專利名稱：一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及船舶自動識別終端系統(tǒng)，尤其是涉及一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備。
背景技術(shù)：
船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)通過全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取當(dāng)前的位置信息，并將自身的船位，船速，航向等動態(tài)信息以及船名，呼號，吃水及危險(xiǎn)貨物等靜態(tài)資料通過甚高頻(VHF)頻道向附近船舶及岸臺廣播。周圍的船舶通過接收廣播的船舶信息可以及時(shí)掌握附近海域的船舶資料，采取必要的避讓行動，提高船舶航行的安全性。AIS工作基于TDMA (時(shí)分多址)技術(shù)，AIS系統(tǒng)利用甚高頻波段的兩個(gè)頻率進(jìn)行工作，將一分鐘(一巾貞)劃分成2250個(gè)時(shí)間段(時(shí)隙)，這樣兩個(gè)頻率上一分鐘共有4500個(gè)時(shí)隙供系統(tǒng)中的各種終端設(shè)備交替發(fā)射。由于不同的終端在不同條件下每分鐘要發(fā)射的次數(shù)各不相同，如一艘高速艇一分鐘要發(fā)射30次之多，而一艘停泊的貨船三分鐘才發(fā)射一次，為保證AIS系統(tǒng)正常工作，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可容納的AIS終端數(shù)量是有限的。由于AIS終端設(shè)備按照時(shí)隙通信的特點(diǎn)，一個(gè)AIS終端是整個(gè)AIS系統(tǒng)的一份子，若一艘船只的AIS設(shè)備不正常工作，它將會對其他AlS設(shè)備的消息發(fā)送產(chǎn)生影響，因此精確的時(shí)間同步能力是AlS設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。UTC時(shí)間可直接通過GPS獲取，GPS模塊在定位期間提供直接的UTC時(shí)間作為AIS的主要參考時(shí)間，AIS設(shè)備通過此時(shí)間參考完成靜態(tài)/動態(tài)消息的發(fā)送。由于GPS定位易受到天氣等環(huán)境因素的影響，GPS模塊不能在任何時(shí)間都提供UTC時(shí)間參考。當(dāng)AIS終端設(shè)備無法獲取UTC時(shí)間參考，AIS終端設(shè)備只能參考本地時(shí)鐘進(jìn)行消息發(fā)射。而終端設(shè)備的本地時(shí)鐘不夠精確，各個(gè)設(shè)備時(shí)鐘精度存在差異且易受外部環(huán)境影響。外部溫度的變化等可能導(dǎo)致時(shí)鐘頻率出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響本地時(shí)鐘的精度。由于設(shè)備時(shí)鐘不精確，設(shè)備內(nèi)的時(shí)間將很快偏離真實(shí)UTC時(shí)間，造成設(shè)備時(shí)間與UTC時(shí)間不同步，此時(shí)AIS終端設(shè)備發(fā)送消息有可能影響其它設(shè)備消息發(fā)送。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是利用GPS獲取直接的UTC時(shí)間，并校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，使得AIS終端設(shè)備在無法獲取UTC時(shí)間的情況下仍能保持時(shí)間同步狀態(tài)，從而保證AIS終端設(shè)備在無UTC時(shí)間參考的情況下，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍按照AIS的時(shí)隙標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送消息，不影響其它船舶的AIS終端的消息發(fā)送。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，特別研發(fā)一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)在無法獲取UTC時(shí)間的情況下，船舶自動識別設(shè)備在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍保持時(shí)間同步狀態(tài)。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是:一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備，其特征在于，包括由時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊、消息發(fā)送模塊、GPS控制模塊和休眠控制模塊構(gòu)成的ARM控制模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，所述的ARM控制模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板及電源模塊連接，電源模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊及控制面板連接。AIS船舶自動識別終端設(shè)備在ARM模塊的控制下，ARM模塊給GPS模塊供電并等待GPS定位。獲取GPS位置信息后，ARM模塊周期地控制射頻模塊通過VHF天線廣播位置消息?？刂泼姘蹇捎糜谠O(shè)備開關(guān)機(jī)和發(fā)送告警消息，控制面板通過LED燈指示工作狀態(tài)。