王正明，漆溢，車(chē)愛(ài)霞

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BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

王正明，漆溢，車(chē)愛(ài)霞

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600）

介紹了為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）的長(zhǎng)波發(fā)播系統(tǒng)BPL全面升級(jí)改造工程而研制的BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。整個(gè)軟件系統(tǒng)分為兩大部分，第一部分包括局域網(wǎng)的時(shí)間同步、時(shí)間信號(hào)比對(duì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳遞等與整個(gè)時(shí)頻系統(tǒng)的硬件控制有關(guān)的軟件；第二部分包括系統(tǒng)中各種時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)的定時(shí)處理與分析、設(shè)備超差報(bào)警判斷、BPL工作鐘時(shí)間(PU)的監(jiān)測(cè)和頻率駕馭信息的產(chǎn)生、各種設(shè)備運(yùn)行情況的曲線顯示等軟件。經(jīng)過(guò)近一年的試運(yùn)轉(zhuǎn)和修改，該軟件已正常使用，效果良好。

BPL；時(shí)間頻率；全自動(dòng)監(jiān)控；軟件

作為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）的長(zhǎng)波發(fā)播系統(tǒng)BPL全面升級(jí)改造工程的一部分，BPL監(jiān)控室的工作鐘系統(tǒng)（除了原子鐘以外）面貌煥然一新；NTSC所實(shí)施的臨潼和蒲城之間的遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞采用了新的微波通信系統(tǒng)，并以GPS共視作為熱備份；BPL改造工程要求BPL授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)中的時(shí)間頻率信號(hào)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行。改造完成以后BPL工作鐘所產(chǎn)生的時(shí)間（PU）應(yīng)按要求溯源到NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所產(chǎn)生的協(xié)調(diào)世界時(shí)（NTSC），通過(guò)定時(shí)自動(dòng)監(jiān)控使（PU）同步準(zhǔn)確程度達(dá)到|（NTSC）-（PU）|≤50 ns，（PU）的頻偏優(yōu)于5×10-13。整個(gè)軟件系統(tǒng)要求做到可視化程度高、可靠性強(qiáng)、設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)報(bào)警等等。為了滿足上述要求，我們?cè)O(shè)計(jì)并完成了整套軟件系統(tǒng)的研制。經(jīng)過(guò)半年多的試運(yùn)行和不斷完善，這個(gè)軟件系統(tǒng)已經(jīng)能完全滿足用戶的需求。該軟件系統(tǒng)主要包括如下功能：

1）BPL授時(shí)系統(tǒng)局域網(wǎng)中所有計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步及其監(jiān)測(cè)；

2）控制時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)中多路切換器、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、相位微調(diào)儀的工作；

3）采集和傳遞數(shù)據(jù)；

4）時(shí)間碼的監(jiān)測(cè)；

5）數(shù)據(jù)處理和分析；

6）時(shí)間差數(shù)據(jù)和標(biāo)志各種設(shè)備性能的曲線顯示；

7）各種設(shè)備信號(hào)的超差報(bào)警；

8）向BPL發(fā)播臺(tái)按規(guī)定格式發(fā)送定時(shí)和閏秒信息。

1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1是BPL時(shí)頻監(jiān)控中的硬件系統(tǒng)示意圖。位于蒲城的BPL監(jiān)控室內(nèi)有3個(gè)原子鐘，其中2個(gè)分別作為一主一備的工作鐘系統(tǒng)（分別產(chǎn)生（PU1）和（PU2））的頻率源，2套獨(dú)立的時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)（除此之外還有一套舊的比對(duì)系統(tǒng)也同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)）把（PU1）和（PU2）分別作為參考時(shí)間尺度，產(chǎn)生它們與各路時(shí)間信號(hào)的時(shí)間差比對(duì)結(jié)果。位于臨潼的NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（NTSC）與（PU）之間的時(shí)間比對(duì)，由分別設(shè)在臨潼和蒲城的微波系統(tǒng)進(jìn)行雙向時(shí)間傳遞，同時(shí)又采用GPS共視時(shí)間傳遞（作為熱備份）。在BPL發(fā)播臺(tái)也有一套時(shí)間信號(hào)比對(duì)系統(tǒng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備超差報(bào)警也由本軟件系統(tǒng)完成。

圖1 BPL時(shí)頻監(jiān)控中的硬件系統(tǒng)示意圖

2 軟件設(shè)計(jì)思想

本軟件根據(jù)BPL升級(jí)改造工程提出的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件分成兩大部分。

