高精度时钟同步授时装置的制作方法

本实用新型适合于水下机器人内部设备间的时钟同步与授时功能，具体地说是一种高精度时钟同步授时装置，利用水下机器人在水面时与卫星授时信号进行同步，再通过高精度晶体振荡器保持水下的守时精度，利用FPGA模块快速多路并行的优势为水下机器人提供高精度同步时钟信号以及串口授时信号，为水下机器人提供精确、标准、安全、可靠的时间服务。

背景技术：

水下机器人在水下作业时其内部各种设备无统一的授时时间标准，这样就会导致水下机器人无法确定各种传感器数据的对应时间，水下机器人内部时钟一天时间误差达到秒级，进而对控制系统的精度以及水下高精度测量等作业系统产生较大影响。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本实用新型要解决的技术问题是提供一种应用于水下机器人，结构简单、运行可靠的高精度时钟同步授时装置，通过高精度时钟同步授时装置水下机器人可以对各种串口传感器，测量设备等精确授时。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

高精度时钟同步授时装置，包括顺序连接的卫星信号接收模块、时钟同步守时模块和FPGA芯片；所述FPGA芯片用于连接串口服务器、计算机和测深测扫声纳主机。

所述时钟同步守时模块的输入端口与卫星信号接收模块的隔离输出串口端口连接，1PPS脉冲输出端口、输出端口与FPGA芯片连接。

所述FPGA芯片设有8个串口数据输入端口、1个授时串口数据输入端口、1个1PPS脉冲信号输入端口、1个脉冲信号输入端口、8个串口数据输出端口、1个授时串口数据输出端口、1个脉冲授时串口数据输出端口。

所述串口数据输入端口与传感器连接。

所述授时串口数据输入端口与时钟同步守时模块的输出端口连接。

所述1PPS脉冲信号输入端口与时钟同步守时模块的1PPS脉冲输出端口连接。

所述脉冲信号输入端口与测深测扫声纳主机的脉冲输出端口连接。

所述串口数据输出端口与串口服务器连接。

所述授时串口数据输出端口与计算机连接。

所述脉冲授时串口数据输出端口与测深测扫声纳主机的串口连接。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.可靠性高。本实用新型整体结构简单，可以保证系统持续可靠稳定工作。

2.扩展性强。本实用新型可根据情况，增加或裁减串口与脉冲输入口节点数量。

附图说明

图1为高精度时钟同步授时装置外部引脚接线原理框图；

图2为FPGA内部结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

当水下机器人在水面时可以接收卫星授时同步信号，本设备通过其授时信号进行时钟同步，使得设备时间与卫星时间保持同步一致。当水下机器人在水下作业时，利用时钟同步授时模块保持水下的守时精度。时钟同步授时模块可以向外部提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务(串口授时、1PPS脉冲信号输出等功能)。本装置利用FPGA运行速度快、管脚多、管脚管理灵活、内部程序并行运行等优点实现快速同时处理多条任务的功能。装置内部可以精确切分1PPS脉冲信号，时间分辨率可达到微秒级，在此项技术基础之上，本装置具有对外来串口传感器数据加注精确的采集时间戳数据(分辨率精确到微秒级)，并向外提供加注精确的采集时间戳数据的传感器数据的功能。

高精度时钟同步授时装置，包括顺序连接的卫星信号接收模块、时钟同步守时模块和FPGA芯片；

所述卫星信号接收模块，用于接收卫星授时信号；

所述时钟同步守时模块，用于将卫星授时信号进行其内部时钟的授时，并向FPGA芯片发送周期性秒脉冲定时信号、授时串口数据信号；

所述FPGA芯片，用于根据周期性秒脉冲定时信号、授时串口数据信号进行动态生成采集时间戳数据，对接收的传感器串口数据加注采集时间戳数据，并转发给串口服务器；直接对计算机提供时间戳数据，根据测深测扫声纳主机脉冲信号对测深测扫声纳主机提供时间戳数据。

