技术领域
[0001] 本实用新型属于分布式仿真技术领域，具体是指一种用于分布式仿真中基于
硬件的同步计算时序生成和授时控制的装置，特别是适用于组网条件下大型分布式仿真系统的同步计算和授时控制。
背景技术
[0002] 对于大型分布式仿真系统，时序同步和时间管理是实现正确仿真逻辑的关键和难点，尤其是对组网条件下的飞行模拟训练实时仿真系统来说，必须保证各仿真
节点计算时序的同步性和时间的一致性，才能实现各仿真模型的正确交互和同步推进，避免诸如大机动飞行条件下视景图像或目标显示抖动等问题。
[0003] 目前，为了解决各仿真节点的同步推进，主要有三种解决方案：一是
软件同步方法，完全利用软件完成分布式仿真系统中各时钟的同步，但这种软件进行同步的工作量很大，且节点间的同步偏差容易积累，更重要的是，同步信息在广域网上传输时延迟大，且有很大的不确定性，这会使软件同步的效果不理想， CN 103763377 B就是一种基于以太网的软同步方法；二是硬件同步方法，硬件同步往往是借助于全球导航卫
星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)来实现，通常根据实时性约束条件选择以太网或反射内存网来发送时序
信号，基于以太网的同步同样存在时延的不确定性，而基于反射内存网则存在硬件成本较高的缺点；三是分层式混合的同步方法，采用硬件和软件同步一起工作来实现节点间的时钟同步，即选择某一个节点作为时间管理主机，并在时间管理主机上引入一个GNSS接收机，在不同局域网中的时间管理主机就可以通过GNSS的时间信号实现同步，在每一个局域网内部，各节点通过软件实现与该局域网中的时间管理主机同步。CN 102201907 B就是通过未引入GNSS接收机的心跳
服务器向各仿真节点发送同步信息，存在的主要缺点是同步信息的延迟不确定性，不适合组网条件下大型分布式仿真系统的同步控制。 CN 1749916 A则是通过计算机的两个COM口实现了基于GPS秒脉冲信号的精确时间对准，没有用于多台计算机的同步计算时序信号的生成。
[0004] 各仿真节点计算机通常都具有9针串行通讯端口(满足EIA-RS-232C标准)，该串行通讯端口的数据载波检测(Data Carrier Detect，DCD)、数据发送就绪(Data Send Ready，DSR)、清除发送(Clear To Send， CTS)和振铃指示(Ring Indicator，RI)引脚可以采集外部的输入
控制信号，接收数据(Received Data， RXD)引脚可以接收串行通信数据，从而在仿真节点计算机上引起相对应的串口中断事件并可进行数据接收，这需要运行在仿真节点计算机上的软件进行正确的设置。
[0005] 本实用新型属于基于GNSS的硬件同步装置，是通过硬件同步装置产生同源、高
精度的时序触发信号，可将该触发信号引入各仿真节点计算机的串行通讯端口，来驱动各仿真节点的同步计算，克服了通过以太网进行同步的时延不确定性，并且不需要各仿真节点计算机安装专
门的同步硬件板卡，支持异地组网条件下大型分布式仿真系统的同步计算和校时控制。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供一种用于分布式仿真系统中基于GNSS的同步计算和授时控制的装置，该装置能够产生同源、高精度的时序触发信号，支持通过仿真节点计算机的串行通讯端口引入该时序触发信号，并通过以太网UDP组播的方式进行授时，满足分布式仿真系统中各节点计算机周期性仿真计算的同步驱动和系统时间的校对。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0008] 本实用新型中的一种基于GNSS的同步计算和授时控制装置，其特征在于，所述控制装置包括电连接的
微处理器模
块(M1)、GNSS模块(M2)、级联模块(M3)、
同步信号选择模块(M4)、同步信号输出模块(M5)、外同步信号调理模块(M6)、工作模式配置模块(M7)、网络通信模块(M8)、编程模块(M9) 和电源模块(M10)。
[0009] 模块M1，所述微处理器模块，内部包括
定时器、
