智能化反饋式特種時(shí)鐘系統(tǒng)研究

摘要：本研究針對(duì)目前制約公共時(shí)鐘發(fā)展的突出問題和瓶頸問題，以改進(jìn)時(shí)鐘控制技術(shù)、提高可靠性為目標(biāo)，研究具有智能化校準(zhǔn)功能的時(shí)鐘控制系統(tǒng)。本研究在時(shí)鐘指針反饋技術(shù)、智能化閉環(huán)控制技術(shù)、綜合可靠性設(shè)計(jì)等方面取得了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破，對(duì)推進(jìn)公共時(shí)鐘行業(yè)技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)品更新?lián)Q代、提升行業(yè)質(zhì)量水平，都將起到積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 閉環(huán)指針控制，智能化，齒輪定位，雙核心控制單元

Abstract：This study based on the current outstanding problems and bottleneck problems restricting the development of public clock trade.

This study aims to improve the clock control technology and improve its reliability. It also focuses on the study of the function of the intelligent calibration clock control system.

The breakthrough on the fields such as the clock pointer feedback technology， intelligent closed-loop control technology and the reliability design also can be found in this article. With the aim to upgrade the public clock industry technology and improve the trade level as a whole， this article is bound to play a positive role.

Key words： Closed Loop pointer control， Intelligent， Gear positioning， dual core control unit.

1、引言

從機(jī)械式建筑鐘開始，公共時(shí)鐘（公共設(shè)施、工業(yè)、國防等特殊用途時(shí)鐘）行業(yè)歷經(jīng)發(fā)展變遷，目前通用的是以石英晶體作為時(shí)鐘振蕩源的機(jī)電一體化時(shí)鐘系統(tǒng)，時(shí)鐘在體積、精度上較之機(jī)械式時(shí)鐘有了跨越性進(jìn)步。機(jī)電一體化時(shí)鐘系統(tǒng)是將高頻石英晶體產(chǎn)生的頻率進(jìn)行分頻，產(chǎn)生走時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖，通過電機(jī)，驅(qū)動(dòng)由輪系組成的時(shí)鐘機(jī)心，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)指針運(yùn)走，指示時(shí)間。相比機(jī)械時(shí)鐘而言，整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)零部件的性質(zhì)從純機(jī)械零件轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械和電子元器件。由于不同類型零部件的工作參數(shù)不同、指標(biāo)不同、MTBF不同，再加上控制環(huán)節(jié)增多等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降；另一方面，目前特種鐘產(chǎn)品90%以上是開環(huán)控制，即沒有指針位置識(shí)別與反饋系統(tǒng)，而可靠的控制系統(tǒng)應(yīng)工作在閉環(huán)狀態(tài)，少數(shù)帶有指針反饋機(jī)構(gòu)的特種鐘產(chǎn)品，由于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，反饋機(jī)構(gòu)的工作可靠性、反饋信號(hào)的穩(wěn)定性、安裝和維護(hù)的可操作性等方面均存在很多問題，直接或間接的影響到整機(jī)可靠性和質(zhì)量。

隨著城市建設(shè)日新月異的發(fā)展，以及現(xiàn)代化機(jī)場(chǎng)、地鐵、車站等城市公共設(shè)置相繼建成，對(duì)公共時(shí)鐘的需求也不斷增多。時(shí)鐘不僅僅為公共場(chǎng)所提供了裝飾性的點(diǎn)綴，更重要的是，向流動(dòng)的人們提供時(shí)間指示和報(bào)時(shí)服務(wù)。因此，時(shí)間的準(zhǔn)確性和運(yùn)走的可靠性是這類產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)，對(duì)應(yīng)用于工業(yè)、交通、國防領(lǐng)域的公共時(shí)鐘，這一點(diǎn)則尤為重要。本研究以改進(jìn)時(shí)鐘控制技術(shù)、提高可靠性為目標(biāo)，研究具有定位及位置反饋機(jī)構(gòu)的智能化反饋式特種時(shí)鐘系統(tǒng)，將時(shí)鐘指針工作狀況及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)心運(yùn)走可能出現(xiàn)的隨機(jī)錯(cuò)誤實(shí)施糾錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、判誤、校準(zhǔn)的閉環(huán)控制，形成具有智能化自校準(zhǔn)特征的時(shí)鐘系統(tǒng)，提高時(shí)鐘系統(tǒng)的走時(shí)精度及可靠性。

