一种时间统一控制显示系统的设计方法

    摘要：一种时间统一控制显示系统的设计方法，给出了详细的系统的构成及其功能，并描述了系统中的关键技术。该系统已经应用于航天发射任务中，取得了很好的效果。

    关键词：时间统一控制显示 时间服务器 显示终端 远程时间客户机 控制分路器

目前，在航天发射等综合性任务中，对时间信息要求十分苛刻，误差只能在毫秒级。但是参加任务的各分系统地域分布广，相互之间距离较远，时间信息传输延迟大，特别是在有些任务中，时间信息发布系统是由多个时间信息发布子系统组成，随着任务重点在任务的各个时间发布子系统中转移，时间信息发布点也随之在各个时间信息发布子系统中转移。由于在任务中可能会遇到各种诸如提前、推迟等情况，任务实施时间、准备时间等时间信息在每一个时刻都可能发生改变，任务实时性要求时间信息发布系统必须将当前时间信息的改变实时地发送到各个分系统中，这给任务过程中的时间信息统一带来了很大的困难。针对这种情况设计了一种时间统一控制显示系统，该系统主要解决了如下问题：

（1）由通信控制处理器仲裁系统中多个时间发布子系统的主从关系，保证系统中各类时间高度统一；

（2）通过时间延迟环路测试、加一秒技术和链路交换技术解决了系统延时；

（3）实现了系统内的各时间发布子系统既可以在本地时间服务器的控制下单独工作，也可以在通信控制处理器的仲裁下以主从服务器的方式进行工作；

（4）保证输出信息的格式、标准一致，便于系统的扩展。

1 系统设计

1.1 系统构成

时间统一控制系统是由两个时间发布子系统构成的，该系统可以扩展为由多个时间发布子系统构成，每个时间发布子系统组成结构及功能基本相同。其逻辑如图1所示。

系统有主从和独立两种工作状态。独立工作状态下，各时间发布子系统间无联系，在各自的时间服务器控制下单独工作；在主从工作状态下，全系统在一个时刻只有一台时间发布子系统的时间服务器作为主时间服务器，负责产生并向全系统发布各类时间信息，时间服务器系统的主从状态由通信控制处理器依据任务时段和预案要求进行仲裁。

1.2 时间服务器

时间服务器是由一台微机和数块功能插件板组成，其功能是生成各类时间信息和显示控制信息，其组成如图2所示。

组成时间服务器的各部分分别为：

时统解码单元：时统接收天文台发布的标准北京时间生成AC码和DC码发送到系统中的时间服务器和远程时间客户机，时间服务器通过时统解码板，对时统发送来的AC码和DC码进行解码，得到当前的北京时间，并以此作为各类时间信息的生成依据。

用户处理控制：当任务状态发生改变时，时间服务器接收用户的输入信息，并根据当前已经确立的北京时间、任务预计开始时间等时间信息，生成相关各类时间信息和控制信息。各类时间信息主要包括准备时间、累计推迟时间、实施时间、窗口时间等。

中断控制处理：负责接收外部发送来的任务开始实施的中断信息，生成任务开始时间并启动任务实施时间。

通讯规程控制：将生成的时间信息和控制信息转化为符合协议的报文，并将该报文发送到通讯控制分路器和远程时间客户机。同时还接收从通讯控制分路器发送来的仲裁信息，设置时间服务器的主从工作状态。

网络处理单元：将生成的时间信息和控制信息转化为标准的TCP/IP协议的报文，并将产生的报文发送到本地内部网络。由于网络中报文发送实时性差，此方法只作为一种备用手段。

1.3 通信控制处理器

通讯控制分路器完成信息转发控制、主从机仲裁、主从状态识别等功能。它是由一台微机和数块微机插件板组成，其组成如图3所示。

组成通讯控制处理器的各部分分别为：

用户处理控制：用来进行时间服务器的主从状态设置，系统中主从服务器的仲裁主要是由系统自动判决，但保留有一套备用的人工操作界面，以增强系统的可靠性。

主从仲裁控制：通讯控制处理器根据用户输入或者仲裁数据库的信息，判断主从服务器的状态，并向主从服务器及客户机发送仲裁结果。

通讯控制单元：负责系统中服务器之间以及服务器与客户端之间通信的集中控制，建立主时间服务器到从时间服务器和远程时间客户之间链路通路，实现时间信息和控制信息的发送；负责接收时间服务器发送来的请求主从仲裁信息，并将判决结果发送到时间服务器；响应远程时间客户机发送来的环路测试信息，判断线路时延。

1.4 远程时间客户机

远程时间客户机为一单片机系统，其组成如图4所示，完成对时间服务器系统各类信息的解释及分发，承担对各类显示终端进行直接控制的任务。在独立工作状态下，远程时间客户机可实现时间服务器的时间信息产生功能。远程时间客户机系统可以进行线路延时的测定与调整。

