УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ

Полезная модель относится к средствам временной синхронизации и может быть использована в устройствах, осуществляющих синхронизацию территориально разнесенных вторичных часов относительно первичных часов.
Известны устройства для синхронизации часов, содержащие первичные часы, формирующие шкалу времени, временные метки которых передаются на удаленные вторичные часы по радиоканалу, см., например, авторские свидетельства и патент: [1] - SU 591800 (A), G04C 13/02, опубл. 05.02.1978; [2] - SU 1160361 (A), G04C 13/02, опубл. 07.06.1985; [3] - RU 105752 (U1), G04C 13/00, опубл. 20.06.2011. Первичные часы содержат высокостабильный опорный генератор, например рубидиевый или цезиевый стандарт частоты, делитель частоты и формирователь шкалы времени. Синхронизация вторичных часов осуществляется путем подстройки шкалы времени вторичных часов относительно временных меток шкалы времени первичных часов, принимаемых по радиоканалу. При этом для определения задержки распространения сигналов по радиоканалу в целях ее последующей компенсации используются, например, транспортируемые атомные часы, последовательно устанавливаемые на первичных и вторичных часах.
Недостатком синхронизации, осуществляемой с помощью устройств [1]-[3], является невысокая точность синхронизации, связанная с нестабильным характером радиоканала, используемого для передачи на вторичные часы синхронизирующих сигналов - меток шкалы времени первичных часов.
Более стабильным каналом для целей передачи синхронизирующих сигналов на вторичные часы является оптоволоконная линия.
Примером устройства для синхронизации часов, использующего оптоволоконную линию для передачи синхронизирующих сигналов на вторичные часы, является устройство, представленное в патенте [4] - RU 166018 (U1), G04C 13/02, опубл. 10.11.2016, которое принято в качестве прототипа.
Устройство для синхронизации часов, принятое в качестве прототипа, содержит центральный процессор, первичные часы, формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений, формирователь принимаемых от вторичных часов сообщений и оптический сетевой порт. Первичные часы и центральный процессор связаны шиной информационного обмена. Кроме этого, сигнальный выход первичных часов, представляющий собой выход меток времени формируемой шкалы времени и их кодов, соответствующих времени передачи, соединен с первым (сигнальным) входом центрального процессора и первым (сигнальным) входом формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений. Второй (информационный) вход формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений соединен с выходом центрального процессора, а выход - с входом оптического сетевого порта. Выход оптического сетевого порта соединен с входом формирователя принимаемых от вторичных часов сообщений, выход которого соединен с вторым входом (входом обратной связи) центрального процессора.
Первичные часы представляют собой электронное устройство, содержащее опорный генератор, выполненный, например, на основе рубидиевого стандарта частоты, связанный с ним формирователь шкалы времени, выполненный на основе делителей частоты, и связанный с формирователем шкалы времени блок управления, осуществляющий, при необходимости, коррекцию формируемой шкалы времени по командам, поступающим от центрального процессора по каналу обмена данными. Выход формирователя шкалы времени образует выход первичных часов, с которого снимаются сигналы меток времени формируемой шкалы времени и их коды, соответствующие времени передачи.
Оптический сетевой порт обеспечивает подсоединение устройства к оптоволоконной линии, по которой передаются и принимаются сигналы от вторичных часов. Оптический сетевой порт может быть выполнен в виде совокупности передающей и приемной оптронных пар, обеспечивающих передачу/прием сигналов через оптоволоконную линию.
Формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений и формирователь принимаемых от вторичных часов сообщений могут быть выполнены на базе соответствующих контроллеров, осуществляющих преобразование передаваемых сигналов и сообщений в формат сигналов оптического сетевого порта и преобразование поступающих с оптического сетевого порта сигналов и сообщений в формат сообщений, воспринимаемых центральным процессором.
Устройство для синхронизации часов, принятое в качестве прототипа, работает следующим образом.
Первичные часы формируют шкалу времени первичных часов. Метки шкалы времени первичных часов и их коды, соответствующие времени передачи, с выхода первичных часов поступают на первый вход центрального процессора и первый вход формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений.
