专利名称：一种面向电力系统的高精度无线时钟同步系统的制作方法
技术领域：
本发明属于在时钟同步技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向电力系统的高精度无线时钟同步系统。
背景技术：
近年来，随着无线分布式系统范围的不断扩大和分散控制能力的逐步提高，许多重要领域，如电力系统、石油勘测、工业自动化、航空和航天领域等，都需要对各种智能电子设备进行实时地调度和控制。而这些智能电子设备大都需要统一的时间参考才得以正常运行，各个设备的时间同步是分布式系统的基本条件。同时由于计算机通信技术和微电子技术的快速发展，越来越多的控制系统都需要高精确的同步时间才能有序地执行控制任务， 这些控制系统不仅对时间同步的精度提出更高要求，而且需要同步时钟装置具有足够的可靠性、稳定性和安全性，因此，可靠、安全、有效的高精度无线时钟同步技术的研究与实现已经成为了国内外一个重要的研究热点。精确的无线分布式时钟同步装置在电力自动化系统中同样有着重要的地位。在某些电力系统业务，如电网中的无线传感器监控节点、同步相量测量装置以及线路行波故障测距装置，甚至要求时钟同步准确度在1微秒内。目前在电力系统中无线分布式时钟同步方法主要有三种基于网络时钟协议 (NTP)的时钟同步方法、基于GPS授时模块方式的时钟同步方法和基于IEEE-1588的时钟同步方法。1、基于网络时钟协议(NTP)的时钟同步方法该方法实现比较简单易行，但是即使通过一定的硬件配合和算法优化，也只能达到毫秒级的同步精度，对于那些对同步精度要求更高的场合并不适合。2、基于GPS授时模块方式的时钟同步方法该方法是当前电力系统主要的时钟同步方法，但是这种方法对GPS高精度授时模块具有很强的依赖性，大量使用高精度GPS授时模块，不仅增加了电力系统的应用成本，还存在一定的安全隐患。3、基于IEEE1588的时钟同步方法IEEE 1588精确时钟协议是一种基于以太网的网络时钟同步协议，由于其具有成本低、精度高等特点在时钟同步技术领域得到了广泛应用。目前利用该协议实现的时钟同步方法主要有二种，一种是基于软件时间戳的时钟同步方法，另一种是基于硬件时间戳的时钟同步方法。基于软件时间戳的时钟同步方法通过软件的方法在应用层上进行时间戳的检测和标识，这种方法的同步精度虽然比传统的NTP时间同步方法有了进一步提高，但是由于 TCP/IP协议定义的网络接口层(数据链路层和物理层)、网络层、传输层以及应用层的数据传输在每一层中都存在不确定性的时延，从而大大降低了同步精度。基于硬件时间戳的时钟同步方法，如2011年06月01日授权公告的，公告号为CN101242231B，名称为“一种面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置”的中国发明专利，采用了在数据链路层前端添加TCP/IP协议栈硬件实现模块，将时间戳的标识从应用层转移到数据链路层中，这种方法虽然避开了延迟和抖动较大的网络层和传输层，同步性能比软件时间戳方法要高，但是数据链路层的驱动程序及其中断响应依然存在不确定性时延，中断的处理时间随着时钟同步装置CPU或控制逻辑模块的性能及结构配置的差异而有所不同上，影响了其时钟同步精度，从而不能实现广域的高精度时钟同步。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，以进一步提闻时钟同步的精度。为实现上述发明目的，本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，包括主时钟装置、从时钟装置，主从时钟装置通过WLAN(无线局域网络，Wireless Local Area Networks)无线信道连接构建同步授时网络，主时钟装置的本地实时时间信息通过WLAN无线信道，发送给从时钟装置，从时钟装置根据接收到的主时钟装置的本地实时时间信息，得到时间修正信息对本地时间重新设定，从而完成对从时钟装置的本地时钟的同步授时，实现时钟同步；其特征在于，主时钟装置包括有中央处理器模块、无线收发机、双定向耦合器；2. 4GHz天线、硬件辅助时间戳电路；在主时钟装置中，中央处理器模块依据IEEE1588时钟协议产生Sync (同步)时间报文、Follow Up (跟随)时间报文以及Delay Resp (延迟响应)时间报文并经过其传输层、 网络层以及网络接口层处理后，生成相应的IEEE802. 3协议时间报文，由无线收发机转换为相应的IEEE 802. 11协议无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器，双定向耦合器将无线收发机发送来的无线网络时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给2. 