述电源管理模块为时间同步装置内各模块供电；
当接入5V直流输入电源时，电池管理模块将所述5V直流输入电压转换为4.2V直流电压，一方面对电池模块的充电，另一方面为电源管理模块供电；当断开5V直流输入电源时，电池管理模块将电源管理模块的供电回路切换至电池模块，此时电池模块处于放电状态，放电电压为3.7V～4.2V(与当前电量有关)。
电源管理模块采用降压型变换器，将3.7V～4.2V转换为3.3V直流电压，为本装置的其余部分供电。
如图2所示，所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号，并提供串行数据接口供所述调钟模块调节所述10MHz基础频率信号的频率；所述分频模块一对所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号进行分频，输出1kHz编码脉冲信号给所述分频模块二；所述分频模块二对1kHz编码脉冲信号进行分频，输出本地秒脉冲信号；所述倍频模块对所述铷原子钟模块输出10MHz基础频率信号进行倍频，输出100MHz计数脉冲信号；
如图3所示，所述卫星信号接收模块通过所述天线模块接收来自GPS或北斗的无线时间基准信号，输出参考秒脉冲信号，并提供串行数据接口供所述IRIG-B(DC)编码模块读取时间信息；
天线模块接收来自GPS或北斗的无线时间基准信号并馈送至卫星信号接收模块，卫星信号接收模块锁定至少4颗卫星后输出参考秒脉冲信号。
如图4所示，所述计数锁存模块接收所述分频模块二输出本地秒脉冲信号、所述倍频模块输出100MHz计数脉冲信号和所述卫星信号接收模块输出参考秒脉冲信号；所述计数锁存模块对100MHz计数脉冲信号计数，计数锁存模块采用28位计数器对100MHz计数脉冲信号计数，并且在本地秒脉冲的上升沿归零，计数范围为0～99,999,999，计数周期为10ns；所述计数锁存模块在参考秒脉冲的上升沿锁存当前计数值，计数值乘以计数周期即为本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差(时间偏差等于计数值乘以计数周期)。
如图5所示，所述调钟模块连接所述卫星信号接收模块、所述计数锁存模块、所述铷原子钟模块，所述调钟模块的功能由卫星信号接收模块输出的参考秒脉冲信号触发，从所述计数锁存模块获取所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差；所述调钟模块调节所述铷原子钟模块输出的10MHz基础频率信号的频率直至获取到的本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差连续20次小于100ns；
调钟模块的功能由参考秒脉冲触发，每次触发后调钟模块读取锁存计数值，计算本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差，并通过串行数据接口(UART1)调节铷原子钟模块的振荡频率；
当调钟模块计算出的本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号之间的时间偏差连续20次小于100ns，认为铷原子钟模块已被驯服。
如图6所示，所述IRIG-B(DC)编码模块连接所述分频模块一、所述分频模块二和所述卫星信号接收模块，所述IRIG-B(DC)编码模块从所述卫星信号接收模块读取时间信息之后更新本地时间，并在所述分频模块二输出本地秒脉冲信号和所述分频模块一输出1kHz编码脉冲信号的控制下输出包含本地时间的IRIG-B(DC)码信号；
所述的RS485接口芯片或光纤发送器连接IRIG-B(DC)编码模块，将IRIG-B(DC)编码模块输出的IRIG-B(DC)码信号转换成满足相关标准要求的电平信号或者光信号。如图7所示，IRIG-B(DC)编码模块输出的IRIG-B(DC)码信号可用RS-485接口芯片或者光纤发送器转换成RS-485电平电IRIG-B(DC)码信号或者光IRIG-B(DC)码信号。
一体化便携式时间同步装置的搬钟方法的实现流程如图8所示。
步骤1，时间同步装置上电之后，所述铷原子钟模块处于自由振荡状态，输出所述10MHz基础频率信号；
步骤2，所述分频模块一对10MHz基础频率信号进行分频，输出1kHz编码脉冲信号；
步骤3，所述分频模块二对1kHz编码脉冲信号进行分频，输出本地秒脉冲信号；
步骤4，所述倍频模块对10MHz基础频率信号进行倍频，输出100MHz计数脉冲信号；
步骤5，所述计数锁存模块对所述100MHz计数脉冲信号计数，并且在所述本地秒脉冲的上升沿归零，因此，计数范围为0～99,999,999，计数周期为10ns；
步骤6，在室外开阔地带所述卫星信号接收模块通过装置的内置天线模块接收来自GPS或北斗的无线时间基准信号，待锁定无线时间基准信号之后，所述卫星信号接收模块输出所述参考秒脉冲信号；
进一步地，本装置在室外使用所述电池模块供电；
步骤7，所述计数锁存模块在所述参考秒脉冲的上升沿锁存当前计数值，计数值乘以计数周期即为所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差。
步骤8，所述调钟模块从所述计数锁存模块获取所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差并调节所述10MHz基础频率信号的频率，直至获取到的所述本地秒脉冲信号和所述参考秒脉冲信号之间的时间偏差连续20次小于100ns，认为所述铷原子钟模块已被驯服。
步骤9，所述IRIG-B(DC)编码模块从所述卫星信号接收模块读取时间信息之后更新本地时间，并在所述本地秒脉冲信号和所述1kHz编码脉冲信号的控制下输出包含所述本地时间的IRIG-B(DC)码信号。
步骤10，所述的RS485接口芯片或光纤发送器连接IRIG-B(DC)编码模块，将IRIG-B(DC)编码模块输出的IRIG-B(DC)码信号转换成满足相关标准要求的电平信号或者光信号。
步骤11，回到室内，用本装置给被测装置或系统授时。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