На второй вход центрального процессора с выхода формирователя принимаемых от вторичных часов сообщений поступают данные от вторичных часов.
В центральном процессоре осуществляется процедура определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов и шкалой времени синхронизируемых вторичных часов, а также величины временной задержки, возникающей при прохождении сигналов по оптоволоконной линии.
Данные, характеризующие смещение шкалы времени вторичных часов относительно первичных часов, а также данные, характеризующие величину задержки, вносимой оптоволоконным каналом, с выхода центрального процессора поступают на второй вход формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений.
Формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений на основе полученных входных данных и сигналов формирует выходные сигналы, которые через оптический сетевой порт поступают в оптоволоконную линию для передачи на синхронизируемые вторичные часы.
На стороне вторичных часов эти сигналы используются для синхронизации шкалы времени вторичных часов относительно шкалы времени первичных часов, а также для формирования сигналов обратной связи, которые несут данные о времени приема метки времени первичных часов в шкале времени вторичных часов и данные о моменте ее обратного излучения в шкале времени вторичных часов.
Сигналы обратной связи поступают на оптический сетевой порт и далее на вход формирователя принимаемых от вторичных часов сообщений, с выхода которого преобразованные сигналы поступают на второй вход центрального процессора, где фиксируется момент поступления метки времени вторичных часов в шкале времени первичных часов, определяется величина задержки, вносимой оптоволоконной линией, и величина расхождения между шкалами времени первичных и вторичных часов.
Полученные данные о расхождении между шкалами времени первичных и вторичных часов передаются на вторичные часы на последующем цикле передачи метки времени первичных часов на вторичные часы. Эти данные используются на стороне вторичных часов для коррекции формируемой шкалы времени вторичных часов.
Таким образом, устройство-прототип позволяет решить задачу высокоточной синхронизации удаленных вторичных часов относительно первичных без применения радиоканала и транспортируемых атомных часов.
При этом, однако, устройство-прототип решает указанную задачу только в отношении одного удаленного объекта (одних вторичных часов), в нем не предусмотрено технических средств, позволяющих осуществлять синхронизацию нескольких вторичных часов относительно первичных часов.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства для синхронизации часов, позволяющего решить задачу обеспечения возможности высокоточной синхронизации нескольких вторичных часов относительно первичных часов в тех же, что и прототип, условиях использования оптоволоконных линий для связи с удаленными вторичными часами.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем. Устройство для синхронизации часов содержит связанные шиной информационного обмена первичные часы и центральный процессор, связанный с первичными часами формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений, а также связанный с формирователем передаваемых на вторичные часы сообщений и формирователем принимаемых от вторичных часов сообщений оптический сетевой порт. В отличие от прототипа, формирователь передаваемых на вторичные часы сообщений, формирователь принимаемых от вторичных часов сообщений и оптический сетевой порт содержат, соответственно, N выходных формирующих элементов, N входных формирующих элементов и N приемопередающих оптоэлектронных элементов, где N>1, причем сигнальные входы выходных формирующих элементов формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений соединены с сигнальным выходом первичных часов, информационные входы выходных формирующих элементов формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений соединены с соответствующими выходами маршрутизатора, вход которого соединен с информационным выходом центрального процессора, а выходы выходных формирующих элементов формирователя передаваемых на вторичные часы сообщений соединены с передающими входами соответствующих приемопередающих оптоэлектронных элементов оптического сетевого порта, при этом принимающие выходы оптоэлектронных элементов оптического сетевого порта соединены с сигнальными входами входных формирующих элементов формирователя принимаемых от вторичных часов сообщений, входы временной фиксации которых соединены с выходом сигналов времени центрального процессора, а выходы соединены с соответствующими входами блока хранения и передачи сообщений обратной связи, выход которого соединен с входом сигналов обратной связи центрального процессора.