2、智能化反饋式特種時(shí)鐘系統(tǒng)研究

2.1采用的技術(shù)路線

依據(jù)研究目標(biāo)，本研究的重點(diǎn)是：①根據(jù)行業(yè)技術(shù)升級(jí)換代的需求，研究智能化指針閉環(huán)控制技術(shù)；②根據(jù)時(shí)鐘走時(shí)精度和運(yùn)行可靠性的需求，從系統(tǒng)工程的角度開展可靠性優(yōu)化研究。

本研究采取的技術(shù)路線見圖1。

2.2解決的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1指針閉環(huán)控制

一、內(nèi)置齒輪定位式軟件輔助指針反饋技術(shù)

特種鐘產(chǎn)品通常工作在戶外環(huán)境下，各種自然環(huán)境、各種隨機(jī)干擾都會(huì)影響指針反饋信號(hào)拾取的可靠性、準(zhǔn)確性、以及使用壽命。因此采用的內(nèi)置式齒輪定位反饋技術(shù)，具有防塵、防水、防抖動(dòng)、工作狀態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，解決了行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有反饋機(jī)構(gòu)不能長期可靠工作的問題，確保了反饋機(jī)構(gòu)的工作可靠性和信號(hào)穩(wěn)定性。具體包括：

（1）反饋信號(hào)拾?。褐羔樜恢梅答仚C(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)心內(nèi)部。為實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)在分輪上采集指針位置反饋信號(hào)，利用分針和時(shí)針聯(lián)動(dòng)這一特性間接實(shí)現(xiàn)了時(shí)針的定位。在分輪上加工定位槽，結(jié)合紅外光耦器件，通過光電轉(zhuǎn)換，將機(jī)械位置信息轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，使控制器能夠識(shí)別、處理，判斷分針和時(shí)針的位置，進(jìn)而實(shí)施指針閉環(huán)控制。為防止機(jī)心抖動(dòng)可能引起的光路阻擋或多次感光，采取了軟硬件糾錯(cuò)措施：通過透光孔形狀設(shè)計(jì)和軟件時(shí)延與糾錯(cuò)識(shí)別設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的可靠拾取；

（2）反饋信號(hào)判讀：現(xiàn)有技術(shù)是同時(shí)拾取時(shí)輪、分輪的位置信號(hào)，判斷時(shí)鐘走時(shí)信息。而本案設(shè)計(jì)僅從機(jī)心分輪拾取位置反饋信號(hào)，利用分輪和時(shí)輪的聯(lián)動(dòng)特性，采用軟件輔助小時(shí)計(jì)數(shù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)、分針位置判讀。其優(yōu)點(diǎn)在于：減少了反饋器件個(gè)數(shù)、簡化了機(jī)心機(jī)械結(jié)構(gòu)、減少機(jī)心內(nèi)機(jī)電零部件的相互干涉，進(jìn)一步提升機(jī)心運(yùn)行可靠性及反饋信號(hào)的穩(wěn)定性；

（3）軟件輔助指針定位：由于采用齒輪定位方式，在安裝時(shí)鐘指針時(shí)需要將指針對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的齒輪定位孔，但機(jī)心輪系是封閉在機(jī)心外殼內(nèi)的（需要防塵防潮），指針安裝時(shí)看不到齒輪標(biāo)志孔，故設(shè)計(jì)了裝針子程序，通過軟件自動(dòng)識(shí)別齒輪標(biāo)記位的位置，指導(dǎo)指針安裝，使指針、齒輪標(biāo)志孔、軟件識(shí)別三者之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；

該項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了齒輪定位、機(jī)電轉(zhuǎn)化、軟件輔助定位識(shí)別等一套系統(tǒng)化解決方案，該項(xiàng)設(shè)計(jì)，已授權(quán)實(shí)用新型專利1項(xiàng)軟件注冊(cè)1項(xiàng)，其工作可靠性、穩(wěn)定性、可操作性、可維護(hù)性都居行業(yè)領(lǐng)先水平。

二、基于閉環(huán)模式的指針智能化控制技術(shù)

