GPS标准时钟系统对机器人系统的同步解决方案

GPS标准时钟系统在自动化工业科技系统的应用，现在已经呈现常规必要状态存在，本文主要以机器人系统对GPS标准时钟的应用需求进行说明。

机器人系统作为当代社会最具有代表性的自动化系统，在运转时需要严格标准的系统，特别是在时间要求上。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成，那么对于程序的执行，控制系统发挥着至关重要的作用，对控制系统实施标准化要求，就是对整个机器人系统运行的标准筹划。

机器人的控制系统，一般分为集中控制和分散（级）式控制。两种控制系统的时间统一，在应用中大同小异，在国际运用选择中，主要以GPS标准时钟为基准，在控制中形成一套完整的GPS标准时钟系统，下面分别进行一个简单的说明：

1、集中控制式GPS标准时钟系统

集中控制式，即一般实现机器人的全部控制由一台微型计算机完成。由此，应用于集中式控制系统的时间同步，就是对一台微型计算机的授时。

对于一台计算机的授时有无数种办法，简单又使用的是引用计算机的串口端，实现一对一的直接授时，即：

集中控制式GPS标准时钟系统（串口）示意图

如图所示，GPS时钟接收GPS卫星发来的标准时间信息，通过直接与计算机连接的方式，对计算机进行授时，目前最常用的直接连接的方式为串口连接，通过串口授时方式来实现机器人集中控制式的时间统一。本系统拓扑图，选择设备为SYN2302型串口时间服务器，来直接实现时间统一功能。

对一台微型计算机时间统一的选择，利用GPS时钟直接连接是最简单快捷的方法。除过以上机箱式的选择，当然还可以选择板卡式的GPS时钟，也非常方便。一般GPS时钟板卡，除过功能，大小的区别外，就是供电方式的区别，目前分为外部供电和PCI/PCIe/CPCI插槽式供电，可根据实际情况进行选择，详细资料可见产品展示。

2、分散式控制GPS标准时钟系统

分散式控制，即采用多台微型计算机来分制机器人的控制，当采用上、下两级微机来共同控制机器人的操作时，主机一般负责系统的通讯、管理、运动学，动力学计算，同时向下级从机发送指令信息。下级从机，各个微机系统分别对应一个相对应的CPU，进行伺服控制和插补运算的处理，并向主机反馈信息。对于分为主从式控制的机器人分散式控制系统，时间的统一是尤为重要的，一个环节的差错都会导致程序的混乱，下达程序命令无法实现。对于这种系统内有上下级从属关系的系统，GPS标准时钟系统的整体选择搭建也显得尤为重要。

GPS标准时钟系统，应用于主从式机器人分散式控制系统，简单的直连式授时选择显然已经不能满足实际的应用需求。这里，我们主要推荐两种：NTP授时和PTP授时方式，下面我们分别做一下说明，

（1）NTP授时式-GPS标准时钟系统

选择NTP授时式，组建一套GPS标准时钟系统来实现分散式控制系统的时间统一，相对来说也是比较容易的，最简单的是选用一台GPS-NTP网络时间服务器，来进行局域网内时间统一的配置，系统拓扑图入下：

NTP授时式-GPS标准时钟系统拓扑图

如图所示，整个GPS标准系统主要由卫星天线，NTP时间服务器，交换机和主从控制微机系统构成，其中NTP时间服务器主要接受来自GPS卫星的标准时间信息，通过与交换机连接，对整个局域网内的主从控制微机系统提供精确的时间。本次拓扑图，选用NTP时间服务器为SYN2102型NTP时间服务器，来实现NTP授时方式的时间统一功能。

通过NTP授时方式，进行整个系统内的时间同步时，首先需要通过NTP时间服务器与系统内某个将NTP时间服务器的IP更改为和主从控制微机系统在一个局域网内，再与交换机连接，通过局域网内IP地址的获取，来实现时间同步的功能。

对于这种通过NTP授时方式，实现时间同步的方式，是目前各个领域最为常用，性价比最高，最容易实现的一种方式。

（2）PTP授时式-GPS标准时钟系统

选择PTP授时的方式，组建一套GPS标准时钟系统来实现分散式控制系统的时间统一，方法类似于NTP授时的方式，只是在应用层面相对显得更高大上一些。在实际应用中，可选择搭建一套主从时钟系统来实现，应用示意图如下：

PTP授时式-GPS标准时钟系统示意图

如图所示，整个系统可延展至两种使用方式，一种如绿色虚线框所标识，直接通过PTP主时钟与控制系统的微型计算机通过网线连接，实现PTP组网内整个控制微型计算机设备的时间统一。

除过绿色框线中的内容，即形成了一套完整的PTP主从时钟系统，PTP主时钟接收GPS卫星时间，通过交换机，或者一对一与PTP从时钟连接的方式，从时钟通过自适应连接方式为系统内的微型计算机实现高精度的时间统一功能。本次示意图在配置中，主要选用的设备为SYN2401型PTP精密主时钟和SYN2403型PTP精密从时钟，来实现PTP授时式-GPS标准时钟系统内的时间统一功能。

以PTP授时方式搭建的GPS标准时钟系统在实现主从控制微机系统时，在单选主时钟直接实现整个系统内的功能时，需要确定主从微机控制系统是否支持PTP从属的1588协议，如果不能支持需要选择PTP主从时钟来实现。

以上为GPS标准时钟系统对机器人设备实现必要的时间统一时，对控制系统授时应用的几种不同方法，在实际的应用时建议根据实际参考环境，系统构造，精度要求，性价比来具体确定，不做盲目的选择。

GPS时钟系统的应用在集中控制中，也可选择分散式控制的两种办法来实现。三种授时方式在应用中，串口授时方式连接简单，应用方便，投入量小，价格低廉；NTP授时方式相对于其他两种，应用广泛，性价比高；PTP授时方式，精度高，环境需求相对苛刻，价格相对较高。

GPS标准时钟系统在对机器人系统的应用，只是工业自动化系统中的一种，且以上几种方法可通用于工业自动化系统，如有其它要求，可与我公司业务人员进行沟通。