一种用于磁选态铯原子钟的状态监测及故障诊断系统

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种。本发明属于磁选态铯原子钟领域，特别是涉及铯原子钟在运行过程当中状态监测和潜在故障诊断，对铯原子质量和寿命的评估具有重要意义。

背景技术

磁选态铯原子钟作为一级频标，具有准确度高、稳定度好、无漂移的特点，因此被广泛用于国防、电力系统、时频基站、计量院、授时中心等守时、授时领域。但在磁选态铯原子研制过程当中，存在铯束管伺服参数众多、电路结构复杂等问题，为了让开发人员及用户直观且及时了解铯原子钟内部参数变化、实时对铯原子钟进行指令控制、预计铯钟寿命、判读故障和完成对铯原子钟运行监测的无人值守，因此开发状态监测及故障诊断系统具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于磁选态铯原子钟的状态监测及故障诊断系统，目的在于对铯原子锁定和运行过程进行状态控制、状态监测、故障诊断和运行过程中的无人值守，该系统具有开发周期短、安全性和可靠性高等特点，能够指导铯钟研发、生产、交付和使用。

一种用于磁选态铯原子钟的状态监测及故障诊断系统，包括磁选态铯原子钟、多功能显示屏、标频模块、协处理模块、状态监测及故障诊断模块；

所述磁选态铯原子钟输出内部参数和10M Hz信号；

所述标频模块基于磁选态铯原子钟输出的10M Hz信号，产生1PPS信号并输出；接收经由协处理模块转发的状态监测及故障诊断模块发送的指令，根据指令完成1PPS信号的脉宽调整或相对相位调整，并将自身状态参数经由协处理模块上报至状态监测及故障诊断模块；

所述协处理模块用于将铯钟内部参数和标频模块的状态参数转换发送至状态监测及故障诊断软件，将铯钟内部参数转发给多功能显示屏；将所述标频模块输出的1PPS信号作为Unix时间跳秒驱动，并在多功能显示屏上显示Unix时间；

所述多功能显示屏包括数码管、LCD屏、U盘插拔模块；数码管用于显示Unix时间；LCD屏用于显示铯原子钟内部参数；U盘插拔模块用于铯钟内部参数的读写；

所述状态监测及故障诊断模块，用于实现包括铯原子钟内部参数实时显示、曲线绘制、参数阈值告警、数据存储、故障预判的功能；通过兼容新国标协议和SCPI指令集完成对铯原子钟的状态查询及应答；还用于设置Unix时间，并在数码管显示Unix时间；还用于10MHz信号调频、标频模块1PPS脉宽设置和相对相位调整；还根据铯原子钟状态进行故障诊断，并基于Unix时间记录铯原子钟发生故障时间点。

进一步的，所述协处理模块包括串口扩展芯片16C854和数字信号处理电路，串口扩展芯片16C854用于扩展串口实现与多功能显示屏、标频模块的通信和U盘的读写，数字信号处理电路用于数据信号处理、SCPI指令集解析，状态监测及故障诊断模块其它指令解析以及铯原子钟内部参数的转发。

进一步的，所述串口扩展芯片16C854实现4串口UartA、UartB、UartC、UartD的扩展；UartA实现与磁选态铯原子钟的通信；UartB实现与标频模块的通信；UartC实现铯原子钟内部参数U盘的读写、UartD作为备份串口使用。

进一步的，状态监测及故障诊断模块包括有界面层、业务层、协议层和接口层；界面层包括有用户界面模块和用户命令解析模块，用户界面模块包括用户登录界面、用户关键信息展示界面、配置管理界面和曲线绘制界面，在内部通过每个界面的按钮实现命令解析；

业务层包括命令调度模块、配置管理模块、业务管理模块和查询管理模块，通过界面层下达的指令来实现相应的业务操作；命令调度模块主要实现铯钟监控软件的数据采集、显示、存储和曲线绘制的多线程的合理分配；配置管理模块实现铯钟的同步、脉宽设置以及相应参数配置的功能；业务管理模块实现铯钟命令设置、状态查询、参数告警、曲线绘制和数据存储的管理；查询管理模块实现铯钟状态查询；

协议层包括配置协议模块、管理协议模块和查询协议模块，是业务层的功能模块产生与铯钟设备交互的一种通信协议；配置协议有串口的配置、铯原子钟编号的配置；查询模块有铯原子钟内部物理量参数的查询和铯钟产生的1PPS相应状态的查询；

接口层包括通信模块和数据接口模块，协议层所产生的通信协议都需通过接口层的下发和上传才能完成与铯钟的交互。通信模块由RS232串口、串口端口号、波特率、起始位、停止位、数据位和校验位组成；数据接口模块由串口底层驱动读写函数组成。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种用于磁选态铯原子钟的状态监测及故障诊断系统，通过设计协处理模块、标频模块、多功能显示屏和上位机状态监测及故障诊断软件，实现磁选态铯原子钟的内部参数信号处理、故障点Unix时间戳显示、参数屏幕显示、状态监测、可视化界面曲线绘制、SCPI指令集的控制和故障诊断等功能，达到了状态监测实时性和故障诊断准确性的要求。该系统在磁选态铯原子钟生产、交付、维护等阶段具有重大意义。

附图说明

图1为磁选态铯原子钟状态监测及故障诊断系统框图；

图2为协处理模块框架；

图3为状态监测及故障诊断软件总体架构。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种用于磁选态铯原子钟的状态监测及故障诊断系统，包括磁选态铯原子钟、多功能显示屏、标频模块、协处理模块、状态监测及故障诊断软件。

