基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)

文 / 曲琳 楊微 王倩

基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)

文 / 曲琳 楊微 王倩

敘述了傳統(tǒng)的艦船用時(shí)鐘設(shè)備的現(xiàn)狀及缺點(diǎn)；提出將以太網(wǎng)技術(shù)及POE供電應(yīng)用到船用時(shí)間控制系統(tǒng)中；系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)分析以及實(shí)現(xiàn)。

時(shí)鐘設(shè)備；以太網(wǎng)；POE供電。

引言：伴隨著國際運(yùn)輸行業(yè)和造船行業(yè)的快速發(fā)展，時(shí)鐘系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展對時(shí)鐘同步系統(tǒng)提出了更高的要求。而目前國內(nèi)時(shí)鐘生產(chǎn)廠家對船用時(shí)鐘同步系統(tǒng)還停留在只對自身系統(tǒng)的時(shí)間同步，并未實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，因此，需要一種基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

船用時(shí)鐘系統(tǒng)技術(shù)目前的現(xiàn)狀及缺點(diǎn)

1、需要單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，布線復(fù)雜：目前市場上船舶使用的時(shí)鐘系統(tǒng)，母鐘與子鐘之間一般是采用RS422/485通訊技術(shù)，需要單獨(dú)的布線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子鐘必須有固定的連接電纜，固定的連接順序，不能放置錯(cuò)誤。子鐘要與母鐘通訊，上傳節(jié)點(diǎn)信息并獲取時(shí)間。如果電纜出現(xiàn)問題（如受潮），將直接導(dǎo)致這一條線的所有子鐘通訊失敗。另外子鐘供電主要由母鐘提供電源，也需單獨(dú)布電源線，由于直流電壓線纜損耗等問題每路子鐘的個(gè)數(shù)也會受到線纜的長度及粗細(xì)的限制。

2、子鐘管理不方便：母鐘對子鐘只發(fā)送校時(shí)信號，一般子鐘不發(fā)送反饋信息給母鐘，當(dāng)子鐘發(fā)生故障時(shí)，只能人工確認(rèn)哪個(gè)子鐘故障。

3、后期維護(hù)費(fèi)用高：出現(xiàn)問題要逐步排查問題原因，如果是用戶自己的工程師，那就要逐步理線，耗時(shí)長，工作量大，如果子鐘數(shù)量很多，后期一般是廠家維護(hù)，費(fèi)用比較高。

基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)把以太網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到時(shí)鐘系統(tǒng)中，母鐘內(nèi)部設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口，支持NTP服務(wù)協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)。系統(tǒng)采用NTP時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步，時(shí)間精度高，時(shí)間誤差不超過10ms；子鐘內(nèi)部增加網(wǎng)絡(luò)接口，母鐘可通過以太網(wǎng)對子鐘進(jìn)行校時(shí)；并且各子鐘支持POE網(wǎng)絡(luò)供電。無需單獨(dú)布線，便可共享計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。同時(shí)可同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備時(shí)間。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)，母鐘與子鐘之間，不光要通訊走網(wǎng)絡(luò) ，子鐘的供電同樣走網(wǎng)絡(luò) 。才能解決不需要重新布線的問題。這就引用到POE供電的技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)子鐘的網(wǎng)絡(luò)供電。

1、POE技術(shù)介紹及其供電原理

POE被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)(POL, Power over LAN )或有源以太網(wǎng)( Active Ethernet)，有時(shí)也被簡稱為以太網(wǎng)供電，這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)是基于以太網(wǎng)供電系統(tǒng)POE的新標(biāo)準(zhǔn)，它在IEEE 802.3的基礎(chǔ)上增加了通過網(wǎng)線直接供電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，也是第一個(gè)關(guān)于電源分配的國際標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)的五類網(wǎng)線有四對雙絞線,但是在l0M BASE-T和100M BASE-T中只用到其中的兩對。IEEE80 2.3af允許兩種用法,應(yīng)用空閑腳供電時(shí),4、5腳連接為正極,7、8腳連接為負(fù)極。

