У багатьох радіотехнічних пристроях потрібно джерело точного часу. Один зі стандартних варіантів - використовувати в якості времязадающего елемента кварцовий резонатор і вести відлік часу за допомогою спеціалізованої мікросхеми або шляхом організації програмного таймера. При використанні хороших кварців даний метод дозволяє досягти точності порядку 2-8 с на добу [1].
У необслуговуваних системах догляд часу на 8 с на добу призводить до похибки в 48 хв. в рік, що в більшості випадків неприпустимо. Використовуючи для синхронізації часу сигнали супутникових навігаційних систем, можна забезпечити точність вбудованих годин не гірше десятків наносекунд на будь-якому проміжку часу. Сигнали точного часу передаються обома діючими на сьогоднішній день супутниковими угрупованнями - ГЛОНАСС і GPS. Більшість приймачів мають вихід сигналу 1PPS, на якому кожну секунду з'являється короткий імпульс, синхронізований зі шкалою всесвітнього координованого часу (UTC). Незважаючи на те, що точний час здатний видавати будь-GPS-приймач, існують і спеціальні рішення, що відрізняються підвищеною точністю і орієнтовані саме на завдання синхронізації часу.
Інтелектуальна GPS-антена Trimble Acutime Gold
Мал. 1. GPS-приймач Acutime Gold
Acutime Gold представляє собою компактний закінчений GPS-приймач (рис. 1), призначений для монтажу на щоглу і здатний з високою точністю видавати імпульси тимчасової синхронізації і точний час. Приймач Acutime Gold виконаний у водонепроникному UV-захищеному корпусі і може працювати в індустріальному діапазоні температур -40 ... + 85 ° С. Acutime Gold застосовані запатентовані алгоритми обробки GPS-сигналів компанії Trimble і є відмінним рішенням для завдань тимчасової прив'язки і синхронізації, в тому числі і в системах передачі даних. Це дозволяє створити недороге незалежне рішення щодо синхронізації часу для таких додатків, як вимірювальні пристрої на трубопроводах, комп'ютерні мережі, теле- і радіомовлення, стільникові мережі. Acutime Gold має інтерфейс RS-422, який ідеально підходить для довгих ліній зв'язку, які неминучі при монтажі приймача на дахах висотних будівель або на комунікаційних вишках. В приймачі передбачена спеціальна команда, що дозволяє компенсувати затримку поширення сигналу в довгому кабелі, який може мати довжину до 500 м.
Вбудований модуль Trimble Resolution SMT 66266-00
Мал. 2. GPS-модуль Resolution SMT 66266-00
Вітчизняний ГЛОНАСС-приймач Геос-1М
Мал. 3. ГЛОНАСС-приймач Геос-1М: а) зовнішній вигляд модуля; б) схема
ГЛОНАСС-приймач Геос-1М (рис. 3) виконаний у вигляді модуля для SMD-монтажу. Він призначений для обчислення поточних координат і швидкості об'єкта в реальному масштабі часу і формування секундної мітки часу. Принцип дії пристрою заснований на паралельному прийомі і обробці 24-ма вимірювальними каналами сигналів навігаційних супутників ГЛОНАСС в частотному діапазоні L1 (ПТ-код) і GPS на частоті L1 (C / A-код). Геос-1М може працювати одночасно за сигналами як ГЛОНАСС, так і GPS Navstar. Це дає додаткову перевагу в міських умовах, коли частина небосхилу закрита високими будинками. Спеціально для тимчасових додатків передбачений режим фіксованих координат, коли відомості про розміщення антени вводяться в приймач в складі ініціюючих даних. Приймач формує секундну мітку часу з похибкою синхронізації (при довірчій ймовірності 0,997) до шкал часу GPS, ГЛОНАСС, UTC, UTC (SU) не більше 150 нс. Секундна мітка часу являє собою імпульс, що йде з темпом 1 раз в секунду, з програмованою тривалістю від 10 мкс до 2 мс. Для компенсації часу поширення сигналу в кабелі надається можливість зсуву мітки часу на фіксовану затримку в межах ± 1мс.