存储器和若干串行通信端口，接收输入的同步源信号、配置状态、授时数据和网络控制数据，输出自同步信号(X3)、选择和选通控制信号、授时数据和GNSS 模块(M2)工作状态控制数据。
[0010] 所述微处理器模块(M1)的若干串行通信端口分别连接编程模块用于调试和下载编程数据，连接内部的存储器实现存储数据传输，连接级联模块(M3)实现授时数据的收发，连接GNSS模块(M2)实现卫星授时数据和GNSS模块(M2)工作状态控制数据的收发。串口A用于调试和下载编程数据，串口B连接内部的闪存用于程序数据的传输，串口C连接级联模块(M3)实现授时数据的收发，串口D连接GNSS 模块(M2)实现卫星授时数据和GNSS模块(M2)工作状态控制数据的收发。
[0011] 所述微处理器模块(M1)输入的同步源信号包括GNSS模块(M2)输出的卫星同步信号(X1)、级联模块(M3)输出的从同步信号(X2)和外同步信号调理模块(M6)输出的第二外同步信号(X4)。
[0012] 所述微处理器模块(M1)输出的自同步信号(X3)为微处理器模块(M1)内部定时器产生的
定时信号。微处理器模块(M1)测量当前的同步源信号(X1或X2或X4)
频率并调节内部的定时器输出频率一致的自同步信号(X3)，当未检测到同步源信号(X1或X2或X4)时，则自同步信号(X3)的频率值由接收的网络控制数据进行设定。
[0013] 微处理器模块(M1)根据工作模式配置状态实现控制装置Master和Slave两种工作模式的选择。
[0014] 微处理器模块(M1)接收的网络控制数据主要包括同步信号频率设定值、授时数据时间间隔设定值和 GNSS模块(M2)工作状态控制数据。同步信号频率设置包括GNSS模块(M2)输出的卫星同步信号(X1) 的频率设置和微处理器模块(M1)通过内部定时器输出的自同步信号(X3)的频率设置。授时数据时间间隔设置包括RS-232C串口授时数据(D1)输出的时间间隔设置、RS-232C秒脉冲信号(X9)输出的时间周期设置和UDP组播输出授时数据(D3)的时间间隔设置。GNSS模块(M2)工作状态控制数据则包括同步GNSS系统选择、时间模式设置、天线和用户延迟时间设置。可选择的同步GNSS系统包括GPS、GLONASS、Galileo和北斗，时间模式设置包括Disabled、Survey In和Fixed Mode。
[0015] 微处理器模块(M1)在Master工作模式下，通过串口D接收来自于GNSS模块(M2)输出的卫星授时数据，在Slave工作模式下，通过串口C接收来自于级联模块(M3)输出的授时数据。微处理器模块(M1) 在Master工作模式下，通过串口C输出授时数据给级联模块(M3)和同步信号输出模块(M5)，在Slave 工作模式下，仅通过串口C输出授时数据给同步信号输出模块(M5)。
[0016] 微处理器模块(M1)测量输入同步源信号的频率值，来实现控制装置的同步信号输出切换控制，包括卫星同步信号(X1)和自同步信号(X3)输出的切换控制、从同步信号(X2)和自同步信号(X3)输出的切换控制以及第二外同步信号(X4)和自同步信号(X3)输出的切换控制。切换控制为当微处理器模块(M1)检测不到卫星同步信号(X1)、从同步信号(X2)或第二外同步信号(X4)时，会切换为输出自同步信号(X3)，当又检测到卫星同步信号(X1)、从同步信号(X2)或第二外同步信号(X4)存在时，会从输出自同步信号(X3)再切换为输出卫星同步信号(X1)、从同步信号(X2)或第二外同步信号(X4)。所述是否能够检测到同步源信号，是根据测量输入的同步源信号的频率值来决定的，当连续3次测量的频率值均等于0时，则为未检测到同步源信号，当连续3次测量的频率值相等且均大于0时，则为检测到同步源信号。
[0017] 模块M2，所述GNSS模块，连接微处理器模块(M1)实现卫星授时数据和GNSS模块(M2)工作状态控制数据的收发，输出卫星同步信号(X1)至微处理器模块(M1)和同步信号选择模块(M4)，输出秒脉冲信号(X5)至级联模块(M3)和同步信号输出模块(M5)。GNSS模块(M2)通过天线接收导航卫星的信号，通过UART
