一种高可靠校时设备的制作方法

1.本实用新型属于时间统一技术领域，具体涉及一种高可靠校时设备。


背景技术：

2.时间统一领域设备通过无线或有线信道对航天、军工、工业和民用等领域内的各种设备进行授时，即为：给各种设备提供统一的标准时码和频标信号。提供标准时码、频标信号的设备统称为时统设备或校时设备，接收标准时码和频标信号的设备统称用时设备。校时设备的性能优劣对用时设备能否正常工作起着非常关键的作用。若校时设备的性能较差，导致用时设备无法接收到标准时码和频标信号，用时设备将因为没有统一的时间标准而导致性能急剧下降，尤其对于户外的用时设备而言，因为户外恶劣环境的影响，从而对户外校时设备的性能提出了更高的要求。
3.目前，用于对户外的用时设备进行授时的户外校时设备存在体积庞大、笨重、功耗大以及授时可靠性较差等诸多不足。如何提供一种高可靠性的户外用校时设备是目前时间统一领域研究的重点内容。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种高可靠校时设备。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种高可靠校时设备，包括主控mcu模块、电池模块、电源管理模块、接收机供电控制模块、卫星天线、天线检测模块、卫星接收机、晶振模块、时差测量模块、外部参考时钟输入模块和时码驱放模块，所述主控mcu模块分别与所述天线检测模块、电池模块、电源管理模块、接收机供电控制模块、卫星接收机、晶振模块、时码驱放模块、时差测量模块和外部参考时钟输入模块连接，所述天线检测模块分别与所述卫星天线和所述卫星接收机连接，所述电源管理模块用于与外部电源连接，电源管理模块还与所述电池模块连接，所述接收机供电控制模块与卫星接收机连接，所述外部参考时钟输入模块用于与外部的参考时钟输出源连接，所述时码驱放模块用于与外部用时设备的时码接收端连接，所述晶振模块用于与外部用时设备的频标接收端连接；
7.所述天线检测模块用于向卫星天线馈电以及检测卫星天线的开路和短路状态，并将检测到的开路和短路状态信息发送至所述主控mcu模块；
8.所述主控mcu模块用于根据卫星天线的开路和短路状态信息生成逻辑电平信号，并将所述逻辑电平信号发送至接收机供电控制模块；
9.所述接收机供电控制模块用于根据所述逻辑电平信号接通或断开电源管理模块与卫星接收机之间的连接。
10.进一步改进地，所述校时设备还包括网络时钟同步模块和网络接口，所述网络时钟同步模块分别与所述主控mcu模块和所述网络接口连接，所述网络接口用于与外部的用
时设备的时码接收端或外部的以太网同步时钟输出源连接，其中，所述网络时钟同步模块为ntp时间同步模块或ptp时间同步模块。
11.进一步改进地，所述网络时钟同步模块为phy芯片。
12.进一步改进地，所述外部参考时钟输入模块包括第一tll串口转换单元和第一串口，所述第一tll串口转换单元分别与所述主控mcu模块和所述第一串口连接，所述第一串口用于与外部的参考时钟输出源连接。
13.进一步改进地，所述时码驱放模块输出时码的类型包括1pps+tod和irig-bdc码。
14.进一步改进地，所述时码驱放模块包括差分驱动单元和第二串口，所述差分驱动单元分别与所述主控mcu模块和所述第二串口连接，所述第二串口用于与外部用时设备的时码接收端连接。
15.进一步改进地，所述卫星接收机采用的型号为zed-f9t。
16.进一步改进地，所述晶振模块为恒温晶振。
17.进一步改进地，所述校时设备还包括压控放大模块，所述压控放大模块分别与所述主控mcu模块和所述晶振模块连接。
18.本实用新型的有益效果是：
19.（1）、通过电池模块和电源管理模块的设置，同时电源管理模块用于与外部电源连接，电源管理模块用于电池模块供电和外部电源供电之间的切换控制，实现在外部电源可达的使用环境下，电源管理模块将本实用新型实施例实现的校时设备的供电源选取为外部电源；在外部电源不可达的使用环境下，电源管理模块将本实用新型实施例实现的校时设备的供电源选取为电池模块，提高了校时设备户外使用时的多场景适用性，同时当电池模块或外部电源中任意一个发生故障时，可启用另外一个，此种主备双电源供电模式，提高了校时设备户外使用的可靠性；
20.（2）、通过卫星天线和卫星接收机构成校时设备内部的第一种参考时钟源，外部参考时钟输入模块通过与外部的参考时钟输出源连接形成校时设备内部的第二种参考时钟源，两种参考时钟源的设置进一步提高了校时设备的授时可靠性，可适应户外恶劣且多变的环境条件；
