Multe dispozitive radio necesită o sursă precisă de timp. Una dintre opțiunile standard este utilizarea rezonatorului cuarț ca element de stabilire a timpului și urmărirea timpului cu ajutorul unui microcircuit specializat sau prin organizarea unui cronometru software. Cu ajutorul unui cuart bun, această metodă permite obținerea unei precizii de aproximativ 2-8 s pe zi [1].
În sistemele fără întreținere, timpul de expirare de 8 s pe zi duce la o eroare de 48 de minute. pe an, ceea ce este, în majoritatea cazurilor, inacceptabil. Folosind semnalele sistemelor de navigație prin satelit pentru sincronizarea timpului, puteți asigura că precizia ceasului încorporat nu este mai prejos decât zeci de nanosecunde în orice interval de timp. Semnalele timpului exact sunt transmise de ambele grupuri satelit actuale - GLONASS și GPS. Majoritatea receptoarelor au o ieșire de ieșire 1PPS, pe care un sincronizat în fiecare secundă un sir scurt, sincronizat cu scara UTC (World Time Coordinated Time). În ciuda faptului că orice receptor GPS este capabil să furnizeze timp exact, există și soluții speciale care se disting prin precizie sporită și orientate în special către probleme de sincronizare temporală.
Inteligenta antena GPS Trimble Acutime Gold
Fig. 1. Receptor GPS Acutime Gold
Acutime Gold este un compact finit GPS-receptor (fig. 1) pentru montarea pe catarg și capabil să livreze cu precizie impulsuri de sincronizare și ora curentă. Receiver Acutime Gold este fabricat în carcasă rezistentă la apă UV și poate funcționa în domeniul temperaturii industriale -40 ... + 85 ° С. Acutime de aur conține algoritmi de procesare de proprietate-semnal GPS de la Trimble este soluția perfectă pentru problemele de sincronizare și de sincronizare, inclusiv în sistemele de transmisie a datelor. Acesta vă permite să creați o soluție independentă necostisitoare pentru sincronizare de timp pentru aplicații, cum ar fi dispozitivele de măsurare pe conducte, rețele de calculatoare, de televiziune și radio, rețelele celulare. Acutime Gold are o interfață RS-422, care este ideal pentru linii lungi, care sunt inevitabile la instalarea receptorului pe acoperișurile clădirilor înalte, sau turnuri de comunicare. Receptorul are o comandă specială pentru a compensa întârzierea de propagare a cablului lung, care poate avea o lungime de până la 500 m.
Rezoluție Trimble SMT 66266-00 Modul încorporat
Fig. 2. Modul GPS Rezoluție SMT 66266-00
Receptorul GLONASS domestic GeoS-1M
Fig. 3. Receptor GLONASS GeoS-1M: a) aspectul modulului; b) schema
Receptorul GLONASS GeoS-1M (Figura 3) este implementat ca un modul pentru montarea SMD. Acesta este conceput pentru a calcula coordonatele curente și viteza obiectului în timp real și pentru a genera o a doua ștampilă de timp. operarea dispozitivului se bazează pe recepție paralelă și prelucrarea canalelor 24 inelare ale semnalelor de măsurare ale satelitului de navigație GLONASS într-o bandă de frecvență L1 (PT) și codul de frecvență GPS L1 la (C / A-cod). GeoS-1M poate funcționa simultan pe semnalele atât GLONASS cât și GPS Navstar. Acest lucru oferă un avantaj suplimentar în condițiile urbane, când o parte a cerului este închisă de clădiri înalte. Mai ales pentru aplicare temporară are un mod fix de coordonate atunci când informațiile privind locația antenei sunt de intrare la receptor, ca parte a datelor de inițializare. Receptorul generează o sincronizare de timp timbru de moment cu eroare (în cazul în care nivelul de încredere de 0,997) la scale de timp GPS, GLONASS, UTC, UTC (SU) nu mai mare de 150 ns. Al doilea timestamp reprezintă pulsul care vine de la rampa de 1 ori pe secundă, cu o durată programabilă de la 10 ms la 2 ms. Pentru a compensa timpul de propagare a semnalului în cablu au posibilitatea de a schimba întârzierea fixă a amprentei de timp în termen de ± 1ms.