Якщо обмежитися точністю в межах 1-2 секунд, то для отримання часу можна використовувати будь-який, найдешевший GPS-модуль, який видає стандартний NMEA-протокол. Значення часу присутній в повідомленнях RMC, GGA, GLL. Ці повідомлення зазвичай видаються кожну секунду і містять час в форматі ЧЧMMCC:
$ GPRMC, 191334.00, A, 5540.3649, N, 03734.3873, E, 000.10735, 207.5,151209. A * 5D $ GPGLL, 5543.50718, N, 03739.16394, E, 071650.00, A, A * 67 $ GPGGA, 105845.00,5540.37072, N, 03734.38519, E, 1,05,1.89, 00234, M, 014, M ,, * 64
Однак вказане таким чином час відноситься до факту фіксації координат, а не до моменту видачі власне повідомлення. Тому при використанні цього часу точність не може бути такою ж високою, як при роботі з сигналом PPS. На відміну від фіксації координат, коли необхідно «бачити» мінімум 4 супутника, GPS-приймач може видавати поточний час навіть при прийомі сигналу з 1 супутника. Завдяки цьому факту значно знижуються вимоги до видимості неба або до якості прийомної антени. Далі ми будемо вести мову саме про даному способі отримання часу - у вигляді відповідного поля в повідомленні RMC.
Прогрес у розвитку елементної бази призвів до помітного поліпшення технічних параметрів GPS-модулів (розміри, чутливість, споживання) і зниження їх вартості. Це дозволяє використовувати їх в якості джерела точного часу в тих додатках, де раніше застосування GPS-технологій було неможливо з економічних міркувань. Сьогодні ж собівартість комплектуючих деталей для створення модуля синхронізації часу не перевищує $ 20-30. При безлічі переваг технологія GPS має один суттєвий недолік - вона погано або зовсім не працює в закритих приміщеннях. Можна отримувати сигнал у вікна або навіть в глибині кімнати, але жоден з виробників не може поки запропонувати GPS-рішення, яке працює в будь-якій точці приміщення. Принциповим моментом працездатності GPS-приймача в будівлях є наявність великих вікон або інших шляхів проходження радіосигналу супутників. Подолати це обмеження можна, якщо поєднати GPS-модуль з технологією бездротової передачі даних, наприклад ZigBee або Bluetooth. В цьому випадку можна розміщувати GPS-модуль в оптимальному для прийому місці, а точний час передавати по радіоканалу. Більш того, обидві частини системи (т. Е. Приймач і передавач) можна виконати у вигляді повністю автономних пристроїв, що вимагають обслуговування лише раз в кілька років для заміни батарей (рис. 4).
Мал. 4. Блок-схема системи синхронізації часу з бездротовим каналом
Приймач і передавач можуть більшу частину часу знаходитися в сплячому режимі, синхронно «прокидаючись» в узгоджений час на короткий (одиниці-десятки секунд) проміжок сеансу зв'язку. Між сеансами зв'язку, які точно синхронізують внутрішній годинник пристроїв, можуть проходити годинник або навіть тижні - за цей термін розбіжність кварцових осциляторів НЕ буде значним. Максимальне споживання енергії відбувається при включенні GPS-модуля, однак час включення не перевищує однієї-двох хвилин при струмі споживання близько 30-50 мА (залежить від типу GPS-модуля). Споживання струму в сплячому режимі при працюючих годиннику реального часу для сучасних мікроконтролерів складає одиниці мікроампер. При використанні батарей максимальної місткості (10x А / ч) можна забезпечити автономну роботу протягом 5-10 років.
Система синхронізації часу з модулями XBee
Таблиця. Параметри системи тимчасової синхронізації на базі модулів XBee
Примітка: * - розрахункове значення при використанні лужних батарей (Alkaline).
Для перевірки даної ідеї було побудовано 2 прототипи системи синхронізації часу на основі сигналів GPS. Перша система (див. Таблицю) реалізована на базі модулів XBee [2], які працюють в діапазоні 2400 МГц.
Мал. 5. Передавач системи
Передавач системи (рис. 5) здійснює прийом NMEA-повідомлень, виділяє значення часу з $ GPRMC і передає його через ZigBee-мережу у вигляді широкомовного повідомлення, яке буде прийматися всіма вузлами мережі. Передавач не містить ніяких органів управління, крім кнопки включення живлення. Вбудований ZigBee-модуль працює в режимі з управлінням по AT-командам (прозорий режим) з настройками «за замовчуванням» (PAN ID = 234). На задній стороні корпусу розташовані два SMA-роз'єму для підключення зовнішніх антен (GPS і 2400 МГц). GPS-антену необхідно розташувати таким чином, щоб забезпечити максимальний огляд відкритого неба. Світлодіод показує активність вбудованого мікроконтролера і поточний стан ZigBee-модуля (підключений до висновку 15 «Associate»).