21.（3）、通过天线检测模块和接收机供电控制模块的设置，在卫星天线处于开路或短路异常状态时，接收机供电控制模块断开卫星接收机与电源管理模块之间的连接，停止电源管理模块对卫星接收机的供电，保证在切换到第二种参考时钟源后，第一种参考时钟源不工作，进而使得本实用新型实施例实现的校时设备的功耗得到极大的降低，提高了校时设备的待机时间，使得校时设备户外使用的可靠性得以提升；
22.（4）、通过网络时钟同步模块和网络接口的设置，网络接口可用于与外部的以太网同步时钟输出源连接，进一步地构成本实用新型实施例实现的校时设备内部的第三参考时钟源，提高了授时可靠性；
23.（5）、通过zed-f9t卫星接收机的使用，该型号卫星接收机在静态环境下授时精度可达3ns，保证了本实用新型实施例实现的校时设备的授时精度；
24.（6）、通过恒温晶振的使用，保证了本实用新型实施例实现的校时设备的守时精度。
附图说明
25.图1为高可靠校时设备的一种组成框图；
26.图2为电源管理模块的一种原理图；
27.图3为天线检测模块的一种原理图；
28.图4为接收机供电控制模块的一种原理图；
29.图5为外部参考时钟输入模块的一种原理图；
30.图6为时码驱放模块的一种原理图。
具体实施方式
31.下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.参阅图1-图6，本实施例提供了一种高可靠校时设备，用于对户外的用时设备进行授时，授时传递的信号包括标准时码和频标信号。
33.如图1所示，一种高可靠校时设备包括主控mcu模块、电池模块、电源管理模块、接收机供电控制模块、卫星天线、天线检测模块、卫星接收机、晶振模块、时差测量模块、外部参考时钟输入模块、压控放大模块、时码驱放模块和网络模块。其中，卫星天线和卫星接收机构成本实施例实现的校时设备内部的第一种参考时钟源。
34.主控mcu模块分别与天线检测模块、电池模块、电源管理模块、接收机供电控制模块、卫星接收机、压控放大模块、时码驱放模块、时差测量模块、外部参考时钟输入模块和网络模块连接。
35.天线检测模块还分别与卫星天线和卫星接收机连接。
36.电源管理模块用于与外部电源连接，电源管理模块还与电池模块连接。
37.接收机供电控制模块还与卫星接收机连接。
38.压控放大模块与晶振模块连接。
39.外部参考时钟输入模块用于与外部的参考时钟输出源连接，由此可将外部的参考时钟输出源引入本实施例实现的校时设备内部，作为校时设备内部的第二种参考时钟源。
40.网络模块用于与外部的以太网同步时钟输出源连接，或与外部的用时设备的时码接收端连接。具体的，可根据用时设备的具体需求进行配置。若用时设备的时码接收端需接收以太网同步时钟，则将网络模块配置为以太网同步时钟输出模块，用以生成以太网同步时钟，并将生成的同步时钟发送至用时设备的时码接收端。若用时设备需从时码驱放模块接收标准时码，则可将网络模块配置为与外部的以太网同步时钟输出源连接，用以将外部的以太网同步时钟输出源输出的参考时钟接入本实施例实现的校时设备内部，作为第一种参考时钟源和第二种参考源之外的第三种参考时钟源。
41.时码驱放模块用于与外部用时设备的时码接收端连接。其中，时码驱放模块用于生成标准时码，并将生成的标准时码发送至用时设备的时码接收端。
42.晶振模块用于与外部用时设备的频标接收端连接。其中，晶振模块用于生成频标信号，并将生成的频标信号发送至用时设备的频标接收端。其中，本实施例中，晶振模块优
选为恒温晶振。
43.天线检测模块用于向卫星天线馈电以及检测卫星天线的开路和短路状态，并将检测到的开路和短路状态信息发送至主控mcu模块。
44.主控mcu模块用于根据卫星天线的开路和短路状态信息生成逻辑电平信号，并将逻辑电平信号发送至接收机供电控制模块。其中，逻辑电平信号为逻辑低电平或逻辑高电平。
45.接收机供电控制模块用于根据逻辑电平信号接通或断开电源管理模块与卫星接收机之间的连接。
46.时差测量模块用于测量校时设备内部引入的参考时钟（第一种参考时钟源或第二种参考时钟源或第三种参考时钟源）与主控mcu模块产生的本地时钟之间的相位差，然后将该相位差发送至主控mcu模块。其中，本实施例中主控mcu模块优选为市售的微处理器，通过微处理器内部的定时器产生本地时钟，本地时钟为1pps（秒脉冲）。