所述FPGA芯片包括时间模块、串口模块、脉冲授时模块、普通授时串口发送模块；

所述时间模块，用于接收时钟同步守时模块的周期性秒脉冲定时信号、授时串口数据信号，对秒切分得到的毫秒微秒时间数据和授时数据解析得到的年月日时分秒时间数据进行打包得到时间戳数据，并发送时间戳数据至串口模块、脉冲授时模块、普通授时串口发送模块；

所述串口模块，用于根据时间戳数据对传感器串口数据加注时间，并输出加注采集时间戳数据后的串口数据给串口服务器；

所述脉冲授时模块，用于根据测深测扫声纳主机脉冲信号将时间戳数据发送至测深测扫声纳主机；

普通授时串口发送模块，用于将时间戳数据直接发送至计算机。

所述时间模块包括：

串口接收子模块，用于接收授时串口数据信号并发送至时间解析子模块；

时间解析子模块，用于从授时串口数据中解析出年月日时分秒时间数据并发送至采集时间戳数据生成子模块；

脉冲检测子模块，用于检测周期性秒脉冲定时信号；

秒切分子模块，用于将周期性秒脉冲定时信号进行秒切分得到毫秒微秒时间数据；

采集时间戳数据生成子模块，用于将年月日时分秒时间数据、毫秒微秒时间数据打包成采集时间戳数据并输出至串口模块、脉冲授时模块、普通授时串口发送模块。

所述串口模块包括：

串口接收子模块，用于根据接收控制子模块发来的接收使能信号接收传感器串口数据并发送单字节数据接收完毕信号和含有传感器串口数据的单字节数据至接收控制子模块，并根据第一个单字节数据起始位向加注时间子模块发送加注时间脉冲；

接收控制子模块，用于根据单字节数据接收完毕信号向接收数据缓存子模块提供写数据请求信号，收到接受数据缓存子模块的数据未满信号后，将单字节数据发送至接收数据缓存子模块；

接收数据缓存子模块，用于缓存单字节数据；并根据中间控制子模块的读数据请求信号向中间控制子模块提供单字节数据、空信号；

中间控制子模块，用于根据接收数据缓存子模块的空信号判断接收数据缓存子模块缓存数据是否为空，在不为空的情况下并向接收数据缓存子模块提供读数据请求信号，收到发送数据缓存子模块的数据未满信号后，向发送数据缓存子模块发送写数据请求信号，将接收数据缓存子模块提供的单字节数据发送至发送数据缓存子模块；

发送数据缓存子模块，用于缓存单字节数据，并根据发送控制子模块的读数据请求信号向发送控制子模块提供单字节数据、空信号；

加注时间子模块，用于根据来自于串口接收子模块的加注时间脉冲将采集时间戳数据发送至发送控制子模块；

发送控制子模块，用于将采集时间戳数据控制在串口数据之前发送，并根据串口发送子模块的单字节数据发送完毕信号向发送数据缓存子模块提供读数据请求信号，收到发送数据缓存子模块的空信号并判断发送数据缓存子模块缓存数据是否为空，在不为空的情况下向发送数据缓存子模块提供读数据请求信号，并向串口发送子模块提供含有时间戳数据和传感器串口数据的单字节数据，并发送发送使能信号至串口发送子模块；

串口发送子模块，用于将含有时间戳数据和传感器串口数据的单字节数据经串口输出至串口服务器，并向发送控制子模块提供发送完毕信号。

所述脉冲授时模块包括：

脉冲检测子模块，用于检测脉冲信号并将开始发送信号发送至发送控制子模块；

发送控制子模块，用于根据开始发送信号将采集时间戳数据发送至串口发送子模块，并向串口发送子模块发送发送使能信号；

串口发送子模块，用于将含有采集时间戳数据的单字节数据经串口输出至计算机，并向发送控制子模块提供发送完毕信号。

一种高精度时钟同步授时方法与装置，包括卫星信号接受模块、时钟同步守时模块、FPGA；其中，

所述卫星接收模块，用于水下机器人在水面时接收卫星授时信号；

所述时钟同步守时模块，用于水下机器人在水下时保持精确时间计时，并向外部设备发送周期性秒脉冲定时信号与授时串口数据信号；

所述FPGA，用于对经过本装置的串口传感器数据加注精确的采集时间戳数据，并转发给后级处理模块，以及用于直接对外提供时间戳数据和根据外部脉冲信号对外提供时间戳数据。