组成远程时间客户机的各部分分别为：

同步控制处理：接收从时统发送来的B码终端信息，并以此触发时间信息的发布。这里所发布的时间信息是主时间服务器发送来的时间信息经过远程时间客户机进行延时校正后产生的时间信息。对于与通信控制处理器仅有单向通信的远程时间客户机系统，可由所收到的时间信息帧中的北京时间与本地时统之间的差值来计算生成线路延时，用以调整终端显示；对于有双向通信的远程系统可通过线路闭环来获得线路延时的数值。

用户处理控制：远程时间客户机具有方便的用户控制面板，具有时间信息的预置以及线路延时测定的调整等功能。

终端显示控制：负责向显示终端发送点阵标题和各类时间内容的报文信息，并根据用户的控制或控制报文信息实时向终端发送控制命令，控制终端的显示内容和显示方式。

通讯规程控制：接收主时间服务器发送来的时间报文信息，建立主时间服务器到远程终端之间的链路通路，实现时间信息和控制信息的发送。

1.5 显示终端

显示终端由点阵、数码管和通讯规程板等组成，如图5所示，主要完成各类时间的显示，根据用户或服务器发送的控制信息切换显示的时间内容和显示格式，当接收不到时间数据时进行自动守时。

用户控制处理：接收用户通过遥控器对显示终端发送的控制信息，改变显示时间的类别和显示格式。

报文理解单元：根据当前各类时间的状态，对各类时间信息进行处理后生成下一时刻的时间信息，当下一时刻的时间报文标志头到达到显示处理后的时间。根据内部时间判别线路状态，当接收不到数据时，终端自动守时，并根据守时结果产生各类时间进行显示。

时间处理控制：将处理后的时间数据通过显示电路在数码管上显示出来。

点阵显示控制：根据要显示的时间类别，从字库中读出显示时间标题的点阵字模，显示时间标题。

通讯规程控制：接收主时间服务器发送来的时间报文信息。

2 关键技术

2.1 时间关系运算及时间变化关系模型

依据北京时间、时间信息设定值和时间信息控制值来计算生成系统中所需要的各类时间信息，并在任务中根据推迟、提前等实际情况，依据各类时间的变化关系对系统中各类时间进行计算。部分时间信息的生成，如倒计时间、预计发射时间和累计推迟时间等，需要根据实际情况进行人工干预。几个主要时间的关系如图6所示。

2.2 时间延迟处理

信息传输、接收、转发、计算等过程中的各种延迟，不可避免的影响信息显示的同步性，为消除这种影响，系统采用了下面几种处理方法：

（1）链路交换技术：时间服务器上产生的各类时间信息在发送到终端的过程中，需要经过通信控制处理器、远程时间客户机等环节，传统的处理方法是在上一环节接收到报文后转发到下一环节，这种接收转发机制带来了较大的时间延时。为解决这个问题采用链路交换技术，在各个环节由通信控制处理器或远程时间客户机根据当前状态选择控制报文传输通路，将时间服务器发送来的各类时间信息不经过转发直接发送到终端进行显示。

（2）加一秒技术：通常终端是在接收到当前的各类时间信息后再进行显示，这就不可避免地增加了因为数据接收带来的延时。为避免数据接收带来的时间延时，当接收到时间信息报文后，根据当前各尖时间的状态，对各类时间进行处理生成下一时刻的各类时间，而后用本地时统的下一时刻秒标信息或者下一信息帧的标头触发显示。

（3）线路延时补偿：在远程时间客户机上采用时间补偿方式解决远程线路传输带来的延时。具体方法是在客户机与时间服务器之间进行多次闭环传输，计算测定各个远程客户机与时间服务之间的线路延时，进行时间延时补偿。

2.3 系统工作方式

整个系统工作有如下三种状态：

（1）自检状态，在系统预先设备各类时间信息，由程序控制、模拟任务的各种状态，进行系统自检。

（2）内控状态，即本地工作状态，各时间发布子系统相互独立，在各自时间服务器的控制下，进行各类时间信息和控制信息的产生与发布。

（3）外控状态，即主从状态，时间系统在一个时刻只有一台时间发布子系统的时间服务器产生并向整个系统发送各类时间信息和控制信息，其它时间服务器以从服务器的工作方式接收主服务器发送的各类信息。时间服务器之间的主从状态切换是由通讯控制处理器控制的，通讯控制处理器接收主从服务器的促裁请求，或根据外部人工输入的信息，查找仲裁数据库的信息，仲裁时间服务器的主从状态，并将仲裁结果发送到时间服务器及客户机，同时改变系统中链路的通路。