2.1 與硬件關(guān)聯(lián)的軟件

第一部分軟件主要涉及與硬件關(guān)聯(lián)的一些軟件（如圖2所示），這些軟件互相獨(dú)立，根據(jù)要求各自在規(guī)定時(shí)間自動(dòng)定時(shí)運(yùn)行。它們所涵蓋的工作包括：1）用由作者自行研制的時(shí)間服務(wù)器及相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)BPL時(shí)頻系統(tǒng)中所有十多臺(tái)電腦（包括GPS時(shí)間傳遞接收機(jī)的工控機(jī)）的時(shí)間同步，以保證系統(tǒng)中所有軟件按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)還設(shè)置了各臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)間同步狀況的監(jiān)測(cè)；2）對(duì)硬件系統(tǒng)中4套時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)，以基本相同的軟件控制各比對(duì)系統(tǒng)的工作，并產(chǎn)生格式相同的比對(duì)數(shù)據(jù)文件，每個(gè)比對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)每15 min進(jìn)行一次，形成2個(gè)版本的數(shù)據(jù)文件，一個(gè)文件記錄每15 min的比對(duì)數(shù)據(jù)，另一個(gè)文件只記錄每小時(shí)整點(diǎn)的比對(duì)結(jié)果；3）自動(dòng)定時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)電腦間的數(shù)據(jù)傳遞，包括BPL時(shí)頻系統(tǒng)內(nèi)部電腦間的數(shù)據(jù)傳遞和臨潼與蒲城之間用微波系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)文件傳遞；4）根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果產(chǎn)生的（PU）頻率駕馭參數(shù)控制相位微調(diào)器的工作，并從相位微調(diào)器上采集其實(shí)際工作的頻率值；5）根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果產(chǎn)生的設(shè)備超差報(bào)警信息，由語(yǔ)音卡撥打電話，語(yǔ)音通知值班人員；6）使用多個(gè)串行口分別接收BPL接收機(jī)、數(shù)字鐘的時(shí)碼數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作比較，在時(shí)碼差異大于1s時(shí)生成報(bào)警文件，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)碼進(jìn)行監(jiān)測(cè)；7）按照長(zhǎng)波發(fā)播預(yù)先約定的格式向BPL發(fā)播臺(tái)發(fā)出時(shí)間差（NTSC）-0及閏秒信息的調(diào)制信息（0是BPL天線發(fā)播端時(shí)間信號(hào)的相位時(shí)間），并接收回饋信息；8）微波數(shù)字通道雙向時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)的采集等等。

圖2 與硬件關(guān)聯(lián)的軟件部分框圖

新的微波傳輸系統(tǒng)有模擬通道和數(shù)字通道2種時(shí)間傳遞通道，模擬通道的信號(hào)送到圖1中臨潼和蒲城實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)中參加每15 min一次的比對(duì)，數(shù)字通道的信號(hào)每秒鐘進(jìn)行一次（NTSC）和（PU）的時(shí)間比對(duì)，因此需用專(zhuān)門(mén)的軟件另行采集兩地的調(diào)制解調(diào)器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)文件。

2.2 與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的軟件

第二部分軟件主要包括數(shù)據(jù)的定時(shí)自動(dòng)處理和設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，從下面幾個(gè)角度考慮軟件設(shè)計(jì)方案：1）數(shù)據(jù)處理所要完成的任務(wù)；2）各個(gè)軟件之間的關(guān)聯(lián)和定時(shí)順序安排；3）設(shè)備監(jiān)測(cè)的可視化程度高；4）操作簡(jiǎn)便。根據(jù)這些考慮，數(shù)據(jù)處理分成7個(gè)不同的軟件，如圖3所示。圖3中雙線方框?yàn)檐浖摼€方框?yàn)閿?shù)據(jù)文件。

本軟件的數(shù)據(jù)處理主要完成2個(gè)任務(wù)，一是根據(jù)歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)確定（PU）的頻率駕馭參數(shù)；二是BPL時(shí)頻設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況監(jiān)測(cè)。