時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊通過GPS模塊獲取UTC時(shí)間，并通過UTC時(shí)間計(jì)算本地時(shí)間的誤差，誤差累計(jì)一段時(shí)間后計(jì)算本地時(shí)鐘誤差。通過誤差計(jì)算出三級的時(shí)鐘調(diào)整參數(shù)，精度從低到高，時(shí)鐘補(bǔ)償模塊根據(jù)三級時(shí)鐘調(diào)整參數(shù)對應(yīng)的時(shí)鐘精度，以三種不同的頻率對本地時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償，從而將本地時(shí)鐘的誤差控制在一個(gè)較小的范圍，達(dá)到時(shí)鐘校準(zhǔn)的目的。若時(shí)鐘校準(zhǔn)期間GPS定位中斷，本設(shè)備仍可根據(jù)已有的校準(zhǔn)階段計(jì)算時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)，并以此校準(zhǔn)時(shí)鐘。本實(shí)用新型所產(chǎn)生的有益效果是:船舶自動識別終端設(shè)備修正本地時(shí)鐘不準(zhǔn)確帶來的誤差，可以保證在丟失UTC時(shí)間基準(zhǔn)的情況下，半小時(shí)內(nèi)本機(jī)時(shí)間和UTC時(shí)間同步誤差不大于0.1個(gè)時(shí)隙(2.6ms)，保證其廣播消息仍滿足AIS時(shí)間同步。從而避免了因設(shè)備時(shí)間與UTC時(shí)間不同步，而造成AIS船舶自動識別終端設(shè)備發(fā)送消息有可能影響其它設(shè)備消息發(fā)送的問題。

圖1為船舶自動識別終端設(shè)備構(gòu)成框圖。圖2為船舶自動識別終端設(shè)備時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊的電路原理圖。圖3為船舶自動識別終端設(shè)備GPS模塊電路原理圖。圖4為船舶自動識別終端設(shè)備時(shí)鐘校準(zhǔn)流程圖。圖5為船舶自動識別終端設(shè)備時(shí)鐘補(bǔ)償流程圖。
具體實(shí)施方式
為了更清楚的理解本實(shí)用新型，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做詳細(xì)描述:參照圖1，船舶自動識別終端設(shè)備包括由時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊、消息發(fā)送模塊、GPS控制模塊和休眠控制模塊構(gòu)成的ARM模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，ARM控制模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板及電源模塊連接，電源模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊及控制面板連接。本實(shí)用新型各模塊的功能如下:I)射頻模塊:為通用公知的模塊，用于在AIS A/B信道廣播靜態(tài)/動態(tài)消息；2) GPS模塊:用于解析GPS位置信息，并提供UTC時(shí)間信息；3)控制面板:用于人機(jī)接口，用戶通過面板按鍵操作設(shè)備，通過LED燈觀察當(dāng)前工作狀態(tài)；4)時(shí)鐘模塊:用于為ARM控制芯片提供主時(shí)鐘和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘；5)電源模塊:用于為各個(gè)模塊供電；6) ARM控制模塊:用于控制整個(gè)終端設(shè)備工作，其中，時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊用于通過GPS提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)自身時(shí)鐘；時(shí)鐘補(bǔ)償模塊用于通過周期地修正本地時(shí)間來完成對本地時(shí)鐘誤差的補(bǔ)償；消息發(fā)送模塊用于按照AIS協(xié)議周期的發(fā)送AIS靜態(tài)、動態(tài)消息；GPS控制模塊用于控制GPS芯片的開關(guān)，以及解析GPS消息等；休眠控制模塊用于在設(shè)備空閑時(shí)，關(guān)閉不需要的部分，降低系統(tǒng)功耗。參照圖2，船舶自動識別終端設(shè)備的ARM控制模塊采用STM32F103RCT6控制芯片N5，時(shí)鐘模塊采用為控制芯片N5提供主時(shí)鐘的DSA321G_12.0M無源晶振芯片N2以及采用為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘的DST310S-32.768KHz無源晶振芯片N4，其中無源晶振芯片N2的兩端分別與控制芯片N5的5腳和6腳連接，并分別通過電容C6和電容C7接地；無源晶振芯片N4的兩端分別與控制芯片N5的3腳和4腳連接，并分別通過電容C8和電容C17接地。船舶自動識別終端設(shè)備時(shí)鐘模塊由兩部分提供，STM32F103CT6為ARM7核的設(shè)備控制芯片N5，用于控制整個(gè)船舶自動識別終端設(shè)備工作。芯片N2為DSA321G_12.0M無源晶振，為控制芯片N5提供主時(shí)鐘；晶振外部接兩個(gè)電容C6和電容C7到地，用于微調(diào)晶振頻率。芯片N4為DST310S-32.768KHz無源晶振，為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘，晶振外部接兩個(gè)電容CS和電容C17到地，用于微調(diào)晶振頻率。