Dacă vă limitați la acuratețe în decurs de 1-2 secunde, atunci puteți utiliza orice modul GPS cel mai ieftin, care oferă protocolul standard NMEA, pentru a obține timpul. Valoarea timpului este prezentă în mesajele RMC, GGA, GLL. Aceste mesaje sunt de obicei emise în fiecare secundă și conțin timpul în formatul HHMMCC:
$ GPRMC, 191,334.00, A, 5540.3649, N, 03734.3873, E, 000.10735, 207.5,151209. A * 5D $ GPGLL, 5,543.50718, N, 03,739.16394, E, 071,650.00, A, A * 67 $ GPGGA, 105845.00,5540.37072, N, 03,734.38519, E, 1,05,1.89, 00234, M, 014, M ,, * 64
Cu toate acestea, timpul specificat în acest mod se referă la fixarea coordonatelor și nu la momentul emiterii mesajului real. Prin urmare, atunci când utilizați acest timp, precizia nu poate fi la fel de mare ca atunci când lucrați cu un semnal PPS. Spre deosebire de fixarea coordonatelor, atunci când este necesar să se "vadă" minimum 4 sateliți, receptorul GPS poate da ora curentă chiar și atunci când primește un semnal de la un satelit. Datorită acestui fapt, cerințele privind vizibilitatea cerului sau calitatea antenei de recepție sunt reduse semnificativ. Apoi vom vorbi despre această metodă de obținere a timpului - sub forma câmpului corespunzător din mesajul RMC.
Progresul în dezvoltarea bazei elementului a condus la o îmbunătățire semnificativă a parametrilor tehnici ai GPS-modulul (dimensiune, sensibilitate, consum) și reducerea costurilor acestora. Acest lucru le permite să fie utilizate ca sursă de timp exact în acele aplicații în care anterior utilizarea tehnologiei GPS a fost imposibilă din motive economice. Astăzi, costul pieselor pentru crearea unui modul de sincronizare de timp nu depășește 20-30 USD. Cu multe avantaje, tehnologia GPS are un dezavantaj semnificativ - este rău sau nu funcționează deloc în spații închise. Puteți primi un semnal de la o fereastră, sau chiar a camerei, dar nici unul dintre producătorii încă nu poate oferi un GPS-soluții, funcționează oriunde în cameră. Performanța fundamentală punct de receptor GPS în clădiri este prezența unor ferestre mari sau a altor căi de radio prin satelit. Pentru a depăși această limitare, puteți, dacă combini GPS-modul cu o tehnologie de transfer de date fără fir, cum ar fi ZigBee sau Bluetooth. În acest caz, puteți amplasa modulul GPS în locul optim pentru recepție și timpul exact de transmis pe canalul radio. În plus, ambele părți ale sistemului (de ex. E. emițător și receptor) pot fi efectuate într-un dispozitive complet autonome necesită serviciu decât o singură dată în câțiva ani pentru înlocuirea bateriei (Fig. 4).
Fig. 4. Diagrama bloc a unui sistem de sincronizare a timpului cu un canal wireless
Emițător și receptor pot fi cele mai multe ori în modul de repaus, sincronă „trezirea“ la un timp scurt consistente (câteva zeci de secunde) interval de o sesiune de comunicare. Între sesiuni de comunicare care se sincronizează cu exactitate ceasul intern al dispozitivului poate trece ore sau chiar săptămâni - în acest timp oscilatoare cu cuarț discrepanță nu va fi semnificativ. Consum maxim de energie se produce atunci când GPS-modulul, dar la timp să nu depășească una sau două minute, la un consum de curent de 30-50 mA (în funcție de tipul de GPS-modulului). Consumul curent în modul somn cu ceas în timp real care rulează pentru microcontrolerele moderne este un microampere. Atunci când utilizați o baterie de capacitate maximă (10x A / h), puteți asigura o funcționare autonomă timp de 5-10 ani.
Sistem de sincronizare de timp cu module XBee
Tabel. Parametrii sistemului de sincronizare de timp bazat pe modulele XBee
Notă: * - Valoarea calculată la utilizarea bateriilor alcaline (Alcaline).
Pentru a testa această idee, s-au construit două prototipuri ale unui sistem de sincronizare a timpului bazat pe semnale GPS. Primul sistem (vezi tabelul) este implementat pe baza modulelor XBee [2] care funcționează în banda de 2400 MHz.
Fig. 5. Transmițător de sistem
Sistemul de transmițător (fig. 5) acceptă NMEA- mesaje, extrage valoarea de timp de $ GPRMC și le transmite printr-o rețea ZigBee-ca un mesaj de difuzare care va fi primit de către toate nodurile de pe rețea. Transmițătorul nu conține comenzi cu excepția butonului de alimentare. Modulul ZigBee integrat funcționează în modul de comandă AT (mod transparent) cu setările implicite (PAN ID = 234). Pe partea din spate a carcasei există două conectori SMA pentru conectarea antenelor externe (GPS și 2400 MHz). Antena GPS trebuie poziționată astfel încât să ofere o vedere maximă a cerului deschis. LED-ul arată activitatea microcontrolerului încorporat și actualul stat ZigBee modulului (conectat la pinul 15 «asociat»).