4GHz天线，由2. 4GHz天线将无线网络时间报文信号发送给从时钟装置，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；同时，2. 4GHz天线接收来自从时钟装置的依据IEEE1588时钟协议产生的Delay Req(延时请求)时间报文信号，并发送给双定向耦合器，双定向耦合器将2. 4GHz天线发送来的格式为IEEE 802. 11协议的Delay Req时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给无线收发机，由无线收发机将IEEE 802. 11协议的Delay Req时间报文信号转换为IEEE802. 3 协议时间报文，并发送给中央处理器模块，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；硬件辅助时间戳电路对接收到的无线网络报文信号进行处理，得到满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对数据帧进行检测，如果是时间报文，则结合本地实时时间信息，对该时间报文进行时间戳标记，将标记的时间戳信息传送给中央处理器模块作相应处理发送Sync时间报文后，硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Sync时间报文发送时间中央处理器模块则将Sync时间报文发送时间h加入到即将要发送的 Follow Up时间报文中，并发送出去；当中央处理器模块接收到来自从时钟装置的延时请求 Delay Req时间报文后，同时硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Delay Req时间报文到达时间&，并将其加入到即将发送的Delay Resp时间报文中，并发送出去，其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息；从时钟装置包括有中央处理器模块、无线收发机、双定向耦合器，2. 4GHz天线、硬件辅助时间戳电路；在从时钟装置中，2. 4GHz天线接收来自主时钟装置的格式为IEEE 802. 11协议的Sync时间报文、Follow Up时间报文以及Delay Resp时间的无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器，耦合成二路信号，一路传送给无线收发机，由无线收发机将无线网络时间报文信号转换为IEEE802. 3协议时间报文，并发送给中央处理器模块，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；同时，中央处理器模块依据IEEE1588时钟协议产生Delay Req时间报文，并经过其传输层、网络层以及网络接口层处理后，生成相应的IEEE802. 3协议时间报文，由无线收发机转换为相应的IEEE 802. 11协议无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器，双定向耦合器将无线收发机发送来的无线网络时间报文信号耦合成二路信号， 一路传送给2. 4GHz天线，由2. 4GHz天线将无线网络时间报文信号发送给从时钟装置，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；硬件辅助时间戳电路对接收到的无线网络报文信号进行处理，得到满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对数据帧进行检测，如果是时间报文，则结合本地实时时间信息，对该时间报文进行时间戳标记，将标记的时间戳信息传送给中央处理器模块作相应处理当中央处理器模块接收到来自主时钟装置的Sync时间报文，同时硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Sync时间报文到达时间t2，中央处理器模块在接收到 Follow Up时间报文后，发送Delay Req(延迟-请求)时间报文,在发送Delay Req时间报文后，硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Delay Req时间报文发送时间t3，其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息；从时钟装置依据Follow Up时间报文中的Sync时间报文发送时间VSync时间报文到达时间t2、Delay Req时间报文发送时间t3以及Delay Resp时间报文中的Delay Req 时间报文到达时间t4，计算时间偏差值t。