閉環(huán)控制包括GPS校時(shí)追時(shí)、位置反饋同步追時(shí)、斷電同步追時(shí)。系統(tǒng)設(shè)置在每天的固定時(shí)刻接收GPS授時(shí)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)母鐘與子鐘進(jìn)行同步校準(zhǔn)；在另一時(shí)刻，根據(jù)子針位置反饋信號(hào)實(shí)施子鐘和母鐘的同步追時(shí)。兩種校時(shí)方式每12小時(shí)各實(shí)施一次，單片機(jī)工作量極小，軟件運(yùn)行可靠；兩種控制工作在并行、冗余、相互驗(yàn)證的方式，極大的提高了控制的可靠性。在兩次校時(shí)控制期間，由系統(tǒng)內(nèi)高頻溫補(bǔ)晶振提供的穩(wěn)定時(shí)間源（1S±5PPM），保證本地母鐘走時(shí)精度。

通過GPS校時(shí)追時(shí)、位置反饋同步追時(shí)、高精度守時(shí)時(shí)鐘源，三重并行、冗余的時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)指針指示的時(shí)間與時(shí)鐘內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)間源及GPS授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間三者同步，保證了時(shí)鐘指示時(shí)間的準(zhǔn)確性與可靠性。追時(shí)程序可計(jì)算最短追時(shí)路徑，對(duì)指針進(jìn)行智能追時(shí)校準(zhǔn)。

除上述兩種追時(shí)外，系統(tǒng)還擁有斷電記憶及上電自動(dòng)追時(shí)功能。能夠在交流電斷電時(shí)，將斷電時(shí)間、小時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存到EEPROM里，當(dāng)系統(tǒng)再次上電時(shí)，讀取斷電時(shí)間等數(shù)據(jù)，計(jì)算最短追時(shí)路徑和追時(shí)時(shí)間，自動(dòng)展開上電追時(shí)。

根據(jù)冗余可靠性計(jì)算公式1：

由單一控制轉(zhuǎn)變?yōu)?重冗余控制可靠度定性評(píng)估，若取R0=0.8，則3重冗余的系統(tǒng)可靠RS=0.992，可靠度提升24%。該項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新已申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)。

三、MCU+CPLD協(xié)同控制方案

時(shí)鐘控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括：時(shí)間源信號(hào)讀取、母鐘顯示與走時(shí)驅(qū)動(dòng)碼制轉(zhuǎn)換、GPS接收及解碼、GPS校時(shí)與子鐘追時(shí)、反饋信號(hào)處理及子鐘校準(zhǔn)、遙控信號(hào)接收及子鐘加快停走控制、走時(shí)驅(qū)動(dòng)控制、報(bào)時(shí)控制等12個(gè)硬件控制模塊、14個(gè)軟件子程序單元，是多中斷的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。行業(yè)現(xiàn)有的方式是以單片機(jī)為核心控制單元，控制所有控制模塊，軟硬件控制單元多，單片機(jī)要管控的系統(tǒng)繁雜，故障點(diǎn)多，系統(tǒng)整體可靠性差。

為此，設(shè)計(jì)將控制任務(wù)化分為時(shí)鐘控制單元和接口控制單元兩個(gè)部分，實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化，圍繞著MCU和CPLD兩個(gè)核心芯片，將控制功能按照控制單元拆分，實(shí)施模塊化功能設(shè)計(jì)。將行業(yè)現(xiàn)行的星型控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p核心控制單元的網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)（見圖2），減少核心控制單元的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，同時(shí)也減少了串聯(lián)控制環(huán)節(jié)，優(yōu)化了控制結(jié)構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)可靠性。同時(shí)該控制結(jié)構(gòu)也將控制信號(hào)（由MCU處理）和驅(qū)動(dòng)信號(hào)（由CPLD處理）進(jìn)行了分隔，優(yōu)化供電系統(tǒng)功率分配，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。該項(xiàng)控制技術(shù)該項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新已申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，技術(shù)水平居國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。

2.2.2綜合可靠性設(shè)計(jì)