Сущность полезной модели и ее реализуемость поясняются структурной схемой устройства для синхронизации часов.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Заявляемое устройство для синхронизации часов в рассматриваемом примере содержит первичные часы 1, центральный процессор 2, формирователь 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, содержащий N выходных формирующих элементов 4 (4, 4…4), формирователь 5 принимаемых от вторичных часов сообщений, содержащий N входных формирующих элементов 6 (6, 6…6), и оптический сетевой порт 7, содержащий N приемопередающих оптоэлектронных элементов 8 (8, 8…8), где N>1. В состав устройства также входят маршрутизатор 9 и блок 10 хранения и передачи сообщений обратной связи.
Первичные часы 1 и центральный процессор 2 связаны шиной информационного обмена.
Сигнальные входы выходных формирующих элементов 4, входящих в состав формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, соединены с сигнальным выходом первичных часов 1, с которого снимаются характерные метки времени формируемой шкалы времени (например, секундные) и их коды, соответствующие времени передачи.
Информационные входы выходных формирующих элементов 4 соединены с соответствующими выходами маршрутизатора 9, вход которого соединен с информационным выходом центрального процессора 2.
Выходы выходных формирующих элементов 4 соединены с передающими входами (входами электрических сигналов) соответствующих приемопередающих оптоэлектронных элементов 8, входящих в состав оптического сетевого порта 7. Принимающие выходы (выходы электрических сигналов) оптоэлектронных элементов 8 соединены с сигнальными входами соответствующих входных формирующих элементов 6, входящих в состав формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений. Оптические выходы-входы оптоэлектронных элементов 8 образуют выходы-входы заявляемого устройства, предназначенные для подключения оптоволоконных линий, ведущим к синхронизируемым объектам - вторичным часам (на структурной схеме не показаны).
i
i
Таким образом, каждый i-ый оптоэлектронный элемент 8 из состава оптического сетевого порта 7 связан своим электрическим входом с выходом i-го выходного формирующего элемента 4 из состава формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, а своим электрическим выходом - с входом i-го входного формирующего элемента 6 из состава формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений.
В формирователе 5 принимаемых от вторичных часов сообщений входы временной фиксации входных формирующих элементов 6 соединены с выходом сигналов времени центрального процессора 2, а выходы входных формирующих элементов 6 соединены с соответствующими входами блока 10 хранения и передачи сообщений обратной связи, выход которого соединен с входом сигналов обратной связи центрального процессора 2.
В рассматриваемом примере первичные часы 1 представляют собой электронное устройство, содержащее опорный генератор, выполненный, например, на основе рубидиевого стандарта частоты, и связанный с ним формирователь шкалы времени первичных часов, выполненный на основе делителей частоты, формирующих выходные сигналы в виде характерных меток времени (на структурной схеме не показаны). Первичные часы 1 снабжены средствами управления, позволяющими, при необходимости, осуществлять коррекцию формируемой шкалы времени относительно внешних синхронизирующих устройств, а также средствами маркировки меток времени в соответствии со временем их передачи (на структурной схеме не показаны). Управление первичными часами 1 осуществляется центральным процессором 2 с помощью сигналов, передаваемых по шине информационного обмена. По этой же шине центральный процессор 2 получает сигналы от первичных часов 1, используемые для формирования шкалы реального времени, коды которой поступают на выход сигналов времени центрального процессора 2.
Центральный процессор 2 может быть выполнен на базе микросхем «ПЛИСС» с соответствующим программным обеспечением.
Приемопередающие оптоэлектронные элементы 8, входящие в состав оптического сетевого порта 7, могут быть выполнены в виде совокупностей передающих и приемных оптронных пар, обеспечивающих преобразование передаваемых электрических сигналов в оптические сигналы и преобразование принимаемых оптических сигналов в электрические.
Выходные формирующие элементы 4, входящие в состав формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, могут быть выполнены на базе контроллера, осуществляющего преобразование сигналов, поступающих с первичных часов 1 и маршрутизатора 9, в формат сигналов оптического сетевого порта 7.
Входные формирующие элементы 6, входящие в состав формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений, могут быть выполнены на базе контроллера, осуществляющего фиксацию времени поступления сигналов с оптического сетевого порта 7 и их преобразование в формат сигналов, воспринимаемых блоком 10 хранения и передачи сообщений обратной связи.
