基于ZigBee和GPS广播电视时钟授时系统的研究

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基于 ＺｉｇＢｅｅ 和 ＧＰＳ 广播电视时钟授时系统的研究 王冠凌，等
高、价格低等优点被广泛用于时间同步［４］。 上述三个时间源，尽管属于同一等级精度，但由于来源
不同、传输信道不同、持续时间不同、信号格式不同，将它 们组合处理和运用，可以极大地提高系统的安全性和可靠 性。 ２ 系统的构成
摘 要 ： 介绍了一种应用于广播电视方面的高精度时钟授时系统。该系统可以通过无线电广播的整点报时信号或 中央电视台 １６ 行时间编码脉冲信号或 ＧＰＳ 卫星接收数据中的标准时间进行校时。三种方式互为备份，提高了系统安全 性。通过 ＺｉｇＢｅｅ 无线方式将当前的精确时间发送到各个时钟发布点，无须布线，提高了系统的抗干扰性。文中详细介 绍了此时钟授时系统的系统结构。系统采用基于 ＰＩＣ１８Ｆ４６２０ 为核心的控制单元，完成了系统硬软件设计，给出了系统 硬件体系结构图和系统软件设计。
ＣＣＴＶ 解码单元，ＣＣＴＶ－１ 或 ＣＣＴＶ－２ 电视信号输入射随后， 经同步分离电路 ＬＭ１８８１ 分离出行、场脉冲，经 ＢＰ 脉冲嵌位 比较器 ＬＭ３１１ 切割后的视频信号，配合场逆程，７４ＬＳ１６１ 计 数行同步 １３ 次，得到 １６ 行的标准时间频率。在以行同步为 基准延迟１１μ ｓ 形成４μ ｓ 宽的相位基准选通脉冲经选通电路得 到相位基准选通脉冲，一方面用此脉冲去同步 １６ＭＨｚ振荡器 使之在相位基准脉冲到来后的 ５２μ ｓ内保持振荡，其余时间 停止工作。这样可保证通过二片 ７４ＬＳ３９３ １６ 分频后得到的 １ＭＨｚ脉冲的相位抖动和相位基准之间的相位抖动基本相同， 用此脉冲作为移位寄存器的移位时钟可将串行的时码信息通 过三片 ７４ＬＳ１６４ 转变成并行数据，存入三片 ７４ＬＳ３７３中，微处 理器将此数据读入可得到标准时间数据［７］。如图 ３ 所示。
ＺｉｇＢｅｅ 无线通信单元由 ＣＣ２４２０ 及其外围电路构成。 ＣＣ２４２０ 是标准的 ＺｉｇＢｅｅ 芯片，符合 ＺｉｇＢｅｅ 联盟的规定协 议；工作在 ＩＳＭ 的免费 ２．４Ｇ 频带；它的外围电路包括晶振 时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路三 个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内 部电路提供。ＣＣ２４２０ 与 ＰＩＣ 单片机使用四线制 ＳＰＩ 进行通 讯，ＣＳ 引脚设置 ＣＣ２４２０ 为 ＳＰＩ 从设备，ＳＯ 和 ＳＩ 分别为 ＳＰＩ 数据输出和输入端，ＳＣＫ 为时钟端，ＲＥＳＥＴ 为 ＣＣ２４２０ 复信号 端，设置芯片的工作模式，并实现读／写缓存数据，读／写 状态寄存器等。通过控制 ＦＩＦＯ 和 ＦＩＦＯＰ 管脚接口的状态可 设置发射／接收缓存器［５］。
准点时在通过无线电广播的整点报时信号校时。如成功置 校时成功标志，进入循环体。每一小时的 ５８分 ２８ 秒获时一 次，实现 ＧＰＳ 获时优先，其次 ＣＣＴＶ 电视场逆程获时，再次 无线电广播获时。校准内部单片机定时器定时时间，在每 天的 １８ 时 １８ 分 １８ 秒时把新的标准时间写入 ＤＳ１２８８７ 实时 时钟芯片中。在新一秒开始时通过 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 协议无线或 ＲＳ２３２、ＲＳ４８５ 有线的方式传送标准时间至各子节点。