卫星接收模块采用浙江中裕仪器有限公司产品，型号为ZYSBD-F815；

时钟同步守时模块采用北京泰富特电子科技有限公司产品，型号为HJ207-OCXO；其TOD IN端口与卫星接收模块的隔离输出串口端口连接，1PPS脉冲输出端口、TOD OUT端口分别与FPGA的1PPS脉冲信号输入端口、授时串口数据输入端口连接；

FPGA采用EP4CE15F17C8N，设有8个串口数据输入端口、1个授时串口数据输入端口、1个1PPS脉冲信号输入端口、1个脉冲信号输入端口、8个串口数据输出端口、1个授时串口数据输出端口、1个脉冲授时串口数据输出端口；

授时串口数据输入端口用于接收授时串口数据数据，1PPS脉冲信号输入端口用于接收1PPS脉冲信号，脉冲信号输入端口用于接收测深测扫声纳主机脉冲信号；

串口数据输入端口用于连接串口传感器，包括罗盘、光纤陀螺、倾角仪、CTD、高度计、深度计、多普勒、惯导；接收串口传感器数据；

串口数据输出端口用于连接串口服务器；

脉冲授时串口数据输出端口用于连接测深测扫声纳主机串口；

授时串口数据输出端口连接各计算机串口。

所述FPGA内部包括时间模块、串口模块1-n、脉冲授时模块1-n；其中，

所述时间模块，用于动态生成采集时间戳数据。

所述串口模块，用于接收串口数据并发送加注采集时间戳数据后的串口数据。

所述脉冲授时模块，用于检测脉冲信号并对外发送采集时间戳数据。

时间模块具体子模块包括：

串口接受子模块，用于接收授时串口数据；

时间解析子模块，用于从授时串口数据中解析出年月日时分秒时间信息；

脉冲检测子模块，用于检测1PPS脉冲信号；

秒切分子模块，用于根据脉冲检测信号进行秒切分得到毫秒微妙信息；

采集时间戳数据生成子模块，用于按照一定协议将年月日时分秒毫秒微妙时间信息打包成采集时间戳数据包并输出。

串口模块具体子模块包括：

串口接收子模块，用于接受串口数据并根据第一个单字节数据起始位向加注时间子模块发送加注时间脉冲；

接收控制子模块，用于向串口接收子模块提供接收使能信号、向接收数据缓存子模块提供写数据请求信号和写数据；

接受数据缓存子模块，用于向中间控制子模块提供读数据、空信号，向接收控制子模块提供满信号；

中间控制子模块，用于向接收缓存数据子模块提供读数据请求信号，向发送数据缓存子模块提供写数据、写请求信号；

发送数据缓存子模块，用于向发送控制子模块提供读数据、空信号，向中间控制子模块提供满信号；

发送控制子模块，用于向串口发送子模块提供发送数据、发送使能信号；

串口发送子模块，用于向发送控制子模块提供发送完毕信号，并将数据送至串口输出口；

加注时间子模块，用于根据来自于串口接收子模块的加注时间脉冲将采集时间戳数据给予发送控制子模块。

脉冲授时模块具体子模块包括：

脉冲检测子模块，用于检测脉冲信号；

发送控制子模块，用于根据脉冲信号将采集时间戳数据给予串口发送子模块；

串口发送子模块，用于发送采集时间戳数据。

本实实用新型使用方法如下：

根据本授时装置上分配的输入与输出接口。传感器设备原始数据接口连接至输入口，经授时标记后的数据从输出接口连接至后级控制设备。本授时装置对外广播的时间数据串口输出口和水下机器人上相应的数据接收端连接即可。