47.主控mcu模块还用于根据时差测量模块生成的相位差调整恒温晶振的相位和频率，实现对恒温晶振的驯服，驯服后恒温晶振输出频标信号，以及使得主控mcu模块产生的本地时钟的相位与引入的参考时钟的相位一致。本实施例中，主控mcu模块基于时差测量模块和内置的驯服算法对恒温晶振进行驯服的过程，采用普通实施例中的驯服过程，本实施例对此过程未做改进。
48.主控mcu模块还用于对电池模块的供电电压和电流进行监测以及对电池模块进行充电控制。其中，主控mcu模块对电池模块的供电电压监测、电流监测和充电控制采用普通实施例中的电路结构实现，本实施例对此电路结构未做改进。
49.作为一种优选，卫星接收机采用的型号为zed-f9t，zed-f9t型号的卫星接收机在静态环境下授时精度可达3ns；恒温晶振采用的型号为occ5007jn-10mhz，恒温晶振被驯服后输出的频标为10mhz；时差测量模块采用型号为ms1022的tdc测量芯片；压控放大模块包括型号为max4091auk-t的运算放大器，对主控mcu模块输出的压控vco信号进行放大处理，然后将放大处理后的压控信号发送给晶振模块。
50.作为一种优选，网络模块包括网络时钟同步模块和网络接口，网络时钟同步模块分别与主控mcu模块和网络接口连接，网络接口用于与外部的用时设备的时码接收端或外部的以太网同步时钟输出源连接，其中网络时钟同步模块为ntp时间同步模块或ptp时间同步模块。具体的，网络接口为rj45网口，网络时钟同步模块优选为phy芯片，phy芯片采用的型号为dp83640twx/nopb。
51.具体的，如图2所示，电源管理模块包括第一npn管v10、第二npn管v9和第一pmos管v7。第一npn管v10的基极分别与第一电阻r18的第一端、第二电阻r19的第一端和第一电容c34的第一端连接，第一npn管v10的发射极接地，第一电阻r18的第二端连接至第一12v直流电压输出端vcc12v_in，其中第一12v直流电压输出端vcc12v_in为外部电源输出的12v直流电压经稳压后输出的，第二电阻r19的第二端和第一电容c34的第二端均接地，第一npn管v10的集电极与第三电阻r16的第一端连接，第三电阻r16的第二端分别与第四电阻r14的第一端和第五电阻r15的第一端连接，第四电阻r14的第二端连接至第二12v直流电压输出端vbat_12v，其中第二12v直流电压输出端vbat_12v为电池模块输出的12v直流电压，第五电阻r15的第二端分别与第六电阻r17的第一端和第二电容c33的第一端连接，第六电阻r17的
第二端和第二电容c33的第二端均接地，第二npn管v9的基极与第五电阻r15的第二端连接，第二npn管v9的发射极接地，第二npn管v9的集电极分别与第七电阻r13的第一端和第三电容c32的第一端连接，第七电阻r13的第二端分别与第三电容c32的第二端、第八电阻r12的第一端、第四电容c31的第一端、第五电容c28的第一端以及第一pmos管v7的栅极连接，第八电阻r12的第二端、第四电容c31的第二端和第五电容c28的第二端均连接至第一pmos管v7的源极，第一pmos管v7的源极还与第二12v直流电压输出端vbat_12v连接，第一pmos管v7的漏极与第一二极管v8的正极连接，第一二极管v8的负极分别与第六电容c29的第一端、第七电容c30的第一端和12v供电端vcc12v连接，第六电容c29的第二端和第七电容c30的第二端均接地，12v供电端vcc12v还与第二二极管v6的负极连接，第二二极管v6的正极与第一12v直流电压输出端vcc12v_in连接。12v供电端vcc12v定义为电源管理模块的12v电压输出端，用于给主控mcu模块、天线检测模块、卫星接收机、晶振模块、时差测量模块、外部参考时钟输入模块、压控放大模块、时码驱放模块和网络模块供电。当有外部电源接入本实施例实现的校时设备时，电源管理模块中第一npn管v10导通，第二npn管v9关断，第一pmos管关断，由外部电源向校时设备供电，主控mcu模块对电池模块进行充电控制，开启对电池模块的充电过程。当没有外部电源接入本实施例实现的校时设备时，电源管理模块中第一npn管v10截止，第二npn管v9导通，第一pmos管导通，由电池模块向校时设备供电。