ＺｉｇＢｅｅ 是一种新兴的低功耗、低成本、低复杂度的无 线网络技术。具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等 优点和特性。时延短，通常时延都在 １５ｍｓ～３０ｍｓ 之间。有 １０ｋ 字节 ／ 秒到 ２５０ｋ 字节 ／ 秒的传输速率。传输范围一般介 于 １０～１００ｍ 之间，在增加 ＲＦ 发射功率后，可增加到 １～３ｋｍ。 这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的 接力，传输距离将可以更远。成本低廉设备的复杂程度低， 且 ＺｉｇＢｅｅ 协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成 本；ＺｉｇＢｅｅ 的工作频段灵活，为免执照频段的 ２．４ＧＨｚ，就 是没有使用费的无线通信。因此可以授时器为主节点，其他 需要时间的设备为从节点组成无线网络系统［５］。图 １ 为电视 中心时钟授时系统。
ＧＰＳ 模块，选择 Ｇａｒｍｉｎ 公司研制开发的 ＧＰＳ１５ＬＯＥＭ 板。 单片机的串行口 ＲＸＤ、ＴＸＤ 分别和ＧＰＳ１５Ｌ 板的 ＴＸＤ１、ＲＸＤ１ 连 接起通信作用 ＧＰＳ１５Ｌ 板初始化后，还会输出秒脉冲信号。 １ｐｐｓ 信号有一路作为单片机的外部中断源，以实现时间信 息的同步处理，另外也用来监测信号是否正常。秒脉冲上升 的时刻与 ＧＰＳ 时刻相差在 ５０ｎｓ 以内，与串行口输出的标准
ＧＰＳ 由美国于 １９９４ 年全部建成投入使用，空间系统由 ２４ 颗卫星组成，其中 ２１ 颗卫星均匀分布于 ６ 个轨道面工作、 ３ 颗在轨备用，地面高度 ２００００ｋｍ、轨道倾角 ５５°，它能确 保在地球上任一地点、任一时刻都能够收到至少 ４ 颗以上 的卫星信号。定位、导航、星历时间等信息分别由 １５７５． ７５ＭＨｚ 和 １２２７．６ＭＨｚ 两个载波频率向地面播发，载波频率由 装备在每颗卫星上精度很高的两个钕原子钟和两个铯原子 钟产生，采用 ＣＤＭＡ 区分各星的信号；目前一般的 ＧＰＳ 接收 机均能给出优于 １ μｓ 的授时精度。最新研制的授时型接收 机能够达到 １０ｎｓ 的同步精度。由于 ＧＰＳ 系统全天候、精度
图 １ ＧＰＳ时钟授时系统
３ 主节点授时器的硬件设计 主节点授时器由微处理器单元、ＺｉｇＢｅｅ无线通信单元、
标准时间单元、键盘显示、ＣＣＴＶ 解码单元、电台解码单元、 ＲＳ２３２、ＲＳ４２２Ｃ串口扩展单元和ＧＰＲＳ无线模块九个主要部分
组成。如图 ２ 所示。 微处理器单元选择的是 Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｈ ｉ ｐ 公司的 ８ 位
关 键 词 ： 时钟授时系统 ；时间编码 ；抗干扰 ；ＧＰＳ ；ＺｉｇＢｅｅ Abstract : This paper presents a high-precision Clock Timing System for radio and television. It can be applied to check time by the whole point of time signals, 16h time encoding pulse signal from CCTV, the standard time of receiving data from GPS, and backup each other through three modes to enhance system security. ZigBee wireless will sent the current precise time to all clock release points to improve anti-jamming performance but not to wiring. The paper describes the architecture of the clock timing system. We provide its hardware plans and software design note, and complete its hardware and software design based on PIC18F4620 as a control unit core. Key words : Clock timing system ; Time encoding ; Anti-jamming ; GPS ; ZigBee 中图分类号： ＴＰ２７４＋．２ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００１－９２２７（２００８）０５－００１５－０４