Маршрутизатор 9 выполняется на базе контроллера, осуществляющего распределение сигналов, поступающих с информационного выхода центрального процессора 2, по направлениям в зависимости от их принадлежности к определенным вторичным часам.
Блок 10 хранения и передачи сообщений обратной связи выполняется на базе контроллера, осуществляющего функцию буферного хранения сообщений, поступающих с входных формирующих элементов 6 формирователя 5, и их передачу на вход обратной связи центрального процессора 2.
Конструктивно, заявляемое устройство для синхронизации часов может быть реализовано в виде стойки радиоэлектронной аппаратуры, с жестким закреплением функциональных блоков на несущих элементах конструкции и соединением их между собой электрическими кабелями с использованием соответствующих разъемов.
Заявляемое устройство для синхронизации часов работает следующим образом.
Первичные часы 1 формируют шкалу времени первичных часов. Метки шкалы времени первичных часов 1 и их коды, соответствующие времени передачи, с выхода первичных часов 1 поступают на сигнальный вход формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, а именно, на сигнальные входы выходных формирующих элементов 4. Указанные коды также поступают по шине информационного обмена в центральный процессор 2.
На вход обратной связи центрального процессора 2 с выхода блока 10 хранения и передачи сообщений обратной связи поступают данные от синхронизируемых вторичных часов.
В центральном процессоре 2 определяются величины расхождений между шкалой времени первичных часов 1 и шкалами времени синхронизируемых вторичных часов, а также величины временных задержек, возникающих в соответствующих оптоволоконных линиях, связывающих заявляемое устройство с синхронизируемыми вторичными часами. Эти данные с информационного выхода центрального процессора 2 поступают на вход маршрутизатора 9, где распределяются по каналам в зависимости от их принадлежности к определенным вторичным часам.
Данные, характеризующие смещения шкал времени вторичных часов относительно первичных часов, а также величины задержек в соответствующих оптоволоконных линиях, с выходов маршрутизатора 9 поступают на информационные входы выходных формирующих элементов 4 формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, на сигнальные входы которых поступают метки шкалы времени первичных часов 1 и их коды, соответствующие времени передачи.
Выходные формирующие элементы 4 формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений на основе полученных входных данных и сигналов формируют выходные сигналы, которые через приемопередающие оптоэлектронные элементы 8 поступают в соответствующие оптоволоконные линии для передачи на синхронизируемые вторичные часы.
На стороне синхронизируемых вторичных часов эти сигналы используются для синхронизации шкал времени вторичных часов относительно шкалы времени первичных часов (вопросы выполнения и функционирования вторичных часов не относятся к предмету заявляемой полезной модели и в рамках настоящей заявки не рассматриваются). Кроме этого вторичные часы формируют сообщения обратной связи, которые по соответствующим оптоволоконным линиям поступают на оптический сетевой порт 7, а именно, на оптические выходы-входы оптоэлектронных элементов 8 и далее на сигнальные входы входных формирующих элементов 6 формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений, где они оцифровываются по времени прибытия, с помощью сигналов, поступающих с выхода сигналов времени центрального процессора 2, номеру оптоволоконной линии, соответствующему номеру вторичных часов, и преобразуются в нужный формат, воспринимаемый блоком 10 хранения и передачи сообщений обратной связи.
С выходов входных формирующих элементов 6 формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений данные от вторичных часов поступают на входы блока 10 хранения и передачи сообщений обратной связи, с выхода которого в установленной очередности поступают на вход сигналов обратной связи центрального процессора 2 для последующего определения величин расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалами времени вторичных часов, а также временной задержки на трассе передачи сигналов.
Суть процесса определения величины расхождения между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени вторичных часов, а также временной задержки на трассе передачи сигналов можно пояснить на примере синхронизации i-ых вторичных часов.