t0 = [(^^!)-(^^3)1/2依据时间偏差值t。重新设定从时钟装置的本地时间，对从时钟装置的本地时间进行同步，完成主从时钟装置的高精度同步授时。本发明的发明目的是这样实现的本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统由主时钟装置、从时钟装置和 WLAN无线信道组成，主从时钟装置通过WLAN无线信道连接构建同步授时网络，主时钟装置的本地实时时间信息通过WLAN无线信道，发送给从时钟装置，从时钟装置根据时间偏差值对本地时间重新设定，从而完成主从时钟装置的本地时钟的同步授时。本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统采用了在物理层中添加硬件辅助时间戳电路，将时间戳的标识从传统的应用层或者数据链路层(MAC)转移到物理层(PHY)中，将时间戳信息传送给中央处理器，相对现有技术的硬件时间戳方法，由于其近一步避免了数据链路层的驱动程序及其中断响应存在的不确定性时延，因而具有更高的时间同步精度高，同时可靠性和安全性也得到了进一步提高，满足了各种分布式系统对时钟同步精度高的要求，同时又不适合铺设电缆的应用场合。另外，本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统可以大大减少传统分布式控制系统的电缆铺设，节约建设成本和工程施工难度；也很好的解决了在GPS不允许应用或者无法应用的场合，大大减少了对GPS的依赖，提高了系统的安全性；最后本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统是通过在物理层添加硬件辅助时间戳电路实现的时间戳标识，具有更高的同步精度和稳定性的同时也具有很强的实用性、经济性，满足了各种分布式控制系统，如电力系统在对时间同步精度有精确要求的领域，适合普遍推广应用。
图I是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统一种具体实施方式
原理图；图2是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统主从时钟装置无线时钟同步的一种具体实施方式
流程图；图3是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统主从时钟装置一次时间同步的原理图；图4是三种时间戳标记方法在TCP/IP四层协议的具体位置指示图；图5是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统硬件辅助时间戳电路一具体实施方式
原理图；图6是IEEE 802. Ilb协议报文的长PLCP PPDU格式；图7是IEEE 802. Ilb协议报文的短PLCP PPDU格式。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图I是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统一种具体实施方式
原理图在本实施例中，如图I所示，本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统由主时钟装置、多个从时钟装置和WLAN无线信道构成。主时钟装置包括GPS天线、GPS接收机、2. 4GHz天线、无线收发机、硬件辅助时间戳电路、2. 4GHz双定向耦合器和中央处理器模块。从时钟装置包括2. 4GHz天线、无线收发机、硬件辅助时间戳电路、2. 4GHz双定向耦合器和中央处理器模块。主时钟装置通过WLAN无线信道与从时钟装置连接，组成同步授时网络。在本实施例中，主时钟装置不仅可以依靠自身恒温晶振源为本地实时时钟的计时提供精确的计时依据，还可以根据具体的应用场合要求，提供GPS对时功能，即通过GPS天线和GPS接收模块接收GPS卫星发射过来的含有世界统一时间信息的信号，对主时钟装置中本地实时时钟提供世界统一时间，并将其作为同步授时网络中的标准时间值。主时钟装置的时钟同步报文通过WLAN无线信道，发送给从时钟装置，从时钟装置根据接收的时钟同步报文进行相关计算处理，并对从时钟装置中本地实时时钟重新设定和校正，从而完成主时钟装置和从时钟装置的高精度时钟同步。所述的无线收发机用于当无线收发机发送信号时，将基于IEEE 802. 3协议的时间报文互换成IEEE 802. 