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《自动化与仪器仪表》２００８ 年第 ５ 期（总第 １３９ 期）
时间相差在 １ μｓ 以内［６］。 电台解码单元主要由二片 ＭＡＸ２６２ 组成。ＭＡＸ２６２ 芯片是
Ｍａｘｉｍ 公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过 微处理器精确控制滤波器的传递函数（包括设置中心频率、 品质因数和工作方式）。带通滤波器 １ 的中心频率调至 ８００Ｈｚ，带通滤波器 ２ 的中心频率调至 １６００Ｈｚ。分别用来选 通前几声信号和最后一声信号。
１ 授 时 方 法 无线电广播的整点报时信号，五声低音 ８００Ｈｚ 每声长度 ０．２５ 秒，间歇时间 １ 秒，第 ６ 高音 １６００Ｈｚ 长度 ０．５ 秒。第 ６ 声的 起点即为 ０ 秒时刻。中央人民广播电台报时准确度优于 １／ １００ 秒。地方人民广播电台整点报时准确度优于 ５／１００ 秒［３］。
在广播电视系统需要标准时间设备很多，分散在广播 电视中心大楼内，有一楼中心大厅的数字钟，各楼层的数字 钟，各频道台标机的标准北京时间的准点显示，各频道的电 视节目的准点播出，硬盘播出系统的系统时间同步，中央台 新闻联播的准点播出，新闻直播厅的时间同步，乃至全台的 标准时间都依赖于授时时钟系统，传统的采用有线方式，如 采用 ＲＳ４２２，接力传递，不仅时间存在不等的时延，而且系 统不安全，又需要铺设电缆，施工费用相应较高，日后的维 护保养也十分不便。干扰原有预埋的其他管线。
０ 引 言 在广播电视系统中，实时时钟占有重要的位置。它是不
同节目之间播出切换的同步基础，是播出设备系统、新闻和 综艺节目演播室、电视转播车直播、本级节目与外来节目 （包括以卫星微波传输方式传送的现场、转播车信号）间的 播出切换等的时间基准。
本文介绍使用的标准时间是从三个方面获取，利用无线 电广播的整点报时信号进行校时；中央电视台 Ｃ Ｃ Ｔ Ｖ － １ 、 ＣＣＴＶ－２ 、ＣＣＴＶ－４ 电视场逆程第１６行中的时间编码脉冲分离 出来经译码后获取的；利用 ＧＰＳ卫星接收数据中的标准时间 进行校时。并通过 ＺｉｇＢｅｅ 无线方式将当前的精确时间发送 到各个时钟需要的地方，实现全台标准时间一致。
在中央电视台标准时间源取自西安国家校时中心的一台
收稿日期：２００８－０３－１６ ＊安徽工程科技学院教研资助项目（ＭＥ０２１４） 安徽省教育厅重点项目编号ＫＪ２００８Ａ０１ＺＣ
铯原子钟产生的精准时间，传输到北京中央电视台，再由 中央台加入 １６ 行和 ３２９ 行场逆程信号发送到卫星，传送标 准为 ＧＢ７４０２－８７，其秒及标准频率的准确度优于 １ × １０－１２， 标准时间的时刻准确度优于 ３ μｓ 。第 １６ 行内以行同步前 沿为基准，依次排列为：相位基准脉冲、标准频率、秒脉 冲和时刻码。第 ３２９行内依次排列为：相位基准、标准频率 和台码［１］。传送标准为 ＧＢ ７４０２－８７。信号格式简介：最前 面的相位基准脉冲是宽为 ２ μｓ 、幅度为 ０．７Ｖ 的矩形脉冲。 标准频率为调制在 ２０ μｓ 宽矩形脉冲上的 １ＭＨｚ 正弦波，秒 脉冲为每秒一次的矩形脉冲，插入奇数场内。脉冲宽度为 ２ μｓ ，脉冲前沿半幅度点和所传送的时刻一致。时刻码２０位， 依次为时 ６ 位分秒各 ７ 位，脉冲宽度为 １ μｓ 。