當(dāng)船舶自動識別終端設(shè)備進(jìn)入低功耗休眠模式時(shí)，主時(shí)鐘停止工作，此時(shí)設(shè)備的時(shí)間同步維持由RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘維持。當(dāng)設(shè)備從休眠過程中喚醒時(shí)，主時(shí)鐘啟動并接替RTC時(shí)鐘繼續(xù)維持設(shè)備的時(shí)間同步狀態(tài)。參照圖3，船舶自動識別終端設(shè)備的GPS模塊采用一個(gè)用于通過GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息的NE0-5M芯片N13，芯片N13的20腳和21腳分別通過電阻R78和電阻R77以及電阻R80和電阻R81與所述的控制芯片N5的17腳和16腳連接，其中電阻R78和電阻R77的一端以及電阻R80和電阻R81的一端分別通過電容ClOO和電容ClOl接地；芯片NI3的22腳通過電阻R82接3.3V電源，芯片NI3的23腳通過三極管VTll的集電極、發(fā)射極與電阻R85相接后接3.3V電源，電阻R85與三極管VTll的基極連接后通過電阻R86連接三極管N14的集電極，再通過三極管N14的基極與所述的控制芯片N5的11腳連接，三極管N14的發(fā)射極接地，芯片N13的3腳通過電阻R83電阻R84與控制芯片N5的15腳連接，電阻R83電阻R84通過電容C102接地，芯片N13的8腳和9腳連接后通過電阻R79和電感L17與芯片N13的11腳連接，連接后接ANT-GPS有源天線，然后接地，芯片N13的7腳、10腳、12腳、13腳、14腳和24腳接地。船舶自動識別終端設(shè)備的GPS模塊采用NE0-5M芯片N13，ARM控制模塊通過串口和GPS模塊進(jìn)行通信。其中NE0-5M芯片N13為GPS模塊負(fù)責(zé)通過GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息。NE0-5M芯片N13的20和21管腳為GPS模塊的串口，分別與STM32F103CT6控制芯片N5的16和17管腳連接，用于通過串口周期的向STM32F103CT6控制芯片N5發(fā)送GPS位置消息和時(shí)間消息。NE0-5M芯片N13的22管腳為GPS模塊的備用電源，23管腳為GPS模塊的主電源。主電源通過2SB1132三極管VTl I和DTCl 14EE三極管N14與STM32F103CT6控制芯片N5管腳11連接。當(dāng)STM32F103CT6控制芯片N5控制管腳11為高電平時(shí)，DTCl 14EE三極管N14集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，進(jìn)而控制2SB1132三極管VTll的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，從而給NE0-5M芯片N13的主電源供電。同理，當(dāng)控制芯片N5控制管腳11為低電平時(shí)，DTCl14EE三極管N14集電極和發(fā)射極截止，進(jìn)而控制2SB1132的集電極和發(fā)射極截止，從而控制NE0-5M芯片N13的主電源斷電。因NE0-5M芯片N13只要備用電源供電，在主電源斷電的情況下，仍可保存相關(guān)定位消息，所以STM32F103CT6控制芯片N5通過控制管腳11低電平關(guān)閉NE0-5M芯片N13，降低功耗。在需要GPS模塊定位時(shí)，通過STM32F103CT6控制芯片N5控制管腳11高電平打開NE0-5M芯片N13，GPS模塊熱啟動，快速完成定位。器件ANT-GPS為有源GPS天線，NE0-5M芯片N13通過管腳9和11與有源GPS天線連接，并以此完成定位。NE0-5M芯片N13的管腳3在GPS模塊定位后輸出秒脈沖，用于提供精確的UTC時(shí)間，此管腳和ARM的15管腳連接，ARM端通過此秒脈沖完成本地時(shí)鐘同步等操作。本設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)功能通過GPS提供的UTC時(shí)間消息，校準(zhǔn)本設(shè)備的主時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘，計(jì)算其誤差并對其進(jìn)行補(bǔ)償。該功能保證了船舶自動識別終端設(shè)備無論在通過主時(shí)鐘正常工作狀態(tài)還是在依靠RTC時(shí)鐘低功耗休眠狀態(tài)，都可保證本機(jī)時(shí)間與UTC時(shí)間的一致性，為AIS消息發(fā)送提供了準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。以下參照圖4詳細(xì)描述本設(shè)備時(shí)鐘校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)過程:步驟100 102:初始化過程； 步驟100:時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊初始化各個(gè)參數(shù)；步驟101 =GPS模塊上電，GPS模塊定位開始，若定位成功則GPS模塊會輸出時(shí)間消息；步驟102:等待GPS的第一次時(shí)間消息輸出，保存第一次時(shí)間信息，確定GPS定位成功，則準(zhǔn)備開始時(shí)鐘校準(zhǔn)；當(dāng)判斷GPS模塊已經(jīng)定位后，本方法開始根據(jù)GPS提供的時(shí)間信息對比本地時(shí)鐘的誤差，方法執(zhí)行步驟103 104:步驟103:等待每次的GPS時(shí)間消息的到來，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)等到了 GPS的時(shí)間消息，則根據(jù)兩次時(shí)間消息的間隔對比本地時(shí)鐘來獲取本地時(shí)鐘的誤差；若規(guī)定時(shí)間內(nèi)未等到GPS的時(shí)間消息， 則 認(rèn)為GPS模塊定位丟失，利用曾定位的時(shí)間段所累積的誤差計(jì)算時(shí)鐘校準(zhǔn)值；步驟104:每次GPS時(shí)間消息到來，根據(jù)GPS所提供的UTC時(shí)間和本地時(shí)鐘提供的時(shí)間，計(jì)算本地時(shí)鐘的誤差，將此誤差值進(jìn)行累加。