一、硬件可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將控制任務(wù)化分為時(shí)鐘控制單元和接口控制單元，實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用了單片機(jī)（MCU）+可編程邏輯器件（CPLD）硬件設(shè)計(jì)組合。CPLD產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)并將其按照時(shí)序和相位分配，不但極大減輕了MCU的負(fù)擔(dān)，更重要的是，MCU在長久工作工作狀態(tài)下如果受到電磁干擾，可能陷入死機(jī)狀態(tài)，由于CPLD對(duì)電機(jī)走時(shí)的驅(qū)動(dòng)不受單片機(jī)實(shí)時(shí)控制，即使單片機(jī)死機(jī)，子鐘仍能維持正常的走時(shí)，因此對(duì)走時(shí)系統(tǒng)而言MCU與CPLD相當(dāng)于夠成了熱備份冗余結(jié)構(gòu)，極大的提高了系統(tǒng)可靠性。

二、降低機(jī)心能耗設(shè)計(jì)

為了降低機(jī)心功耗，機(jī)心走時(shí)采用節(jié)電模式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為2/15（即15秒2步與行業(yè)現(xiàn)有的1Hz驅(qū)動(dòng)脈沖機(jī)心相比，功耗僅為現(xiàn)有產(chǎn)品的13.3%。降低功耗設(shè)計(jì)可減輕控制器驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，減少器件體積，降低因器件過熱引發(fā)的器件故障提高控制器運(yùn)行可靠性。

另一方面，因?yàn)楣β实拇蠓冉档?，為采用太陽能等清潔能源奠定了基礎(chǔ)。

三、軟件可靠性設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方式，子程序單元包括：初始化程序模塊、液晶顯示程序模塊、母鐘運(yùn)行程序模塊、鍵盤輸入程序模塊、碼制轉(zhuǎn)換程序模塊、掉電保護(hù)程序模塊、斷電追時(shí)程序模塊、GPS校時(shí)程序模塊、MP3音樂播放程序模塊?？梢酝ㄟ^各個(gè)模塊的組合形成不同的控制系統(tǒng)，滿足多變的客戶需求。

實(shí)際軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)各子程序單元都進(jìn)行了軟件算法優(yōu)化，對(duì)追時(shí)子程序進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵控制點(diǎn)采用表決系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自我監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，避免了在惡劣環(huán)境和強(qiáng)干擾環(huán)境下系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼、程序跑飛等錯(cuò)誤，提高了軟件的可靠性和運(yùn)行速度。

3 、結(jié)論

本研究通過指針位置反饋技術(shù)研究、基于閉環(huán)模式的指針智能化控制技術(shù)、綜合可靠性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究，設(shè)計(jì)具有智能化校準(zhǔn)功能的時(shí)鐘控制系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)斷電同步追時(shí)、反饋同步追時(shí)、GPS校準(zhǔn)追時(shí)，對(duì)時(shí)鐘走時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)控制；該控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、輸出力矩、功耗、指針走時(shí)反饋機(jī)構(gòu)等方面，實(shí)施了系統(tǒng)化綜合可靠性設(shè)計(jì)，研制成功的MCU+CPLD協(xié)同控制結(jié)構(gòu)，使時(shí)鐘控制系統(tǒng)可靠性比現(xiàn)有技術(shù)提升60%、三重冗余設(shè)計(jì)的走時(shí)可靠性比現(xiàn)有技術(shù)提升24%；針對(duì)降低能耗的設(shè)計(jì)，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)功耗僅為現(xiàn)有產(chǎn)品的13.3%。該項(xiàng)技術(shù)主要用于機(jī)場(chǎng)、地鐵、街道、店面、城市景觀、辦公場(chǎng)所等室內(nèi)外中小型公共時(shí)鐘，不僅可以作為獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)應(yīng)用，還可作為時(shí)間同步系統(tǒng)的子鐘系統(tǒng)，應(yīng)用于時(shí)間同步系統(tǒng)。

本研究在時(shí)鐘指針反饋技術(shù)、智能化閉環(huán)控制技術(shù)、綜合可靠性設(shè)計(jì)等方面取得了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破，創(chuàng)新成果已申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)、申請(qǐng)并授權(quán)實(shí)用新型專利2項(xiàng)、軟件著作權(quán)1項(xiàng)。相關(guān)技術(shù)對(duì)推進(jìn)公共時(shí)鐘行業(yè)技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)品更新?lián)Q代、提升行業(yè)質(zhì)量水平，都將起到積極的促進(jìn)作用。