如图1所示为高精度时钟同步授时装置外部引脚接线原理框图，其中图左为时钟同步守时模块和卫星信号接收模块，当水下机器人在水面时可以接收卫星授时同步信号，本设备通过其授时信号进行时钟同步，使得设备时间与卫星时间保持同步一致；当水下机器人在水下作业时，利用时钟同步授时模块保持水下的守时精度。图右为FPGA；FPGA输入口分为四种：串口数据输入口、授时串口数据输入口、1PPS脉冲信号输入口、脉冲信号输入口；FPGA输出口分为三种：串口数据输出口、授时串口数据输出口、脉冲授时串口数据输出口。串口数据输入口接入串口传感器数据，串口传感器数据加注精确的采集时间戳数据后通过串口数据输出口输出；授时串口数据输入口接入时钟同步守时模块串口授时数据，1PPS脉冲信号输入口接入时钟同步守时模块1PPS脉冲信号；授时串口数据输出口直接输出高精度采集时间戳数据；脉冲信号输入口接入普通脉冲信号，脉冲授时串口数据输出口根据脉冲信号到达时间直接输出高精度采集时间戳数据。

如图2所示为FPGA内部结构原理框图，主要模块包括：时间模块、串口模块1-n、脉冲授时模块1-n、普通授时串口发送模块。

时间模块由串口接收子模块、时间解析子模块、脉冲检测子模块、秒切分子模块、采集时间戳数据生成子模块五部分组成；其中串口接收子模块接收授时串口数据，时间解析子模块从授时数据中解析出年月日时分秒时间信息(本装置内部只能解析GPZDA格式的授时数据，可根据具体情况增加解析数据协议的功能)，脉冲检测子模块检测1PPS脉冲信号，秒切分子模块根据脉冲检测信号进行秒切分，采集时间戳数据生成子模块根据年月日时分秒信息及秒切分得到的毫秒微妙信息按照一定通信协议将这些时间信息打包成采集时间戳数据并输出。

串口模块由串口接收子模块、接收控制子模块、接收数据缓存子模块、中间控制子模块、发送数据缓存子模块、发送控制子模块、串口发送子模块、加注时间子模块组成；串口接收子模块根据第一个单字节数据起始位向加注时间子模块发送加注时间脉冲，加注时间子模块根据加注时间脉冲将采集时间戳数据给予发送控制子模块，发送控制子模块将采集时间戳数据给予串口发送子模块，串口发送子模块执行发送采集时间戳数据的任务；同时，串口接收子模块向接收控制子模块提供单字节数据接收完毕信号、单字节数据，接收控制子模块向串口接收子模块提供接收使能信号、向接收数据缓存子模块提供写数据请求信号和写数据，接收数据缓存子模块向接收控制子模块提供缓冲区满信号，也向中间控制子模块提供读数据、空信号，中间控制子模块向接收缓存数据子模块提供读数据请求信号，中间控制子模块向发送数据缓存子模块提供写数据、写请求信号，发送数据缓存子模块向中间控制子模块提供缓存区满信号，发送数据缓存子模块向发送控制子模块提供读数据、空信号，发送控制子模块向串口发送子模块提供发送数据、发送使能信号，串口发送子模块向发送控制子模块提供发送完毕信号，串口发送子模块将数据送至串口输出口，串口发送子模块发送完数据后，串口子模块继续等待第一个单字节数据起始位的到来，周而复始。

脉冲授时模块由脉冲检测子模块、发送控制子模块、串口发送子模块组成；脉冲检测子模块检测脉冲信号，发送控制子模块根据脉冲信号将采集时间戳数据给予串口发送子模块，串口发送子模块执行发送采集时间戳数据的任务，待发送完毕后脉冲授时子模块继续等待脉冲信号的到来。

普通串口发送模块直接执行发送采集时间戳数据的任务。