接口连接微处理器模块(M1)的串口D实现卫星授时数据和GNSS模块(M2) 工作状态控制数据的收发。
[0018] 模块M3，所述级联模块，连接微处理器模块(M1)实现授时数据的收发，通过2个级联接口(P1) 实现RS-485级联信号(X11)的收发。级联模块(M3)连接微处理器模块(M1)的串口C实现授时数据的收发。
[0019] 所述级联模块(M3)的2个级联接口(P1)在控制装置Master工作模式下用于2路RS-485级联信号 (X11)的输出，在控制装置Slave工作模式下用于1路RS-485级联信号(X11)的输入和1路RS-485级联信号(X11)的输出。
[0020] 模块M4，所述同步信号选择模块，接收微处理器模块(M1)的选择控制，将输入的卫星同步信号(X1)、从同步信号(X2)、自同步信号(X3)和第二外同步信号(X4)四种同步时序信号之一作为选中同步信号 (X6)输出。同步信号选择模块(M4)通过数据选择器实现四种同步时序信号的选择控制。
[0021] 模块M5，所述同步信号输出模块，接收选中同步信号(X6)、秒脉冲信号(X5)和微处理器模块(M1) 输出的授时数据(D2)，并转换为RS-232C电平的同步信号(X8)、RS-232C秒脉冲信号(X9)和串口授时数据(D1)输出到RS-232C同步时序输出口(P2)，同时将选中同步信号(X6)经过
驱动器后作为TTL 同步信号(X7)输出到TTL同步信号输出口(P3)。同步信号输出模块(M5)接收的选中同步信号(X6) 来自同步信号选择模块(M4)，接收的秒脉冲信号(X5)来自GNSS模块(M2)，接收的授时数据(D2) 来自微处理器模块(M1)串口C的输出。同步信号输出模块(M5)内部具有若干路RS-232C电平转换
电路，可将输入的选中同步信号(X6)、秒脉冲信号(X5)和授时数据(D2)转换为若干路RS-232C电平的同步信号(X8)、RS-232C秒脉冲信号(X9)和串口授时数据(D1)，并输出到若干个RS-232C同步时序输出口(P2)，每个RS-232C同步时序输出口均同时包含了RS-232C电平的同步信号(X8)、RS-232C秒脉冲信号(X9)和串口授时数据(D1)。同时，同步信号输出模块(M5)将输入的选中同步信号(X6) 经过高速驱动器后作为TTL同步信号(X7)输出到TTL同步信号输出口(P3)。
[0022] 模块M6，所述外同步信号调理模块，接收微处理器模块(M1)的选通控制，将输入的第一外同步信号(X10)经信号调理后输出至微处理器模块(M1)和同步信号选择模块(M4)。外同步信号调理模块(M6) 输入的第一外同步信号(X10)是脉冲触发式或边沿触发式，经过的信号调理包括
限幅、整形等。
[0023] 模块M7，所述工作模式配置模块，连接至微处理器模块(M1)，通过微处理器模块(M1)采集配置状态，设置控制装置处于Master或Slave工作模式。工作模式配置模块(M7)的配置状态具有低电平和高电平两种状态，由
短路块来设定，当微处理器模块(M1)采集的配置状态为低电平时，控制装置处于Master 工作模式，当微处理器模块(M1)采集的配置状态为高电平时，控制装置处于Slave工作模式。
[0024] 模块M8，所述网络通信模块，连接至微处理器模块(M1)，通过网络接口(P4)接收网络控制数据，并输出UDP组播授时数据(D3)。接收的网络控制数据主要包括同步信号频率设定值、授时数据时间间隔设定值和GNSS模块(M2)工作状态控制数据等。
[0025] 模块M9，所述编程模块，连接微处理器模块(M1)的串口A，将编程数据下载到所述的控制装置。
[0026] 模块M10，所述电源模块，通过输入5V供电，转换为3.3V后为整个控制装置提供直流供电。
[0027] 本实用新型的基于GNSS的同步计算和授时控制装置，为通过串行通讯端口连接的各仿真节点计算机提供了一种同源、高精度的同步时序触发信号和接收一致性时间的方法，同时支持网络授时和单串口精确授时，并具有基于GNSS的异地组网条件下的时序触发信号的同步能
力，同时该装置具有卫星同步、从同步、外同步和
定时同步四种同步时序触发信号的生成方式，并可以通过主