52.具体的，如图3所示，天线检测模块包括天线检测电路。该天线检测电路的第一端与主控mcu模块的第一adc端连接，天线检测电路的第二端与主控mcu模块的第二adc端连接，天线检测电路的第三端与卫星天线连接，天线检测电路的第四端与卫星接收机连接。通过上述天线检测电路的第一端和第二端识别出卫星天线处于正常工作状态或开路状态或短路状态。具体的，该天线检测电路包括第九电阻r84、第十电阻r81、第十一电阻r80、第十二电阻r78、第十三电阻r85、第十四电阻r82、第八电容c71、第九电容c70、第十电容c64和第一电感l2。第九电阻r84的第一端和第八电容c71的第一端均与主控mcu模块的第一adc端连接，第九电阻r84的第二端和第八电容c71的第二端均接地，第九电阻r84的第一端还与第十电阻r81的第一端连接，第十电阻r81的第二端分别与第十二电阻r78的第一端、第十一电阻r80的第一端和电源管理模块的5v电压输出端vcc5v_gnss连接，电源管理模块的5v电压输出端输出的5v电压通过12v电压进行dcdc转换后得到，第十一电阻r80的第二端和第十二电阻r78的第二端均连接至第一浪涌保护器v15的第一端，第一浪涌保护器v15的第二端接地，第一浪涌保护器v15的第一端还分别与第十四电阻r82的第一端和第三二极管v14的第一端连接，第十四电阻r82的第二端分别与第十三电阻r85的第一端、主控mcu模块的第二adc端和第九电容c70的第一端连接，第十三电阻r85的第二端和第九电容c70的第二端均接地，第三二极管v14的第二端与第一电感l2的第一端连接，第一电感l2的第二端与第十电容c64的第一端连接，第一电感l2的第二端还经第一射频sma连接器xs7的射频端与卫星天线连接，第十电容c64的第二端与卫星接收机的射频输入端rf_in_1连接。
53.具体的，如图4所示，接收机供电控制模块分别与主控mcu模块和卫星接收机的供电端连接。具体的，接收机供电控制模块包括第二pmos管v16。第二pmos管v16的源极分别与第十一电容c75的第一端、第十五电阻r90的第一端和电源管理模块的3.3v电压输出端vcc3v3连接，vcc3v3输出的3.3v电压通过12v电压进行dcdc转换后得到，第十一电容c75的第二端和第十五电阻r90的第二端均连接至第十六电阻r91的第一端，第十一电容c75的第
二端还与第二pmos管v16的栅极连接，第十六电阻r91的第二端与第三npn管v17的集电极连接，第三npn管v17的基极分别与第十二电容c80的第一端、第十七电阻r96的第一端和第十八电阻r94的第一端连接，第三npn管v17的发射极、第十七电阻r96的第二端和第十二电容c80的第二端均接地，第十八电阻r94的第二端分别与第十九电阻r92的第一端、第二十电阻r95的第一端和第二十一电阻r93的第一端连接，第二十电阻r95的第二端接地，第十九电阻r92的第二端连接至3.3v电压输出端vcc3v3，第二十一电阻r93的第二端与主控mcu模块的一个通用gpio端gpio1连接，第二pmos管v16的漏极分别与第十三电容c76的第一端、第十四电容c77的第一端和第二电感l3的第一端连接，第十三电容c76的第二端和第十四电容c77的第二端均接地，第二电感l3的第二端分别与第十五电容c78的第一端和第十六电容c79的第一端连接，第十五电容c78的第二端和第十六电容c79的第二端均接地，第十五电容c78的第一端还与卫星接收机的供电端连接。当天线检测模块检测到卫星天线处于正常工作状态时，主控mcu模块生成高电平的逻辑电平信号，并将该高电平的逻辑电平信号发送至第二十一电阻r93的第二端，此时第三npn管v17和第二pmos管v16均开启，第十五电容c78的第一端输出3.3v电压，卫星接收机正常工作。当天线检测模块检测到卫星天线处于开路或短路状态时，主控mcu模块根据该开路或短路状态信息生成低电平的逻辑电平信号，并将该低电平的逻辑电平信号发送至第二十一电阻r93的第二端，此时第三npn管v17和第二pmos管v16均关断，第十五电容c78的第一端不输出3.3v电压，卫星接收机停止工作，实现了在卫星天线开路或短路异常状态下卫星接收机的关断，进而实现了校时设备的低功耗。
54.作为一种优选，外部参考时钟输入模块包括第一tll串口转换单元和第一串口，第一tll串口转换单元分别与主控mcu模块和第一串口连接，第一串口用于与外部的参考时钟输出源连接。具体的，外部参考时钟输入模块经外部的参考时钟输出源接入的时码类型为1pps+tod和irig-bdc码，第一串口为rs422类型的串口，第一tll串口转换单元进行rs422和ttl之间的电平转换。