根據(jù)GPS提供的時(shí)間消息累積一段時(shí)間的時(shí)鐘誤差后，進(jìn)入時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算階段，執(zhí)行步驟105 108:步驟105:當(dāng)GPS模塊需要關(guān)閉電源，或者誤差累計(jì)達(dá)到一定的次數(shù)，或者GPS模塊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未提供下次時(shí)間消息，則開始進(jìn)入計(jì)算時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算階段；步驟106:當(dāng)誤差累計(jì)次數(shù)太少時(shí)，由于較少的采樣點(diǎn)帶來較大的計(jì)算誤差，則在采樣點(diǎn)數(shù)低于某閾值時(shí)放棄本次時(shí)鐘校準(zhǔn)操作；若誤差累計(jì)次數(shù)達(dá)到閾值，則首先計(jì)算低精度的時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)，對本地時(shí)鐘粗調(diào)；計(jì)算公式如下:
權(quán)利要求1.一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備，其特征在于，包括ARM控制模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，所述的ARM控制模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板及電源模塊連接，電源模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊及控制面板連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備，其特征在于，所述的ARM控制模塊采用STM32F103RCT6控制芯片N5，時(shí)鐘模塊采用為控制芯片N5提供主時(shí)鐘的DSA321G_12.0M無源晶振芯片N2以及為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘的DST310S-32.768KHz無源晶振芯片N4，其中無源晶振芯片N2的兩端分別與控制芯片N5的5腳和6腳連接，并分別通過電容C6和電容C7接地；無源晶振芯片N4的兩端分別與控制芯片N5的3腳和4腳連接，并分別通過電容C8和電容C17接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備，其特征在于，所述的GPS模塊采用一個(gè)用于通過GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20腳和21腳分別通過電阻R78和電阻R77以及電阻R80和電阻R81與所述的控制芯片N5的17腳和16腳連接，其中電阻R78和電阻R77的一端以及電阻R80和電阻R81的一端分別通過電容ClOO和電容ClOl接地；芯片N13的22腳通過電阻R82接3.3V電源，芯片N13的23腳通過三極管VTll的集電極、發(fā)射極與電阻R85相接后接3.3V電源，電阻R85與三極管VTll的基極連接后通過電阻R86連接三極管N14的集電極，再通過三極管N14的基極與所述的控制芯片N5的11腳連接，三極管N14的發(fā)射極接地，芯片N13的3腳通過電阻R83電阻R84與控制芯片N5的15腳連接，電阻R83電阻R84通過電容C102接地，芯片N13的8腳和9腳連接后通過電阻R79和電感L17與芯片N13的11腳連接，連接后接ANT-GPS有源天線，然后接地，芯片N13的7腳、10腳、12腳、13腳、14腳和24腳接地。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種可校準(zhǔn)自身時(shí)鐘的船舶自動識別終端設(shè)備。本設(shè)備包括由時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊、消息發(fā)送模塊、GPS控制模塊和休眠控制模塊構(gòu)成的ARM控制模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊通過獲取GPS模塊時(shí)間消息計(jì)算本地時(shí)鐘誤差，再根據(jù)本地時(shí)鐘誤差計(jì)算時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)，時(shí)鐘補(bǔ)償模塊通過獲得的時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)調(diào)整時(shí)鐘。通過修正本地時(shí)鐘不準(zhǔn)確帶來的誤差，可以保證在丟失UTC時(shí)間基準(zhǔn)的情況下，半小時(shí)內(nèi)本地時(shí)間和UTC時(shí)間同步誤差不大于0.1個(gè)時(shí)隙(2.6ms)，保證其廣播消息仍滿足AIS時(shí)間同步。從而避免了因設(shè)備時(shí)間與UTC時(shí)間不同步，而造成AIS船舶自動識別終端設(shè)備發(fā)送消息可能影響其它設(shè)備消息發(fā)送的問題。
文檔編號G04G7/00GK202976517SQ20122063895
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者郭長勇, 張鍵, 李輝輝, 張財(cái)元, 程樹軍, 徐旭曉 申請人:天津七一二通信廣播有限公司