11协议的无线网络时间报文，并传送给2. 4GHz双定向耦合器，通过2. 4GHz天线将时间报文发送出去；当无线收发机接收信号时，将接收到的IEEE 802. 11 无线网络时间报文转换成IEEE 802. 3协议的时间报文，并传送给中央处理器模块。所述的2. 4GHz双定向耦合器用于将一路的信号耦合成二路信号。当无线收发机发送信号时，将发送的无线网络时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给2. 4GHz天线，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；当无线收发机接收无线网络时间报文信号时，将
2.4GHz天线的输入无线网络时间报文信号耦合成二路信号，其中一路信号传送到无线收发机，另一路传送到硬件辅助时间戳电路。所述的硬件辅助时间戳电路包括射频前端电路、高速模数转换电路、时间戳标记及向上层传送、USB接口控制器、恒温晶振、时间校正模块和本地时间；该电路将时间戳的标识从传统的应用层或者数据链路层转移到物理层中，再通过USB接口控制器将时间戳信息传送给中央处理器模块，从而避免了软件处理的不确定性抖动，同时这种实现方法与网络设备和处理器的性能无关，不仅提高了时间同步的精度，还保证了系统的稳定性。所述的中央处理器模块包括3个子模块时钟倍频模块、Mac-send模块、GPS模块、 IEEE-1588 模块。所述的时钟倍频模块主要用于产生主从时钟装置所需频率的时钟信号，主从时钟装置外接20M的恒温晶振，产生2路输出，其中一路倍频至25M，以供外部的物理层芯片所用，另一路倍频到50M，作为主从时钟装置的统一系统时钟信号；Mac-Send模块完成以太网 MAC子层的数据接收和解封功能；GPS模块主要实现GPS时间信息的解析及其秒脉冲信号的获取，并根据具体场合的功能需求，校准主时钟装置的本地实时时间；IEEE-1588模块主要实现无线分布式控制系统网络通信时间报文的产生、发送以及对发送过来的时间报文进行解析，并根据标记的时间戳值计算主从时钟装置之间的偏差和校正，实现主从时钟装置的时间同步。图2是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统主从时钟装置无线时钟同步的一种具体实施方式
流程图在本实施例中，采用了点对点的时间同步方式，在某一时刻只有一个从时钟装置参与和主时钟装置的时钟同步过程。各从时钟装置按照设定顺序加入组播组，同一时刻有且只有一个从时钟装置加入组播组，只有成功后才能接收到主时钟装置发送过来的同步时间报文。当从时钟装置N成功加入组播组后，就开始与主时钟装置进行同步；从时钟装置 N在开始接收网络报文的同时，硬件辅助时间戳电路也开始接收网络报文，并检测是否为时钟同步的时间报文？如果不是，则继续等待接收和检测下一个网络报文，如果是，则接收时间报文中帧起始界定符最后一个符号止的本地时间值，并将该值传送给中央处理器模块， 同时判断同步是否完成？如果不是，则继续接收网络报文；如果是，则根据硬件辅助时间戳电路标记的时间计算得到的偏差是否满足小于IOus 如果不是，则重新进行同步；如果是，则根据相关时间和计算得到的时间偏差值t。重新设定从时钟装置的本地时间，同时主动退出组播组，转而由从时钟装置自身的高精度恒温晶振自行守时。主时钟装置的同步报文发送间隔时间设定为Is。图3是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统主从时钟装置一次时间同步的原理图。
如图3所示，图中，三角形是基于软件时间戳的一次时间同步原理图，八角形是基于硬件时间戳的一次时间同步原理图，对顶三角形是本发明时间戳时间同步原理图，这三种方法的一次时间同步原理是相同的，只是时间戳的标记点不一样而已，下面以本发明时间戳一次时间同步原理图进行详细说明。在无线同步对时过程中，主从时钟装置之间的时间报文遵循IEEE1588协议，其中主时钟装置作为准确时间的发布者，从时钟装置接收和发送时间报文，并同步从时钟装置的本地实时时间。所述的时间报文是指下面四种报文Sync(同步)时间报文、Follow Up (跟随)时间报文、Delay Req (延迟-请求)时间报文、Delay Resp (延迟响应)时间报文。在本实施例中，所述的Sync时间报文是主时钟装置每Is发送一次，Sync时间报文的时间间隔可以自行设定，这里设定为ls，以UDP组播方式发送到组网里，同一组网内的从时钟装置都将收到这个报文。