55.具体的，如图5所示，第一ttl串口转换单元包括型号为at26lv32eeue的电平转换器d2和第一串口xs3。第一串口xs3的左侧第一端和右侧第一端用于接入外部的参考时钟输出源输出的1pps，第一串口xs3的左侧第三端和右侧第三端用于接入外部的参考时钟输出源输出的tod码元，第一串口xs3的左侧第五端和右侧第五端用于接入外部的参考时钟输出源输出的irig-bdc码元，电平转换器d2的左侧第一端与第一串口xs3的右侧第一端连接，电平转换器d2的左侧第二端与第一串口xs3的左侧第一端连接，电平转换器d2的左侧第三端经第二十二电阻r21与主控mcu模块的一个通用gpio端gpio2连接，电平转换器d2的左侧第四端经第二十三电阻r20连接至3.3v电压输出端vcc3v3，电平转换器d2的左侧第五端经第二十四电阻r22连接至主控mcu模块的一个通用gpio端gpio3，电平转换器d2的左侧第六端与第一串口xs3的左侧第五端连接，电平转换器d2的左侧第七端与第一串口xs3的右侧第五端连接，电平转换器d2的右侧第一端分别与第十七电容c35的第一端、第十八电容c36的第一端和3.3v电压输出端vcc3v3连接，第十七电容c35的第二端和第十八电容c36的第二端均接地，电平转换器d2的右侧第五端经第二十五电阻r23接地，电平转换器d2的右侧第六端经第二十六电阻r24连接至主控mcu模块的一个通用gpio端gpio4，电平转换器d2的右侧第七端与第一串口xs3的左侧第三端连接，电平转换器d2的右侧第八端与第一串口xs3的右侧第三端连接。
56.作为一种优选，时码驱放模块输出的时码类型为1pps+tod和irig-bdc码。时码驱放模块包括差分驱动单元和第二串口，差分驱动单元分别与主控mcu模块和第二串口连接，第二串口用于与外部用时设备的时码接收端连接。
57.具体的，如图6所示，差分驱动单元采用型号为at26lv31eese的差分驱动器d3，第二串口xs4为rs422类型的串口。差分驱动器d3的左侧第一端经第二十八电阻r25与主控mcu模块的一个通用gpio端gpio5连接，用于接入主控mcu模块生成的1pps，差分驱动器d3的左侧第二端与第二串口xs4的左侧第一端连接，差分驱动器d3的左侧第三端与第二串口xs4的右侧第一端连接，差分驱动器d3的左侧第四端经第二十七电阻r26与3.3v电压输出端vcc3v3连接，差分驱动器d3的左侧第五端与第二串口xs4的右侧第三端连接，差分驱动器d3的左侧第六端与第二串口xs4的左侧第三端连接，差分驱动器d3的左侧第七端经第二十九电阻r28与主控mcu模块的一个通用gpio端gpio6连接，用于接入主控mcu模块生成的irig-bdc码，差分驱动器d3的右侧第一端分别与第十九电容c37的第一端、第二十电容c38的第一端和3.3v电压输出端vcc3v3连接，第十九电容c37的第二端和第二十电容c38的第二端均接地，差分驱动器d3的右侧第五端经第三十电阻r27接地，差分驱动器d3的右侧第六端与第二串口xs4的右侧第五端连接，差分驱动器d3的右侧第七端与第二串口xs4的左侧第五端连接，差分驱动器d3的右侧第八端经第三十一电阻r29与主控mcu模块的一个通用gpio端gpio7连接，用于接入主控mcu模块生成的tod码。
58.此外，主控mcu模块、电池模块、电源管理模块、接收机供电控制模块、卫星天线、天线检测模块、卫星接收机、晶振模块、时差测量模块、外部参考时钟输入模块、压控放大模块、时码驱放模块和网络模块在器件选型时均考虑了尺寸，最终本实施例所实现的校时设备尺寸小于了250mm*150mm*40mm，重量小于了1.5kg，实现了极高的便携性，满足了户外校时设备搬运的要求；在上述模块进行器件选型时还考虑了功耗，进一步降低了校时设备整体的功耗，使得校时设备的待机时间大于了7*24h；选型时还考虑了上述模块的工作温度范围，选取具备宽温工作特性的模块，使得校时设备可在-40℃~60℃环境下长期稳定工作。与此同时，结合zed-f9t卫星接收机和恒温晶振的使用，校时设备守时精度可达500us/7*24h。
59.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。