應(yīng)用數(shù)據(jù)腳供電時(shí),將DC電源加在傳輸變壓器的中點(diǎn),不影響數(shù)據(jù)的傳輸。在這種方式下線對1、2和線對3、6可以為任意極性。本系統(tǒng)采用應(yīng)用空閑腳供電。（見圖1）

圖1 通過空閑腳供電

圖2 系統(tǒng)圖

2、基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)介紹

基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng)由一臺母鐘和幾十只子鐘組成，并通過以太網(wǎng)互聯(lián)起來。能同時(shí)提供當(dāng)?shù)貢r(shí)間和GMT（某一特定地方時(shí)間）本系統(tǒng)的時(shí)間同步是采用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)，采用NTP時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步，具有時(shí)間精度高的，利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不需要重復(fù)布線的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用集中控制與調(diào)整，由如下部分組成：（系統(tǒng)圖見圖2）

1）時(shí)間信號接收單元 2）母鐘 3）子鐘

本系統(tǒng)由一臺母鐘和幾十只子鐘組成，通過以太網(wǎng)相互聯(lián)接起來；它能同時(shí)提供當(dāng)?shù)貢r(shí)間和GMT。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間接收單元通過RS422方式向母鐘發(fā)送高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號，以實(shí)現(xiàn)對母鐘精度的校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)無累積誤差地運(yùn)行。母鐘將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號通過交換機(jī)發(fā)送至各個(gè)子鐘及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備，從而統(tǒng)一全船時(shí)間。

母鐘內(nèi)部以STM32F107微處理器為核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯、譯碼運(yùn)算，構(gòu)成控制單元，（見圖3）操作非常簡單，可以同時(shí)對所有子鐘進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針快速調(diào)整，在各種工作環(huán)境下，都能可靠運(yùn)行。母鐘采用LED數(shù)碼顯示方式，通過鍵盤調(diào)整來實(shí)現(xiàn)各種功能。

母鐘對子鐘進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。母鐘采用恒溫晶振，保證了系統(tǒng)的精度且有時(shí)間記憶功能。系統(tǒng)能夠接收來自GPS的納秒級標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號，經(jīng)母鐘處理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至系統(tǒng)的各個(gè)子鐘，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的高精度無累積誤差運(yùn)行。

母鐘電源采用交直流并行供電形式，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷工作。

子鐘是靠子鐘控制系統(tǒng)自身的石英晶體振蕩器運(yùn)行，通過RJ45接口，采用網(wǎng)線與母鐘相連，通過接收母鐘發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，對自身的精度進(jìn)行校準(zhǔn)，以自動(dòng)消除誤差，指示統(tǒng)一的時(shí)間；當(dāng)接收不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號時(shí)，子鐘仍能以自身的精度工作。

子鐘具有正撥和反撥兩種調(diào)整方式，能夠自動(dòng)追時(shí)，當(dāng)接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號時(shí)，能夠以最短距離快速調(diào)整指針的位置到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，可通過鍵盤對時(shí)。

同時(shí)子鐘管理支持snmp協(xié)議，可以嵌入到用戶的管理平臺。SNMP是基于TCP/IP協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)，是一種在IP網(wǎng)絡(luò)中管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如服務(wù)器、工作站、路由器、交換機(jī)等）的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。SNMP能夠使網(wǎng)絡(luò)管理員提高網(wǎng)絡(luò)管理效能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決網(wǎng)絡(luò)問題以及規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的增長。網(wǎng)絡(luò)管理員還可以通過SNMP接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通知消息以及告警事件報(bào)告等來獲知網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4 子鐘原理框圖

結(jié)語：基于以太網(wǎng)的艦船用時(shí)間控制系統(tǒng) ，通過對以太網(wǎng)技術(shù)及POE供電技術(shù)的應(yīng)用，無需單獨(dú)布線，通過共享計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，便可同步子鐘時(shí)間及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的時(shí)間。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)管理員還可以通過SNMP接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通知消息以及告警事件報(bào)告等來獲知網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題。真正實(shí)現(xiàn)艦船用時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。

《POE技術(shù)簡介及應(yīng)用分析》 劉敬武、孫秀山、魏國勛，2013

《以太網(wǎng)供電（POE）的關(guān)鍵技術(shù)解析》 陳英梅、段景漢、張家榮，2006《一種NTP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》 蔣志營，2011