主时钟装置发送完Sync时间报文后，随即再以组播方式向从时钟装置发送Follow up报文，这个报文包含有先前的Sync时间报文准确发送时间h ； 在Sync时间报文到达从时钟装置时，通过硬件辅助时间戳电路，在物理层记录下报文准确到达时间丨2，并随即向主时钟装置发送Delay Req时间报文，同时从时钟装置在物理层标记它准确发送时间t3 ;当该时间报文到达主时钟装置时，立即在物理层记录报文的准确到达时间t4,最后主时钟装置向从时钟装置返回一个Delay Resp时间报文,这个时间报文带着先前的Delay Req时间报文的准确的到达时间t4 ;由于网络传输延时具有较高的稳定性， 因此可以假设主从时钟装置之间的网络延时具有对称性，记为td ;t。表示从时钟装置与主时钟装置之间的时间偏差值。由于网络的延时是对称的，那么根据图3，可以得到如下计算公式⑴t2-t! = td+t0(I)t4-t3 = td-t0从而解得td = [ (t2-t!) + (t4-t3) ] /2(2)t0 = [(t2-t1)-(t4-t3)]/2从时钟装置根据公式(2)得到时间偏差值t。，重新设定从时钟装置的本地时间，锁存当前修正过的时间，并以自身恒温晶振继续守时，从而完成主从时钟装置的高精度同步授时。图4是三种方法的时间戳标记在TCP/IP四层协议的具体位置指示图。从图4中，我们可以看出，基于软件时间戳时钟同步方法的时间戳是在应用层(时钟协议)上进行检测、记录和标识的，由于TCP/IP协议定义的网络接口层(由物理层PHY 和数据链路层MAC组成)、网络层、传输层以及应用层的数据传输在每一层中都存在不确定性的延时，分别对应(td4+td3)、td2、tdl、td(l,从而扩大了时间同步误差。基于硬件时间戳的时间同步方法，将时间戳的标识从应用层转移到数据链路层中，这种方法虽然避开了延迟和抖动较大的网络层和传输层，同步性能比软件时间戳方法要高，但是数据链路层的驱动程序及其中断响应依然存在不确定性时延，从而不能实现广域的高精度时间同步。而本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统将时间戳的检测和标识进一步从数据链路层转移到物理层中，通过在物理层添加硬件辅助时间戳电路监测时间报文， 记录发送和接收时间报文的时间戳均由硬件辅助时间戳电路执行，克服了驱动程序及其中断响应造成的不确定性抖动，提高了时钟同步的精度。图4中的2. 4GHz双定向耦合器用于将一路信号变成二路信号；当无线收发机发送无线网络时间报文时，将发送的无线网络时间报文耦合成二路输出，一路传送给2. 4GHz天线，发送到组播网内，另一路传送给硬件辅助时间戳电路，用于标记报文的精确发送时间； 当无线收发机接收无线网络时间报文时，将2. 4GHz天线的输入信号耦合成二路输出信号， 其中一路传送到无线收发机，将基于802. Ilb协议的无线网络时间报文转换成基于802. 3 协议的时间报文，并传送到中央处理器模块，另一路传送到硬件辅助时间戳电路，用于标记报文的精确到达时间。图5是本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统硬件辅助时间戳电路一具体实施方式
原理图如图5所示，在本实施例中，硬件辅助时间戳电路由射频前端电路、高速的AD转换电路、时间戳标记及向上层传送模块、USB接口控制器、恒温晶振、时钟校正模块、精确计时器、本地时间构成。所述的射频前端电路用于在众多的电波中选出无线网络时间报文信号， 并将这些信号放大到高速模数转换电路所要求的电平范围，然后再经过下变频处理得到基带模拟信号，最后传送给高速模数转换电路，实现模拟信号到数字信号的转换；时间戳标记及向上层传送模块对接收到的数字信号进行解调，解调后的数字信号满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对这些数字信号进行检测，并结合本地时间，对符合要求的报文，即时间报文进行时间戳标记，再通过USB接口控制器将时间信息传送给中央处理器模块作相关处理；所述的恒温晶振是一颗高精度和高稳定度的恒温晶振，用于产生中央处理器的工作时钟elk和为本地时间的计时提供精确的计时频率；所述的时间校正模块用于接收中央处理器的时间偏差值并对本地时间进行修正，从而实现主时钟装置和从时钟装置的高精度时钟同步。本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统为了能够很好的兼容 IEEE802. Ilb,同时又要获得更高的物理传输速度，本系统采用了工作在2. 4GHz频段的 IEEE 802. Ilg标准，同时支持DSSS扩频技术、CCK调制方式和正交频分复用(OFDM)的调制方式，并且能够发送和接收前导帧。下面将以IEEE 802. Ilb作详细说明。图6和图7分别是IEEE 802. I Ib协议的长PLCP PPDU帧格式和短PLCPPPDU帧格式；其中IEEE 802. Ilb是指一个工作在2. 