1
i
1
Метка шкалы времени первичных часов 1 и ее код, соответствующий времени t ее передачи, с выхода первичных часов 1 поступает на сигнальный вход формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений, в том числе на сигнальный вход i-го выходного формирующего элемента 4. Этот код также поступает по шине информационного обмена в центральный процессор 2, где происходит фиксация момента времени t.
i
1
i
2i
С выхода i-го выходного формирующего элемента 4 указанная метка и ее код, соответствующий времени t передачи, проходят через i-ый приемопередающий оптоэлектронный элемент 8 оптического сетевого порта 7 и поступают в i-ю оптоволоконную линию, по которой передаются на i-ые вторичные часы, где фиксируется время t приема этой метки в шкале времени этих вторичных часов.
2i
Значение времени t представляет собой сумму следующих составляющих:
2i
1
смi
трi
t=t+Δt+Δt,
1
где t - время передачи метки времени в шкале времени первичных часов 1;
смi
Δt - величина расхождения (смещения) между шкалой времени первичных часов 1 и шкалой времени i-ых вторичных часов;
трi
Δt - величина временной задержки на трассе распространения сигналов по i-ой оптоволоконной линии.
2i
3i
3i
2i
i
i
Далее зафиксированное значение t, а также метка времени i-ых вторичных часов и ее код в момент времени вторичных часов t, где t>t, поступают через i-ую оптоволоконную линию в обратном направлении на i-ый приемопередающий оптоэлектронный элемент 8 оптического сетевого порта 7 и далее - на i-ый входной формирующий элемент 6 формирователя 5 принимаемых от вторичных часов сообщений.
i
4i
В i-ом входном формирующем элементе 6 по сигналам, поступающим с выхода сигналов времени центрального процессора 2, осуществляется фиксация времени t приема метки времени i-ых вторичных часов в шкале времени первичных часов 1, которое представляет собой сумму следующих составляющих:
4i
3i
смi
трi
t=t-Δt+Δt.
i
Кроме этого, в i-ом входном формирующем элементе 6 осуществляется преобразование принятых сообщений в формат сигналов центрального процессора 2 и оснащение их идентификационной маркировкой в соответствии с i-ым номером вторичных часов.
2i
3i
4i
С выхода i-го входного формирующего элемента 6, сигналы, несущие информацию о моментах времени t, t и t, поступают на соответствующий вход блока 10 хранения и передачи сообщений обратной связи, где хранятся в буферной памяти до момента их считывания в центральный процессор 2.
2i
3i
4i
1
смi
трi
На основании принятых сообщений о значениях t и t, с учетом зафиксированного значения t и ранее зафиксированного значения t в процессоре 2 рассчитываются искомые значения Δt и Δt по формулам:
смi
2i
1
4i
3i
Δt=[(t-t)-(t-t)]/2;
трi
2i
1
4i
3i
Δt=[(t-t)+(t-t)]/2.
i
Полученные таким образом данные, характеризующие смещение шкалы времени i-ых вторичных часов относительно первичных часов 1 и задержку в i-ой оптоволоконной линии, поступают с информационного выхода центрального процессора 2 на вход маршрутизатора 9, который в соответствии с идентификационной меткой направляет их в i-ый выходной формирующий элемент 4 формирователя 3 передаваемых на вторичные часы сообщений.
i
В i-ом выходном формирующем элементе 4 эти данные преобразуются в служебное сообщение, которое одновременно с метками шкалы времени первичных часов 1 передается на i-ые синхронизируемые вторичные часы, обеспечивая точность их временной синхронизации относительно шкалы времени первичных часов 1.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства для синхронизации часов, позволяющего решить задачу обеспечения возможности высокоточной синхронизации нескольких вторичных часов относительно первичных часов в тех же, что и прототип, условиях использования оптоволоконных линий для связи с удаленными вторичными часами.
Источники информации
1. SU 591800 (A), G04C 13/02, опубл. 05.02.1978.
2. SU 1160361 (A), G04C 13/02, опубл. 07.06.1985.
3 RU 105752 (U1), G04C 13/00, опубл. 20.06.2011.
4. RU 166018 (U1), G04C 13/02, опубл. 10.11.2016.