控制器和从控制器的级联实现更多个仿真节点计算机的同步，还具有同步专业显卡的同步子卡刷新周期、通过外同步信号输入端接收专业显卡的同步子卡输出的同步信号和接收VGA
帧同步信号等外部脉冲触发信号源的功能。
[0028] 本实用新型的有益效果是提出了一种用于分布式仿真系统中基于GNSS的同步计算和授时控制装置，该装置有别于通过以太网或反射内存网来发送时序信号的同步方法，采用仿真计算机的串行通讯端口进行同步信号触发，避免了以太网
信号传输延迟的不确定性，同时在仿真计算机上不需要增加反射内存卡或PCI 卡等硬件板卡，具有同步精度高、搭建方便、经济可行的优点。
附图说明
[0029] 图1为本实用新型中基于GNSS的同步计算和授时控制装置的结构示意图；
[0030] 图2为本实用新型中微处理器模块的接口电路图；
[0031] 图3为本实用新型中GNSS模块的电路图；
[0032] 图4为本实用新型中选中同步信号的级联电路图；
[0033] 图5为本实用新型中同步信号选择模块的电路图；
[0034] 图6为本实用新型中一路同步信号和授时数据输出的电路图；
[0035] 图7为本实用新型中外同步信号调理模块的电路图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图与
实施例对本实用新型进一步详细说明。
[0037] 图1为本实用新型中基于GNSS的同步计算和授时控制装置的结构示意图，包括微处理器模块(M1)、 GNSS模块(M2)、级联模块(M3)、同步信号选择模块(M4)、同步信号输出模块(M5)、外同步信号调理模块(M6)、工作模式配置模块(M7)、网络通信模块(M8)、编程模块(M9)和电源模块(M10)等 10个主要的功能模块。
[0038] 模块M1，所述微处理器模块，可采用RCM57XX、RCM67XX及其它系列微处理器模块实现，图2 为采用RCM6700微处理器模块的接口电路图。利用微处理器模块的串口A(TXA和RXA信号线)实现编程数据的下载，利用串口B实现与内部闪存的程序数据传输，利用串口C(TXC_Time和RXC_Time信号线)实现级联模块(M3)的授时数据收发和同步信号输出模块(M5)的授时数据发送，利用串口D (TXD_GNSS和RXD_GNSS信号线)实现卫星授时数据和GNSS模块(M2)工作状态控制数据的收发；将GNSS模块(M2)输出的卫星同步信号TP1Out(X1)作为微处理器模块(M1)的外部中断信号进行输入并测量其频率；将级联模块(M3)输出的从同步信号RX_485(X2)通过微处理器模块(M1)的输入捕获功能测量其频率；将外同步信号调理模块(M6)输出的第二外同步信号ExtSynSigIN(X4)通过微处理器模块(M1)的输入捕获功能测量其频率；微处理器模块(M1)通过采集工作模式配置模块(M7) 输出的GetMasterOrSlave信号的高低电平状态，用于判断控制装置工作模式是处于Master状态还是Slave 状态；微处理器模块(M1)测量当前的同步源信号(X1或X2或X4)频率并调节内部的定时器输出频率一致的自同步信号TimerC0(X3)，并根据同步源信号(X1或X2或X4)的检测状态实现同步信号输出的自动切换控制；微处理器模块(M1)通过采集GNSS_ADD信号的状态，判断GNSS模块是否存在，当存在GNSS模块时，可以实现卫星同步信号的输出；微处理器模块(M1)接口的TX+、TX-、RX+和RX- 实现网络数据的输入和输出；微处理器模块(M1)接口的RE_485和DE_485实现级联模块(M3)的级联信号收发控制；微处理器模块(M1)接口的SigSel_En1、SigSel_En2、SigSel_S0和SigSel_S1实现同步信号选择模块(M4)的
输出信号选择控制；微处理器模块(M1)接口的DFF_Set实现外同步信号调理模块 (M6)的选通控制。
[0039] 模块M2，所述GNSS模块，采用LEA-M8T精密授时模块实现，图3为LEA-M8T模块的电路设计图。通过RF_IN接收导航卫星的天线信号，通过UART接口TXD_GNSS和RXD_GNSS信号线连接微处理器模块(M1)的串口D，输出卫星同步信号TP1Out(X1)，输出秒脉冲信号TP2Out(X5)，同时通过USB_DM 和USB_DP实现LEA-M8T模块的USB通信，通过VCC_RF、V_ANT和ANT_DET_N实现天线的开路和短路检测。