4GHz频段、编码采用CCK/DSSS或PBCC/DSSS方式、调制方式为差分正交相移键控(DQPSK)、传输速率高达IlMbps的无线局域网标准；PLCP 是指IEEE 802. IIb协议定义的高速PLCP子层，用于HR/DSSS扩频方式，PLCP子层将MAC层传来的数据MPDU转换成PSDU，然后加上PLCP头信息和前导码就构成了 PPDU数据帧结构， 以实现IlMbps的传输速率；MPDU是指MAC层协议数据单元，将MSDU数据单元按一定帧结构包装后的等发数据信息；MSDU是指MAC层业务数据单元，即最原始的等发数据信息；PSDU 是指PLCP子层业务数据单元，也即是从MAC层传来的MPDU信息；PPDU是指将PSDU按照特定的帧格式进行数据封装后的数据包，也是最终经物理介质发送出去的数据封装。为了提高数据传输效率，该协议还提供了一种可选模式，允许使用短PLCP前导码来提高吞吐量。所述的PPDU数据包由72位或者144位PLCP前导码、48位PLCP头和PSDU三部分组成；其中PLCP前导码由52位或者128位的同步字符SYNC和16位起始界定符SFD组成， 同步字符SYNC用于唤醒接收设备，使其与接收信号同步；起始界定符SFD用于通知硬件辅助电路，在SFD结束后时进行时间戳标记，如黑色箭头所示。所述的48位PLCP头由8位信号、8位业务、16位长度和16位CRC检验码四个字段组成，这四个字段包含了与数据传输相关的物理参数，其中8位信号定义了数据传输速率， 8位业务规定了调制的方式，16位长度指明了 PSDU数据长度，16位CRC校验码用于检验前面收到的三个字段是否被正确接收，接收机将按照这几个参数调整接收的速率、解码方式以及数据停止接收的时间。所述的PSDU是指包含了数据发送源地址、数据接收目的地、时间戳信息和帧校验序列等有效数据信息。主时钟装置发送Sync时间报文后，同时将接收到USB接口控制器传送过来的有效时间戳信息Lt1也即是Sync时间报文的精确发送时间，中央处理器则将该时间信息h加入即将要发送的Follow Up时间报文中，并发送出去；当主时钟装置接收到Delay Req时间报文后，同时提取USB接口控制器传送过来的有效时间戳信息t4，并将其加入到即将发送的 Delay Resp时间报文中，并发送出去。其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息。从时钟装置接收到Sync时间报文后，同时接收到USB接口控制器传送过来的有效时间戳信息t2，t2也即是Sync时间报文的精确到达时间，中央处理器模块则将Sync时间报文的精确到达时间t2放进一个寄存器中,用于下一步计算；当从时钟装置接收到Follow Up时间报文是在Sync时间报文后，中央处理器模块在提取Follow Up时间报文中时间信息 h并放进一个寄存器的同时，也将接收到USB接口控制器传送过来的无效时间戳信息，并将其舍去；随后从时钟装置发送Delay Req时间报文，同时也将接收到USB接口控制器传送过来的有效时间戳信息t3，t3也即是Delay Req时间报文的精确发送时间，中央处理器将该时间信息t3放进一个寄存器中；当从时钟装置接收到Delay Resp时间报文后，中央处理器提取Delay Resp报文中的时间信息t4，并放进一个的寄存器，与此同时也将接收到USB接口控制器传送过来的无效时间戳信息。其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息。从时钟装置根据特定寄存器的时间信息tpt2、t3、t4计算时间偏差值t。，再判断偏差是否符合要求，若不符合要求则重新进行同步；若符合要求，则退出组播组，并将这些时间信息通过USB接口控制器传送给时间校正模块，用于从时钟装置本地时间的校正，从而完成主从时钟装置的高精度无线时钟同步。本发明面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，还可以应用于其他精确的无线分布式系统的时钟同步。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1. 一种面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，包括主时钟装置、从时钟装置，主从时钟装置通过WLAN(无线局域网络，Wireless Local Area Networks)无线信道连接构建同步授时网络，主时钟装置的本地实时时间信息通过WLAN无线信道，发送给从时钟装置， 从时钟装置根据接收到的主时钟装置的本地实时时间信息，得到时间修正信息对本地时间重新设定，从而完成对从时钟装置的本地时钟的同步授时，实现时钟同步；其特征在于，主时钟装置包括有中央处理器模块、无线收发机、双定向耦合器；2. 