所述磁选态铯原子钟包括有内部参数输出和稳定10M Hz信号输出，铯原子钟内部参数发送至协处理模块，10M Hz信号输入至标频模块再输出高精准1PPS信号，上位机状态监测及故障诊断软件完成对铯原子钟的状态监测及故障诊断，实现磁选态铯原子运行的无人值守；在铯钟运行过程当中需要根据用户需求通过上位机来实现10M Hz信号的调频和1PPS脉宽设置、相位调整；通过上位机设置Unix时间可显示在多功能显示屏，方便用户观察铯原子钟的时间，通过标频模块输出信号1PPS为驱动来进实现Unix时间的跳秒；铯钟在发生故障时上位机通过Unix时间判断故障发生时间点，实现故障告警的精确性和实时性；在铯原子钟运行过程中可以将铯钟内部伺服物理量存储至U盘，方便开发人员和用户后续数据分析。

所述多功能显示屏包括数码管、LCD屏、U盘插拔模块；数码管用于Unix时间显示，Unix时间方便铯原子钟发生故障时间点记录；LCD屏实现铯原子钟参数显示，对一些简单参数用户可以直接观察；U盘插拔模块用于铯钟内部伺服物理量参数读写，方便开发人员和用户后续数据分析。

所述标频模块，输入为铯原子钟10M频率作为驱动时钟，实现10M和1PPS信号输出，1PPS作为Unix时间跳秒驱动，当上位机经由协处理模块发送指令，根据指令完成1PPS脉宽调整和相对相位调整，并上报状态至协处理模块。

所述协处理模块，主要用于将铯钟内部参数和标频模块参数监测转换发送至上位机状态监测及故障诊断软件，协处理模块包括串口扩展芯片16C854和数字信号处理电路，串口扩展芯片16C854用于扩展串口实现与多功能显示屏、标频模块的通信和U盘的读写，数字信号处理电路用于数据信号处理、SCPI指令集解析，上位机其它指令解析以及铯原子钟内部参数的转发。

所述状态监测及故障诊断软件，实现磁选态铯原子钟状态监测及故障诊断，实现铯原子钟内部参数实时显示、曲线绘制、参数阈值告警、数据存储、故障预判等功能。通过兼容新国标协议和SCPI指令集完成对铯原子钟的状态查询及应答，通过上位机实现铯原子钟Unix时间设置、铯原子钟10M信号调频、标频模块1PPS脉宽设置和相位调整。

图1显示磁选态铯原子钟状态监测及故障诊断系统框图，包括有磁选态铯原子钟、多功能显示屏、标频模块、协处理模块、上位机状态监测及故障诊断软件。

通过铯原子钟将其内部伺服物理量参数发送至协处理模块，协处理模块进行解析发送给多功能显示屏和上位机状态监测及故障诊断软件。上位机进行参数实时更新、曲线绘制、参数阈值告警和故障诊断，当发生故障时可记录故障Unix时间点，实现故障告警的实时性和准确性。多功能显示屏实现铯原子钟简单参数的显示，方便用户直接观察。协处理模块通过上位机设置Unix时间，发送至多功能显示屏数码管显示，并且以1PPS作为驱动来实现多功能显示屏Unix时间跳秒。上位机可通过SCPI指令集和新国标协议发送指令给协处理模块，协处理模块进行解析将其指令发送给铯原子钟进行调频和标频模块进行1PPS脉宽、相位调整。

通过以上方案可完成磁选态铯原子钟在运行过程当中的状态监测、功能控制、故障告警，并且在故障告警时通过Unix时间戳来达到系统的实时性和准确性。

图2显示协处理模块框架，数字信号处理电路通过数据总线和地址总线进行数字信号处理，并完成对串口扩展芯片进行读写的控制，串口扩展芯片16C854实现4串口UartA、UartB、UartC、UartD的扩展。UartA实现与磁选态铯原子钟的通信，主要实现铯钟内部参数采集并上发至多功能显示屏和上位机，并接收上位机发送的Unix时间设置、10M信号调频、1PPS信号宽度设置、1PPS信号相对相位调整指令；UartB实现与标频模块的通信，协处理器接收到PPS脉宽设置和1PPS相对相位设置指令发送给标频模块；UartC实现铯原子钟内部参数U盘的读写、UartD作为备份串口使用。

图3显示PC端状态监测及故障诊断软件总体架构，状态监测及故障诊断软件包括有界面层、业务层、协议层和接口层。界面层包括有用户界面模块和用户命令解析模块，用户界面模块主要由用户登录界面、用户关键信息展示界面、配置管理界面和曲线绘制界面组成，在软件内部通过每个界面的按钮实现命令解析。

业务层包括命令调度模块、配置管理模块、业务管理模块和查询管理模块，通过界面层下达的指令来实现相应的业务操作。命令调度模块主要实现铯钟监控软件的数据采集、显示、存储和曲线绘制的多线程的合理分配；配置管理模块实现铯钟的同步、脉宽设置以及相应参数配置的功能；业务管理模块实现铯钟命令设置、状态查询、参数告警、曲线绘制和数据存储的管理；查询管理模块实现铯钟状态查询。

协议层包括配置协议模块、管理协议模块和查询协议模块，是业务层的功能模块产生与铯钟设备交互的一种通信协议。配置协议有串口的配置、铯原子钟编号的配置；查询模块有铯原子钟内部物理量参数的查询和铯钟产生的1PPS相应状态的查询。

接口层包括通信模块和数据接口模块，协议层所产生的通信协议都需通过接口层的下发和上传才能完成与铯钟的交互。通信模块由RS232串口、串口端口号、波特率、起始位、停止位、数据位和校验位组成；数据接口模块由串口底层驱动读写函数组成。

通过以上模块设计能够实现磁选态铯原子钟运行过程的状态实时监测及故障准确诊断，并达到铯钟运行过程中的无人值守。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。