圖3 BPL發(fā)播工作鐘自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理軟件流程示意圖

2.2.1(PU)的頻率駕馭參數(shù)的產(chǎn)生

（PU）的頻率駕馭參數(shù)由原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)如下處理過(guò)程后產(chǎn)生：1）對(duì)位于臨潼的NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室原子鐘組的數(shù)據(jù)作加權(quán)平均計(jì)算得到（NTSC）-（NTSC）[1]，（NTSC）是一個(gè)實(shí)時(shí)自由原子時(shí)尺度，經(jīng)對(duì)（NTSC）作頻率調(diào)整后，得到（NTSC）-（NTSC），（NTSC）是經(jīng)過(guò)頻偏調(diào)整后的原子時(shí)尺度，可用作為（PU）相位和頻率調(diào)整的參考；2）計(jì)算由微波雙向時(shí)間傳遞和GPS共視時(shí)間傳遞而得到的臨潼與蒲城兩地間的時(shí)間比對(duì)結(jié)果（NTSC）-（PU）；3）對(duì)BPL發(fā)播工作鐘系統(tǒng)比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并結(jié)合1）、2）的結(jié)果得到（NTSC）-（PU，），（PU，）表示蒲城BPL監(jiān)控室中的第臺(tái)鐘；4）由“BPL發(fā)播工作鐘監(jiān)控軟件”計(jì)算和預(yù)報(bào)（PU）的主鐘頻率源相對(duì)于（NTSC）的頻率變化，結(jié)合實(shí)時(shí)（NTSC）-（PU），綜合計(jì)算（PU）的頻率駕馭參數(shù)（PU）offset。關(guān)于（PU）的頻率駕馭參數(shù)的計(jì)算方法，作者曾作仔細(xì)研究，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，在本軟件中根據(jù)實(shí)際需要采用了一種實(shí)用方法[2]。

由于在實(shí)際工作中原始數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，而計(jì)算又要求不同數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)點(diǎn)在時(shí)刻上一一對(duì)應(yīng)，同一數(shù)據(jù)列出現(xiàn)系統(tǒng)跳變時(shí)必須加以修正，因此在作上述數(shù)據(jù)處理前必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整、補(bǔ)缺、修補(bǔ)壞點(diǎn)等等一系列復(fù)雜處理。

2.2.2 BPL時(shí)頻設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況監(jiān)測(cè)

圖1所示的BPL監(jiān)控室和發(fā)播臺(tái)都有各種時(shí)間頻率設(shè)備，作者對(duì)各個(gè)比對(duì)系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)文件做了詳細(xì)的分析，得出這些設(shè)備在正常運(yùn)行情況下的相位變化范圍。對(duì)于原子鐘或其他相對(duì)于（NTSC）具有一定頻偏的設(shè)備，“（NTSC）-信號(hào)源”相位時(shí)間差的變化與其速率及速率的變化相關(guān)，因此在軟件中需要計(jì)算并預(yù)報(bào)每一個(gè)信號(hào)的當(dāng)前速率，在其相位變化中加以扣除后，再判斷其剩余的相位變化是否超過(guò)預(yù)先確定的正常變化范圍。對(duì)于其他基本上沒(méi)有常數(shù)頻偏，但有相位波動(dòng)（或噪聲）的設(shè)備，則判斷瞬時(shí)相位變化是否超過(guò)預(yù)先確定的正常變化范圍。因此這部分計(jì)算用到了上一小節(jié)中涉及的4個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果和各個(gè)設(shè)備相位變化正常范圍的常數(shù)文件。

關(guān)于BPL監(jiān)控室內(nèi)的原子鐘和（PU1）、（PU2）的運(yùn)行情況，由“BPL發(fā)播工作鐘系統(tǒng)比對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件”給出鐘的速率變化曲線和（PU1）-（PU2）曲線；對(duì)臨潼和蒲城之間時(shí)間比對(duì)設(shè)備（微波和GPS共視）工作情況，通過(guò)“臨潼主鐘和BPL發(fā)播工作鐘遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞數(shù)據(jù)處理軟件”給出各條比對(duì)鏈路的時(shí)間比對(duì)結(jié)果曲線來(lái)加以監(jiān)測(cè)；由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的軟件“BPL發(fā)播工作鐘系統(tǒng)設(shè)備超差報(bào)警軟件”來(lái)完成BPL時(shí)頻設(shè)備的超差報(bào)警，在文件中記錄報(bào)警信息；在軟件窗體上用紅綠燈顯示當(dāng)前信號(hào)正常與否。

BPL發(fā)播臺(tái)時(shí)頻設(shè)備的監(jiān)測(cè)則由“BPL發(fā)播臺(tái)信號(hào)超差報(bào)警軟件”來(lái)實(shí)現(xiàn)，在文件中記錄報(bào)警信息；在軟件窗體上用紅綠燈顯示當(dāng)前信號(hào)正常與否；值班人員還可選擊按鈕查看每一個(gè)信號(hào)最近15 d的運(yùn)行情況。