4GHz天线、硬件辅助时间戳电路；在主时钟装置中，中央处理器模块依据IEEE1588时钟协议产生Sync (同步)时间报文、fallow Up (跟随)时间报文以及Delay Resp (延迟响应)时间报文并经过其传输层、 网络层以及网络接口层处理后，生成相应的IEEE802. 3协议时间报文，由无线收发机转换为相应的IEEE 802. 11协议无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器，双定向耦合器将无线收发机发送来的无线网络时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给2. 4GHz天线，由2. 4GHz天线将无线网络时间报文信号发送给从时钟装置，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；同时，2. 4GHz天线接收来自从时钟装置的依据IEEE1588时钟协议产生的Delay Req(延时请求)时间报文信号，并发送给双定向耦合器，双定向耦合器将2. 4GHz天线发送来的格式为IEEE 802. 11协议的Delay Req时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给无线收发机，由无线收发机将IEEE 802. 11协议的Delay Req时间报文信号转换为IEEE802. 3 协议时间报文，并发送给中央处理器模块，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；硬件辅助时间戳电路对接收到的无线网络报文信号进行处理，得到满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对数据帧进行检测，如果是时间报文，则结合本地实时时间信息，对该时间报文进行时间戳标记，将标记的时间戳信息传送给中央处理器模块作相应处理发送Sync时间报文后，硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Sync时间报文发送时间t1;中央处理器模块则将Sync时间报文发送时间、加入到即将要发送的fallow Up时间报文中，并发送出去；当中央处理器模块接收到来自从时钟装置的延时请求Delay Req时间报文后，同时硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Delay Req时间报文到达时间t4，并将其加入到即将发送的Delay Resp时间报文中，并发送出去，其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息；从时钟装置包括有中央处理器模块、无线收发机、双定向耦合器，2. 4GHz天线、硬件辅助时间戳电路；在从时钟装置中，2. 4GHz天线接收来自主时钟装置的格式为IEEE 802. 11协议的Sync 时间报文、Follow Up时间报文以及Delay Itesp时间的无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器，耦合成二路信号，一路传送给无线收发机，由无线收发机将无线网络时间报文信号转换为IEEE802. 3协议时间报文，并发送给中央处理器模块，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；同时，中央处理器模块依据IEEE1588时钟协议产生Delay Req时间报文，并经过其传输层、网络层以及网络接口层处理后，生成相应的IEEE802. 3协议时间报文，由无线收发机转换为相应的IEEE 802. 11协议无线网络时间报文信号，并发送给双定向耦合器， 双定向耦合器将无线收发机发送来的无线网络时间报文信号耦合成二路信号，一路传送给 2. 4GHz天线，由2. 