黃明亮

摘 要：作者通過樹莓派、UM220-III GNSS模塊、以及C#軟件研發(fā)GPS/北斗授時(shí)服務(wù)器。使用樹莓派的的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過配置樹莓派，從本地串口獲取數(shù)據(jù)，安裝配置NTP服務(wù)，并利用自研串口一分三模塊，通過C#平臺開發(fā)一套上位機(jī)串口時(shí)鐘同步軟件，搭建一套支持NTP授時(shí)，串口授時(shí)的北斗_GPS雙模授時(shí)系統(tǒng)，完成對空管系統(tǒng)的授時(shí)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：UM220，樹莓派，北斗，GPS，NTP，串口報(bào)文

1引言：

作者之前基于STC12C5A60s2單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)模塊W5500，開發(fā)了一套時(shí)鐘授時(shí)服務(wù)器，硬件電路簡單，成本低廉，使用維護(hù)方便。為了進(jìn)一步提高授時(shí)服務(wù)器性能和準(zhǔn)確性，作者利用樹莓派作為處理器，利用樹莓派強(qiáng)大的處理性能，研發(fā)了新一套高性能、精準(zhǔn)授時(shí)時(shí)鐘服務(wù)器。

2研發(fā)背景：

桂林空管站技保部目前配置兩套GPS時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)，一套是川大智勝的GPS時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)，另一套是美國Symmetricom公司的GPS服務(wù)器。川大智勝的GPS時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)通過時(shí)間同步系統(tǒng)分發(fā)主機(jī)為用戶提供串口時(shí)間報(bào)文，并在各個(gè)引接該系統(tǒng)時(shí)鐘的主機(jī)上安裝上位機(jī)軟件，完成對該系統(tǒng)的授時(shí)應(yīng)用。桂林空管站采用該種方式獲取GPS時(shí)間的系統(tǒng)主要有：ATC3000自動化系統(tǒng)，64路和48路青島宏光轉(zhuǎn)報(bào)機(jī)，HT記錄儀，MDSL記錄儀，氣象自觀設(shè)備等。

美國Symmetricom公司的GPS服務(wù)器，通過一臺交換機(jī)提供NTP授時(shí)服務(wù)。在被授時(shí)的客戶機(jī)上設(shè)置好服務(wù)器IP地址，即可通過NTP協(xié)議方式獲取GPS時(shí)間，完成時(shí)間同步。桂林空管站采用該種方式獲取GPS時(shí)間的系統(tǒng)主要有：新舊兩套telephonics自動化系統(tǒng)，F(xiàn)A36網(wǎng)管，F(xiàn)REQUENTIS內(nèi)話系統(tǒng)，快速檢測系統(tǒng)等。

這兩套授時(shí)系統(tǒng)均只支持串口或者網(wǎng)絡(luò)其中一種授時(shí)方式，不滿足現(xiàn)階段空管眾多設(shè)備的授時(shí)需求。并且該時(shí)鐘服務(wù)器還存在時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)和售后服務(wù)困難的問題，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，對空管安全生產(chǎn)將造成很大影響，基于此現(xiàn)狀，作者研發(fā)了支持串口和網(wǎng)絡(luò)兩種授時(shí)方式的授時(shí)服務(wù)器，以作為這兩套時(shí)鐘服務(wù)器故障后的備份保障工具。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于和芯星通的UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊、樹莓派和網(wǎng)絡(luò)模塊W5500開發(fā)，使用樹莓派作為處核心處理模塊，利用樹莓派的串行接口接收UM220模塊輸出的NMEA0183語句數(shù)據(jù)，通過編程配置，完成NTP授時(shí)功能。

3.1硬件設(shè)計(jì)

UM220-III N模塊能夠同時(shí)支持BD2 B1，GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，接收北斗和GPS衛(wèi)星信號。該模塊串口1為主串口，輸入輸出信號類型為LVTTL電平，默認(rèn)波特率為9600bps，最高可以設(shè)為115200bps，可自行配置。模塊上還集成了MAX232芯片，提供EIA/TIA-232-E標(biāo)準(zhǔn)電平，以便與PC機(jī)等通過RS232串口進(jìn)行通信。

樹莓派它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口），可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。

網(wǎng)絡(luò)授時(shí)模塊：UM220-III N模塊輸出的時(shí)間信息，通過串口轉(zhuǎn)USB線輸出至樹莓派，在樹莓派上安裝ntpd，并配置ntpd從本地串口獲取數(shù)據(jù)，啟用NTP服務(wù)，完成NTP授時(shí)功能。具體步驟如下：

關(guān)閉樹莓派的串口登陸功能，使得樹莓派可以使用GPIO 14和GPIO15作為串口通信。通過指令sudo raspi-config進(jìn)行配置，找到Serial這一項(xiàng)，選擇disable。

通過指令cat/dev/ttyAMA0測試串口，查看樹莓派能否讀取UM220-III N模塊輸出的語句

安裝配置ntp服務(wù)，通過編輯/etc/ntp.conf文件，配置ntpd連接本地串口并獲取gps時(shí)鐘信息，配置完成重啟ntp服務(wù)sudo service ntp restart

串口授時(shí)模塊：UM220-III N輸出的時(shí)間信息，通過自研串口一分三模塊輸出至需要授時(shí)的設(shè)備，在設(shè)備上安裝自研上位機(jī)軟件，獲取精確時(shí)間，完成串口授時(shí)功能。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C#平臺開發(fā)，軟件包括串口接收模塊、UTC時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊、授時(shí)模塊、圖形界面模塊。

串口接收模塊：接收UM220發(fā)出的串口報(bào)文，利用編程指令完成時(shí)間信息接收和處理;

UTC時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊：衛(wèi)星提供的時(shí)間是UTC時(shí)間，與北京時(shí)間相差八小時(shí)，并且為了保證系統(tǒng)的可靠性，時(shí)間轉(zhuǎn)換過程需要考慮閏年等情況

授時(shí)模塊：處理串口報(bào)文，并利用編程指令對系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，授時(shí)的頻率可以按需更改

圖形界面模塊：通過友好的界面開啟串口授時(shí)，并負(fù)責(zé)將接收到的時(shí)間信息，顯示到指定位置。

4結(jié)束語

本文介紹的基于樹莓派研發(fā)的雙模授時(shí)系統(tǒng)，不僅能夠提供精確的NTP授時(shí)和串口報(bào)文授時(shí)，而且具有硬件電路清晰，編程方便，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。