时钟系统技术应用研究

时钟系统技术应用研究

吴超

西安中核核仪器股份有限公司     陕西省西安市   710061

摘要：介绍了时钟系统的现状分析，根据时钟系统的特殊要求，提出了通过改变时钟系统的通信协议，根据需要可在时钟系统增加接口来优化设计技术方案，该方案适用于国内外各种类型的场景，并将成为时钟系统的标准设计方案。

关键词：时钟；接口

1、系统介绍

针对时钟系统的配置、分布特点、系统互联互通、可扩展性、在线升级等要求，本着设计目标，使时钟系统完全符合相关国家及行业规范和标准，并严格按照设计要求提出的对时钟系统的各种特殊要求，将之建成一个安全稳定、技术先进、智能化高、功能完备的大型时钟系统，实现厂内相关系统之间时间信号的完全统一，便于厂内的所有设备之间在统一时间下有序工作；也便于工作人员随时掌握准确、统一的时间信息。

2、系统总体架构

时钟系统由主时钟、二级母钟、扩展钟、接线箱、子钟等设备组成。

系统采用树状的时间信息传递方式，由前端到后端逐级传递，后级同步于前级，同级之间相互独立。

子钟网络采用星型结构。二级母钟通过时间分配网络将每天的时间信号传送到安装在电站内的各子钟，自动对时系统每秒将子钟和二级母钟比较对时，当子钟和二级母钟不同步时，子钟将停走或加快以保持和二级母钟的同步。

时钟系统框图如下图所示：

3、子钟系统

子钟系统分为两部分：子钟管理设备和子钟。子钟管理设备即二级母钟安装在通信机房的机柜内，子钟安装在房间内用于显示。

子钟管理设备从主时钟系统获取时间信号，经过处理后，通过遍布全厂的时钟网络传输至每台子钟，保证全厂子钟显示时间的统一、准确。子钟将其接收到的时间信号回传至子钟管理设备，子钟管理设备根据比对接收到的子钟回传信号与本地基准信号，判断每台子钟的工作状态，并将相关信息送入监控系统。子钟管理设备可以是一台独立设备，也可以由主钟来实现子钟管理的功能。

由子钟管理设备输出至一些较远建筑物的时钟系统端子箱的信号，可采用单模光纤传输，并在这些光缆两端配置光电转换器。光电转换器的驱动能力可满足携带下游所有子钟的能力。距离二级母钟或光缆接线箱小于800米范围内子钟可采用双绞电缆接入当地普通无光缆输入接线箱或接线盒，并由当地无光缆接线箱通过双绞电缆接入本地子钟附带的接线盒。

子钟内部采用晶振作为本振源，以保证在失去子钟管理设备传输的上游时间信号时，仍能在一段时间内保持准确的时间显示。当重新获得上游时间信号时，自动与上游同步。

在子钟断电并重新上电后，立即与上游时间信号同步。若此时接收不到上游信号，则显示归零。

4、系统特点

★高精度、高可靠性

时钟系统中的母钟和子钟均采用高稳定性、高精度的晶体振荡器，以确保系统高稳定性、高精度。能够接收来自GPS的标准时间信号，经母钟接收、解码、比对、定时处理后发送至系统的各个部分，从而实现整个时钟系统长期无累积误差运行。

★系统扩展性、灵活性

由于系统采用分布式结构方式，充分考虑了工程今后的扩建(容)，并预留了大量的接口以满足系统中远期扩展。时钟系统的扩展可以通过对软件进行简单更新，硬件只需接入扩展模块的方法实现。

具有灵活的系统集成接口能力和设备监控管理能力，同时本系统采用开放的分布结构，能灵活地增加、减少、移动附属时钟设备（子钟），而应用软无需更换件仅做简单的设置即可。本系统与其它系统之间的接口，完全建立在开放的标准协议之上，兼容多种接口形式可灵活选择配置。子钟的配置、显示格式、状态都能通过应用软件进行灵活配置、修改和监控。

★系统的兼容性

系统由标准化的软件及硬件组成，用户可按照自己的需要灵活配置。系统软件能够适应计算机和通信技术的飞速发展，在系统的电磁兼容方面，设备制造商做了大量的试验与改进工作，所提供的设备在许多工程中经历过长期严格的考验。投标人所选用的的时钟系统关键设备均通过了国家电磁兼容检测权威单位：上海电器设备检测所的验收和测试，各项指标均符合IEC61000系列的要求，并取得了由上海电器设备检测所签发的标明各项电磁性能合格的验收报告。

★系统维护性

本系统设计时在关键设备的关键部位设置了用于维护和测试的测试点；整个时钟系统采取了故障隔离、故障屏蔽、接口分离、故障自诊断和自动报警技术；高集成元器件的选用、具有互换性的标准化和模块化板卡设计（相同规格的设备、模块、板卡、单元组件等都具有互换性）。

★系统监控管理技术完善性

本系统操作系统采用目前最为流行的软件平台，对通信和监控软件采取了人性化的设计，使人机界面友好、整洁、直观，更由于先进的超大规模集成电路技术的引进与应用，使得系统的自动化和集成程度极高，操作非常简单快捷舒适。

网管系统可将时钟的实时运行状态即时的上报给维护人员，并提供准确时刻的日志；针对故障情况，在维护人员给予的权限内进行智能化控制。

时钟系统中具有完整的时间频率网络和通信网络，将系统中的各设备组成网状的体系结构。某一处网络节点故障，不会影响全系统监控管理的连通性。

★系统的适配性能与可扩展性

本系统软硬件的选取遵循开放系统规范，支持多种国际标准协议，包括采用具有开放的操作系统、通讯协议、开发工具等；系统采用先进的技术、程式和设备，为第三方应用提供开放的标准接口通讯协议，支持第三方依据该接口协议来获取时钟信号。

★远程联网报警及互联互通

当时钟系统发生故障时，除了在故障现场和在通信中心设备机房发出正常的报警信号之外，系统还能自动判断故障的级别，并且根据故障级别通过三种方式分别向不在现场的有关设备管理人员发送报警信息：可以通过值班电话发送手机短信、呼叫手机、拨打管理人员的值班电话（夜间）等方式及时通知不在现场的设备管理人员。同样在故障排除后系统会自动通知有关的设备管理人员以解除警报。

★先进性、经济性及节能环保

本时钟系统采用了先进的设计理念，积极采用和汲取先进和成熟的尖端技术、前端工艺方法，所提供的时钟系统设备既可靠成熟，又符合目前技术发展的潮流。系统整体技术性达到目前国内外时钟系统行业最先进的水平，并在相当长的时期内（10年）保持其先进性。

绿色环保的设计思想的推行、低能耗元器件的选择和使用、低能长寿命发光材料的应用、先进的超大规模集成电路技术的引进与应用，使得时钟系统的总体能耗大幅度降低，提高了时钟系统的使用寿命，并降低了使用成本。

结束语：

通过本研究可建立一套采用创新思路的时钟系统的解决方案，它既能满足安全运行的特殊要求，又可实现时间信号的统一，目前该方案已在核电项目中实施。

【1】王开满，董春晓，城市轨道交通综合监控系统时钟同步方案研究，城市轨道交通研究，2022（11）：50-53；

【2】史文静，于超，基于北斗卫星导航系统的时钟同步网平台研究，铁道通信信号，2019（8）：80-83；

【3】卢宝娟，带有矩阵键盘的数字子钟设计，电子技术与软件工程，2012.11；177-178