Мал. 6. Приймач на основі XBee-модуля
Приймач отримує широкомовні пакети ZigBee-мережі, виділяє значення часу і відображає його на РК-дисплеї (рис. 6). Вбудований XBee-модуль працює в режимі API і для нормальної роботи повинен входити в ту ж мережу, що і приймач (єдиний ідентифікатор мережі). Після прийому кожного пакета вбудований мікроконтролер запитує параметр потужності сигналу і відображає це значення у вигляді графічної шкали і в цифровому вигляді (в дБм). Приймач має внутрішній годинник, які можуть синхронізуватися за значенням часу, що надходить від передавача. У правому верхньому куті відображається час власного годинника (московське літній). Прийняте час від GPS-приймача відображається в правому нижньому кутку РК-дисплея (UTC-час). На лицьовій панелі корпусу розташована зелена кнопка ручної синхронізації внутрішнього годинника і світлодіод індикації стану ZigBee-модуля.
Система показала повну працездатність перевіряється ідеї. Завдяки використанню готових до застосування модулів XBee таку систему легко реалізувати. На створення прототипу пішло не більше 2 тижнів. Для збільшення радіусу дії між приймачем і передавачем можна розміщувати Долнітельно ZigBee-роутери, які будуть ретранслювати повідомлення. Однак слід враховувати, що при ретрансляції збільшується час затримки і, що найнеприємніше, його неможливо врахувати. Тому для підвищення точності і інших технічних і економічних параметрів системи був розроблений ще один прототип.
Система синхронізації часу з радіоканалом 433 МГц
Мал. 7. Передавач на основі модуля 433 МГц
Для зниження собівартості і реалізації роботи системи в сплячому режимі був розроблений прототип, де в якості радіоканалу використовувалися дешеві модулі Teleconrolli на 433 МГц. У створеному прототипі передавач (рис. 7) постійно знаходиться в режимі сну, включаючи GPS-модуль один раз на добу для синхронізації своїх внутрішніх годин. Тривалість роботи GPS-модуля обмежена 90 с. За цей час в 95% випадків вдається прийняти сигнал супутника навіть при 50% -ної видимості неба. Передача часу по радіоканалу здійснюється також один раз на добу в заздалегідь визначений час. Передавач відсилає 5 радіопакет, що містять даний час з точністю до секунди. Пакети передаються на початку кожної секунди на 5-секундному інтервалі часу. Якщо приймач (рис. 8) працює від мережевого джерела живлення, то його можна тримати в активному стані постійно. При батарейному харчуванні приймач повинен знаходитися в стані сну з йдуть внутрішнім годинником. Включення відбувається тільки на час сеансу зв'язку - один раз на добу, для чого потрібна синхронізація передавального і приймального вузла. Однак це не викликає ніяких труднощів, т. К. Обидва елементи періодично отримують інформацію про точний час. Для компенсації розбіжності годин протягом доби приймач переходить в активний режим за 5 с до початку сеансу зв'язку і знаходиться в цьому режимі протягом 15 с. Для здешевлення передавача використовується пасивна керамічна антена, радіопротокол реалізований програмно в керуючому микроконтроллере. Якщо приймач з якихось причин вийшов з режиму синхронізації, то під час очікуваного сеансу зв'язку він не буде отримувати значення часу. Якщо очікуваних пакетів немає протягом 5 включень поспіль, то приймач повинен виконати цикл синхронізації, для чого його потрібно перевести в режим безперервного прийому на термін не менше доби. Протягом циклу синхронізації схема споживає значний струм (
9 мА), помітно знижуючи ресурс батареї. Як вручну виконати синхронізацію приймача досить вимкнути його і включити знову за 5 с до сеансу зв'язку. На вбудований РКІ-дисплей виводиться місцевий час (розраховане на основі отриманого UTC-часу) і додаткова службова інформація (рис. 9).
Мал. 8. Приймач на основі модуля 433 МГц
Мал. 9. Відображення прийнятої інформації
висновок
Використання сигналів супутникових угруповань ГЛОНАСС і GPS для отримання точного часу технічно нескладно і економічно доцільно для багатьох застосувань - від вуличних годин до систем АСКОЕ. Технічні обмеження, пов'язані з прийомом супутникового сигналу, можна обійти при використанні бездротової технології передачі даних в безліцензійних діапазонах. Використання радіоканалу дозволяє також організувати одночасну синхронізацію часу для безлічі пристроїв в мережі. Сучасна малопотребляющая елементна база дає можливість реалізувати автономну бездротову систему синхронізації часу з тривалістю роботи до 5-10 років.
література
Інші статті на цю тему:
Якщо Ви помітили будь-які неточності в статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію і т.п.), прохання повідомити нам про це. Будь ласка вкажіть посилання на сторінку і будьте готовими описати проблему.