4GHz天线将无线网络时间报文信号发送给从时钟装置，另一路传送给硬件辅助时间戳电路；硬件辅助时间戳电路对接收到的无线网络报文信号进行处理，得到满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对数据帧进行检测，如果是时间报文，则结合本地实时时间信息，对该时间报文进行时间戳标记，将标记的时间戳信息传送给中央处理器模块作相应处理当中央处理器模块接收到来自主时钟装置的Sync时间报文，同时硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Sync时间报文到达时间t2，中央处理器模块在接收到fallow Up时间报文后，发送Delay Req (延迟-请求)时间报文，在发送Delay Req时间报文后，硬件辅助时间戳电路传送过来的时间戳信息即为Delay Req时间报文发送时间t3，其余情况接收到的时间戳信息则判断为无效信息；从时钟装置依据fallow Up时间报文中的Sync时间报文发送时间、、Sync时间报文到达时间t2、Delay Req时间报文发送时间t3以及Delay Resp时间报文中的Delay Req时间报文到达时间t4，计算时间偏差值t。t0 = [(Vt1)-(Vt3)]/2依据时间偏差值t。重新设定从时钟装置的本地时间，对从时钟装置的本地时间进行同步，完成主从时钟装置的高精度同步授时。
2.根据权利要求1所述的面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，其特征在于，主时钟装置还包括有GPS天线和GPS接收模块；主时钟装置依靠自身恒温晶振源为本地实时时钟的计时提供精确的计时依据，还可以根据具体的应用场合要求，提供GPS对时功能，即通过GPS天线和GPS接收模块接收GPS卫星发射过来的含有世界统一时间信息的信号，对主时钟装置中本地实时时钟提供世界统一时间，并将其作为同步授时网络中的标准时间值。
3.根据权利要求1所述的面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，其特征在于，所述的时钟同步采用点对点的时间同步方式，在某一时刻只有一个从时钟装置参与和主时钟装置的时钟同步过程，各从时钟装置按照设定顺序加入组播组，同一时刻有且只有一个从时钟装置加入组播组，只有成功后才能接收到主时钟装置发送过来的同步时间报文；当从时钟装置N成功加入组播组后，就开始与主时钟装置进行同步；从时钟装置N在开始接收网络报文的同时，硬件辅助时间戳电路也开始接收网络报文，并检测是否为时钟同步的时间报文？如果不是，则继续等待接收和检测下一个网络报文，如果是，则接收时间报文中帧起始界定符最后一个符号止的本地时间值，并将该值传送给中央处理器模块，同时判断同步是否完成？如果不是，则继续接收网络报文；如果是，则根据硬件辅助时间戳电路标记的时间计算得到的偏差是否满足小于IOus ？如果不是，则重新进行同步；如果是，则根据相关时间和计算得到的时间偏差值t。重新设定从时钟装置的本地时间，同时主动退出组播组，转而由从时钟装置自身的高精度恒温晶振自行守时。
4.根据权利要求1所述的面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，其特征在于，所述的硬件辅助时间戳电路由射频前端电路、高速的AD转换电路、时间戳标记及向上层传送模块、USB接口控制器、恒温晶振、时钟校正模块、精确计时器、本地时间构成；所述的射频前端电路用于在众多的电波中选出无线网络时间报文信号，并将这些信号放大到高速模数转换电路所要求的电平范围，然后再经过下变频处理得到基带模拟信号， 最后传送给高速模数转换电路，实现模拟信号到数字信号的转换；时间戳标记及向上层传送模块对接收到的数字信号进行解调，解调后的数字信号满足IEEE 802. 11协议的数据帧格式，再对这些数字信号进行检测，并结合本地时间，对符合要求的报文，即时间报文进行时间戳标记，再通过USB接口控制器将时间信息传送给中央处理器模块作相关处理；所述的恒温晶振是一颗高精度和高稳定度的恒温晶振，用于产生中央处理器的工作时钟elk和为本地时间的计时提供精确的计时频率；所述的时间校正模块用于接收中央处理器的时间偏差值并对本地时间进行修正，从而实现主时钟装置和从时钟装置的高精度时钟同步。
全文摘要
本发明公开了一种面向电力系统的高精度无线时钟同步系统，采用了在物理层中添加硬件辅助时间戳电路，将时间戳的标识从传统的应用层或者数据链路层(MAC)转移到物理层(PHY)中，将时间戳信息传送给中央处理器，相对现有技术的硬件时间戳方法，由于其近一步避免了数据链路层的驱动程序及其中断响应存在的不确定性时延，因而具有更高的时间同步精度高，同时可靠性和安全性也得到了进一步提高，满足了各种分布式系统对时钟同步精度高的要求，同时又不适合铺设电缆的应用场合。
文档编号H04W56/00GK102547969SQ20121004327
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者井实, 吴杰, 孟劲松, 张华 , 易建波, 王彪, 甄威, 谢强强, 陈班贤, 黄琦 申请人:四川电力祀 学研究院, 电子科技大学