GPS授时服务器及IEEE1588在井下数据采集中的应用方案设计

一、概述

随着煤矿的大量开采，对井下的各种物理变化要及时进行采集，采集的过程对时钟信号的精度提出了更高的要求。下面就给出了一个井下采集设备和地面设备实现高精度时钟同步的方案。该系统的地面设备使用GPS授时同步，井下设备采用GPS授时服务器通过以太网IEEE1588协议同步，这样就可以把GPS绝对时间导入到井下，实现了井下信号采集系统的时间同步。

二、井下IEEE1588同步

IEEE1588同步协议标准，可以将分散布置在以太网络中独立时钟同步到一个时间主钟上的协议。其主要原理是通过主时钟周期性发送一个同步信号，网络中所有时钟节点接收到时间同步信号后根据延时校正时间，经过多次的信息交换可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步。

IEEE1588同步协议工作原理：

（1）设备接入到以太网网络时，运行最佳主时钟算法，自动选择1台或**1台时钟节点为主时钟，主时钟通过网络广播时间同步信息，与此同时网络中其他的分站发送同步时钟信息给主时钟。

（2）主时钟发送时间同步信号给网络上的其他分站，该信号中包含了发送时刻等信息。当其他分站时钟接收到同步信息时，会记录同步信号到达时间，主时钟间隔固定时间连续发送同步信号。与此同时，每个分站通过处理器计算主时钟发送时刻和接收时刻的时间差，子站通过这个时间差调整时间与主时钟保持同步。一次时间的同步过程不能满足精度的要求。因为这个时间差中包括网络传输延时，而网络的传输延时是不确定的。

（3）为确定网络延时，分站会向主时钟发送网络延时确认信息，并记录信息的发送时刻；主时钟接收分站发来的网络延时确认信息后记录信息的到达时刻，然后将含有到达时刻的信息再次发送给分站，分站解编延时信息，计算得到2个时刻的时间差就是网络的延时时间。分站通过加减网络延时来调整内部时钟。经过多次这个的同步校准过程，主时钟与分站之间时间误差越来越小，直至达到绝对的时间同步。在规定的时间隔内（0.5h），主时钟再次发送同步命令以使网络上的所有分站设备保持时钟同步。

三、工作原理概述

某矿井监测系统使用了IEEE1588同步协议对采集子站同步，由于此系统是在以太网络中随机寻找1台采集分站作为时间同步的主时钟，网络上各分站的同步时间为主时钟分站的时间，该时间为相对时间。因此，需要增加1台GPS授时服务器分站，让系统始终把此分站作为同步的主时钟。

本系统的IEEE1588时间同步模块选用西安同步电子科技有限公司生产的SYN2407型PTP同步时钟授时板卡，GPS模块选用西安同步电子科技有限公司的SYN2302C型GPS授时导航接收机或者直接选用我公司的SYN2401型PTP精密主时钟。地面能接收到卫星的监测分站使用GPS同步，井下不能接收GPS信号，通过在监测主机端配备有GPS时钟信号的主GPS授时服务器，通过IEEE1588同步协议把GPS时间同步给井下监测分站，使得井下监测分站有了GPS的绝对时间。使用SYN2407型PTP同步时钟授时板卡授时，

SYN2407型PTP同步时钟授时板卡

SYN2401型PTP精密主时钟

GPS接收到卫星的标准时间后通过串口和秒脉冲把时间送给SYN2407型PTP同步时钟授时板卡，PTP同步时钟授时板卡根据IEEE1588同步协议，对连接到同一以太网中的从钟进行授时，并最终把主钟的GPS绝对时间同步到井下监测网中。

四、总结

本系统采用地面放置GPS授时服务器，井下放置多台IEEE1588板卡，实现高精度时钟同步系统，为井地联合数据采集提供了精准的时间同步。