[0040] 模块M3，所述级联模块，采用三个RS-485通信芯片MAX3073实现。图4为选中同步信号Sig1Out (X6)的级联模块电路图，在控制装置Master工作模式下，选中同步信号Sig1Out(X6)通过MAX3073 芯片转换为RS-485逻辑电平，通过TOutZ_485和TOutY_485信号线输出到2个级联接口(P1)。在控制装置Slave工作模式下，通过1路级联接口的RInA_485和RInB_485信号线接收输入的RS-485逻辑电平从同步信号，经过MAX3073芯片转换后输出从同步信号RX_485(X2)到微处理器模块(M1)。秒脉冲信号和授时数据可以采用另外的两个MAX3073芯片以同样的原理实现级联的输入和输出。
[0041] 模块M4，所述同步信号选择模块，采用双四通道数据选择芯片74HC153实现，图5为同步信号选择模块的电路图。通过数据选择芯片74HC153选择输入的卫星同步信号TP1Out(X1)、从同步信号RX_485 (X2)、自同步信号TimerC0(X3)和第二外同步信号ExtSynSigIN(X4)四种同步时序信号之一作为选中同步信号Sig1Out(X6)输出，同时，还输出另一路选中同步信号Sig2Out以增加驱
动能力。
[0042] 模块M5，所述同步信号输出模块，采用多个RS-232C电平转换芯片MAX3232E实现，每个芯片实现两路RS-232C电平信号的转换输出，图6为一路同步信号和授时数据输出的电路图。该电路图接收选中同步信号Sig1Out(X6)和授时数据TXC_Time(D2)，经过MAX3232E芯片转换为RS-232C电平的同步信号OutSynSig(X8)和串口授时数据TXC_232(D1)输出到同步时序输出口(P2)，秒脉冲信号TP2Out (X5)则通过另一个MAX3232E芯片转换后输出到同步时序输出口(P2)。同时，将选中同步信号Sig1Out (X6)经过高速驱动器NC7SZ125芯片后作为TTL同步信号(X7)输出到TTL同步信号输出口(P3)。
[0043] 模块M6，所述外同步信号调理模块，采用限幅电路和D触发器74HC74芯片实现，图7为外同步信号调理模块的电路图。通过对输入的第一外同步信号ExtSynSig(X10)进行调理，将调理后的第二外同步信号ExtSynSigIN(X4)送给微处理器模块(M1)和同步信号选择模块(M4)。
[0044] 模块M7，所述工作模式配置模块，通过短路块设置配置状态信号的高低电平。
[0045] 模块M8，所述网络通信模块，通过以太网口(P4)、网络隔离
变压器和信号滤波电路与微处理器模块 (M1)接口的TX+、TX-、RX+和RX-相连接，实现网络数据的输入和输出。
[0046] 模块M9，所述编程模块，采用FT232RL芯片实现微处理器模块(M1)的串口A(TXA和RXA信号线)和状态信号(STATUS和SMODE信号线)与上位机的USB通信和状态指示，实现编程数据下载和运行调试。
[0047] 模块M10，所述电源模块，采用AMS1117电源转换芯片将5V供电转换为3.3V直流电。
[0048] 本实用新型的创新点在于，提供了一种基于GNSS的同源、高精度的同步时序触发信号生成和授时控制的装置，并支持通过串行通讯端口将同步时序触发信号直接引入分布式仿真中的各仿真节点计算机，具有基于GNSS的异地组网条件下时序触发信号的同步能力和主从控制器的级联能力。经过测试表明，该装置可为各仿真节点计算机提供精度≤600ns的同步触发信号。
[0049] 以上结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非本实用新型保护范围的限制，本领域技术人员对本实用新型不需付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形，都涵盖在本实用新型的保护范围之内。