2.2.3 總控軟件

2.2.1節(jié)中介紹的數(shù)據(jù)處理過(guò)程有4個(gè)步驟，在整套軟件設(shè)計(jì)時(shí)，每一個(gè)步驟用一個(gè)獨(dú)立的軟件來(lái)完成。但是從BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制和監(jiān)測(cè)整體來(lái)考慮，這些步驟應(yīng)安排一定的順序，因?yàn)楹竺娴挠?jì)算要用到前面的計(jì)算結(jié)果。因此在整個(gè)軟件系統(tǒng)中采取了靈活的辦法，用一個(gè)總控軟件來(lái)按順序定時(shí)啟動(dòng)這些軟件先后運(yùn)行，每小時(shí)運(yùn)行一次，同時(shí)這些軟件又可以由值班人員手工隨時(shí)啟動(dòng)，查看設(shè)備工作情況。總控軟件又每隔15 min自動(dòng)啟動(dòng)一次“BPL發(fā)播工作鐘系統(tǒng)設(shè)備超差報(bào)警軟件”，讀取并處理每15 min比對(duì)系統(tǒng)得到的比對(duì)數(shù)據(jù)，在專(zhuān)門(mén)的文件中記錄報(bào)警信息。軟件設(shè)計(jì)為總控軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)主界面，每15 min更新一次界面上顯示的（NTSC）-（PU）和（NTSC）-0的數(shù)據(jù)和曲線，便于值班人員了解情況。

2.2.4 與各種原始數(shù)據(jù)相關(guān)信息的修改問(wèn)題

上述7個(gè)軟件中有5個(gè)軟件涉及原始數(shù)據(jù)文件。與這些原始數(shù)據(jù)文件相配套，編制了一系列文本文件，記錄信號(hào)的各種信息。內(nèi)容包括原始數(shù)據(jù)文件的格式、原子鐘類(lèi)型、信號(hào)編排順序、設(shè)備的系統(tǒng)常數(shù)、信號(hào)的類(lèi)型、信號(hào)的正常變化范圍等等。由于各種原因，原始數(shù)據(jù)文件會(huì)發(fā)生變化，需要修改含有這些信息的文本文件。為避免用戶誤操作而破壞這些文本文件，軟件研制者在這5個(gè)軟件中分別編制了窗體和語(yǔ)句來(lái)修改相關(guān)的文本文件。5個(gè)軟件各自的情況不同，修改文本文件的程序段也完全不同。

3 結(jié)語(yǔ)

整套軟件以最初確定的基本要求進(jìn)行研制。在軟件研制過(guò)程中，軟件開(kāi)發(fā)者做了大量的數(shù)據(jù)分析和研究工作，以適合BPL授時(shí)發(fā)播時(shí)頻控制和監(jiān)測(cè)的要求。在試運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，根據(jù)用戶的需求和實(shí)際運(yùn)行方便又做了大量修改，完全滿足了用戶的需求。

整套軟件以Windows XP為操作平臺(tái)，在Visual Basic 6.0 語(yǔ)言環(huán)境下編制的。本套軟件可通過(guò)窗體上設(shè)置的表格和圖形框查看各種數(shù)據(jù)和曲線，可在專(zhuān)門(mén)的窗體上修改含有各種參數(shù)的文本文件，靈活性強(qiáng)，可視性強(qiáng)、操作方便、運(yùn)行可靠。

BPL 工作鐘產(chǎn)生的時(shí)間尺度（PU）經(jīng)本軟件的監(jiān)控，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖4給出了2009年7月18日～10月16日（54 030～55 120共90 d）中BPL工作鐘產(chǎn)生的時(shí)間尺度的控制情況。兩套工作鐘的時(shí)間與（NTSC）的時(shí)間差在10 ns以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于BPL系統(tǒng)改造前的100 ns的控制情況（（PU1）在55 074處出現(xiàn)超過(guò)10 ns的情況是相位微調(diào)器失靈造成的，設(shè)備維修后就控制回來(lái)了）。

圖4 T（PU）的控制情況（2009年7月18日～10月16日）

[1] 王正明. NTSC時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室守時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2009, 32(1): 29-35.

[2] 王正明. BPL主鐘信號(hào)T(PU)監(jiān)控方法研究[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2008, 31(1): 1-9.

Software Development for the BPL T & F Controlling and Monitoring

WANG Zheng-ming, QI Yi, CHE Ai-xia

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

As a part of the renovation project of the Long Wave Time and Frequency Broadcasting System (BPL) at the National Time Service Center (NTSC), the software for controlling and monitoring the BPL Time and Frequency system has been developed and described here. The whole software system consists of two parts. One part contains the software which deals with hardware controlling such as time synchronization of each computer to the standard time of the BPL T & F system, time comparison, data gathering, data transfer, micro-phase stepper controlling and telephone alarming. The other part involves all kinds of data processing and analysis. With the results of data processing, the software system can monitor(PU) and generate the frequency offset for steering(PU), display curves for devices running status, judge whether the T & F devices working properly and produce the messages of device abnormality, et al. The whole software System has been in test running for nearly one year. After being further modified, the software proves running effectively and properly.

BPL; time and frequency; automatic controlling; software

2009-11-10

中國(guó)科學(xué)院重大科學(xué)裝置維修改造項(xiàng)目

王正明，女，研究員，主要從事時(shí)間頻率方面的研究。

P127.1

A

1674-0637(2010)01-0005-06