Fig. 6. Receptorul bazat pe modulul XBee
Receptorul primește pachete difuzate din rețeaua ZigBee, extrage valoarea de timp și îl afișează pe ecranul LCD (Figura 6). Modulul XBee încorporat funcționează în modul API, iar pentru funcționarea normală trebuie să se afle în aceeași rețea ca și receptorul (identificator de rețea unic). După primirea fiecărui pachet, microcontrolerul încorporat solicită parametrul de putere a semnalului și afișează această valoare sub formă de scală grafică și în formă digitală (în dBm). Receptorul are un ceas intern care poate fi sincronizat cu valoarea de timp care vine de la emițător. În colțul din dreapta sus este afișat ora orelor voastre (vara Moscova). Timpul recepționat de la receptorul GPS este afișat în colțul din dreapta jos al ecranului LCD (ora UTC). Pe panoul frontal al carcasei există un buton verde pentru sincronizarea manuală a ceasului intern și un LED de stare pentru modulul ZigBee.
Sistemul a arătat capacitatea deplină de lucru a ideii testate. Cu ajutorul modulelor XBee gata de utilizare, acest sistem este ușor de implementat. Nu a durat mai mult de 2 săptămâni pentru a crea un prototip. Pentru a mări intervalul de funcționare dintre receptor și transmițător, este posibilă plasarea routerelor ZigBee care vor retransmite mesajele. Cu toate acestea, trebuie reținut faptul că în timpul retransmisiei, timpul de întârziere crește și, cel mai neplăcut, nu poate fi luat în considerare. Prin urmare, pentru a crește precizia și alți parametri tehnici și economici ai sistemului, a fost dezvoltat un alt prototip.
Sistem de sincronizare de timp cu un canal radio 433 MHz
Fig. 7. Transmițător bazat pe modulul 433 MHz
Pentru a reduce costurile și a implementa sistemul în modul de repaus, a fost dezvoltat un prototip, în care au fost utilizate module radio ieftine la 433 MHz ca canal radio. În prototipul creat, transmițătorul (figura 7) este în permanență în modul de repaus, inclusiv modulul GPS o dată pe zi, pentru a-și sincroniza ceasul intern. Durata modulului GPS este limitată la 90 s. În acest timp, în 95% din cazuri, este posibil să se recepționeze semnalul satelitului chiar și la o vizibilitate de 50% a cerului. Transmiterea timpului prin canalul radio se efectuează, de asemenea, o dată pe zi la un timp prestabilit. Transmițătorul trimite 5 pachete radio care conțin ora curentă la cea mai apropiată secundă. Pachetele sunt transmise la începutul fiecărei secunde într-un interval de timp de 5 secunde. Dacă receptorul (figura 8) este alimentat de o sursă de alimentare de rețea, acesta poate fi menținut permanent în stare activă. Când bateria este alimentată, receptorul trebuie să fie în starea de dormit cu ceasul intern ce rulează. Incluziunea apare numai pe durata sesiunii de comunicare - o dată pe zi, care necesită sincronizarea nodurilor de transmisie și recepție. Cu toate acestea, acest lucru nu provoacă dificultăți, deoarece ambele elemente primesc periodic informații despre timpul exact. Pentru a compensa discrepanța ceasului în timpul zilei, receptorul intră în modul activ cu 5 secunde înainte de începerea sesiunii de comunicare și se află în acest mod timp de 15 secunde. Pentru a reduce costul transmițătorului, se utilizează o antena ceramică pasivă, protocolul radio fiind implementat programabil în microcontrolerul de control. Dacă receptorul dintr-un anumit motiv a părăsit modul de sincronizare, acesta nu va primi valoarea de timp în timpul sesiunii de comunicare preconizate. Dacă pachetele așteptate nu sunt prezente pentru 5 intrări consecutive, atunci receptorul trebuie să efectueze un ciclu de sincronizare, pentru care trebuie transferat în modul de recepție continuă pentru o perioadă de cel puțin 24 de ore. În timpul ciclului de sincronizare, circuitul consumă un curent semnificativ (
9 mA), reducând în mod semnificativ durata de viață a bateriei. Pentru sincronizarea manuală a receptorului, opriți-l și reporniți-l timp de 5 secunde înainte de sesiunea de comunicare. Ecranul LCD încorporat arată ora locală (calculată pe baza timpului UTC primit) și informațiile suplimentare de service (figura 9).
Fig. 8. Un receptor bazat pe un modul de 433 MHz
Fig. 9. Afișarea informațiilor primite
concluzie
Utilizarea semnalelor din satelitul GLONASS și GPS pentru obținerea timpului exact este din punct de vedere tehnic simplă și posibilă din punct de vedere economic pentru multe aplicații - de la ceasuri de stradă la sisteme ASKUE. Limitările tehnice asociate recepționării unui semnal de satelit pot fi eludate prin folosirea tehnologiei de transmisie de date fără fir în benzile fără licență. Utilizarea unui canal radio vă permite, de asemenea, sincronizarea sincronizată a timpului pentru mai multe dispozitive din rețea. Baza modernă de elemente cu putere redusă permite implementarea unui sistem autonom de sincronizare fără fir cu timp de lucru de până la 5-10 ani.
literatură
Alte articole pe această temă:
Dacă observați orice inexactități în articol (desene lipsă, tabele, informații nesigure, etc.), vă rugăm să ne anunțați. Furnizați un link către pagină și o descriere a problemei.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: