NTP网络子钟（子母钟）系统组成详解

NTP网络子钟（子母钟）时钟系统组成详解

概述

时钟系统为全医院提供提供统一的准确时间，其主要作用是为整个医院的工作人员提供准确的时间服务，同时也为计算机系统及呼叫系统、BA系统、手术室控制系统以及其它弱电子系统提供标准的时间源。各办公室内及其它通道内的时钟可以为工作人员提供准确的时间信息；向其它系统提供的时钟信息为整个残联大楼弱电运行提供了标准的时间，保证了整个残联大楼弱电运行的准时、安全。它的主要功能有：

一、时钟系统可以为工作人员提供准确的可视时间信息。

二、时钟系统可以为办公内网，办公外网提供统一的时间，对各部门之间协调统一作业意义重大。

三、时钟还可以为有线电视与卫星接收系统、应急广播及背景音乐系统、机房火灾早期报警系统、视频监控系统、通讯系统、一卡通管理系统、智能化信息发布及显示系统的管理服务器提供网络授时服务。

系统构成:

采用时间接收机接收米国GPS卫星时间和我国北斗卫星时间、NTP时间服务器、显示子钟和以太网络构成，系统采用以太网络传输通道，给大楼的各个重要地方提供时间信息。

因此,在医院内重要区域提供一套可靠、经济和有效，能够提供一个统一的、标准的全楼时间的子母钟系统对本大楼的数字化管理和各部门的统一协调意义重大。

设计指导思想

本时钟系统，并保证在设计中：

1) 认真贯彻执行国家已颁布实施的有关“规范”、“标准”，使设计不偏离规范化和标准化的轨道，从而保证设计的水平和质量。

2) 系统设计应本着“可靠、实用、先进、经济”的原则进行。

3) 在满足功能需求的前提下努力降低工程造价和维护费用。

4) 系统操作简便、可靠，便于扩展和维护，软件具有提升能力。

5) 系统满足现场条件和环境，有较强的抗高温、高湿、台风、电磁干扰能力和防雷、防雨、防尘能力

设计依据

民用建筑电气设计规范 JGJ 16-2008

电气装置安装工程施工及验收规范 GBJ 232-92

国际电气与电子工程师协会（IEEE）相关标准

国际电信联盟 ITU-T ITU-R相关标准

欧广联时间码标准 SMPTE/EUB

国际电子学会（IEC）相关标准

国际标准化组织（ISO）相关标准

电磁兼容标准《工业环境中发射标准》 IEC61000-6-2

电磁兼容标准《工业环境中抗扰度》 IEC61000-6-4

电磁兼容试验和测试技术 GB/T17626-1998

电磁辐射标准EN55022（1994），补充1（1995），A级

中华人民共和国行业标准 QB-1038 1042-91

相关标准以最新版本标准为准。

时钟系统总体结构描述

时钟系统技术背景介绍

时钟通讯技术介绍

时钟的通信方式主要有RS485总线、CAN总线、以太网、光纤通信方式。

 485总线：在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

 CAN总线：CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO118?8）。

 以太网，以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。

 光纤通信，最大的缺点是布线非常麻烦，要现场熔接，但是抗干扰能力，实时性都是最好的。

目前市场上子母钟系统主要采用485总线方式，485总线方式需要单独布线和维护，超过1000米的485总线网络设计复杂后、维护困难。以太网总线方式可以利用现有的办公系统的计算机网络，不需要单独布线。

时间同步协议-NTP时间传输协议

以太网相对来说，延时总是存在，为了解决这个问题，美国特拉华大学的David L. Mills教授开发了NTP网络时间协议。NTP协议（Network Time Protocol）用于互联网中时间同步的标准协议。用途是把计算机的时间同步到标准UTC时间。

NTP协议除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协定。时间服务器（time server）是利用NTP的一种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。在大多数的地方， NTP提供的时间精确度在WAN上为数十毫秒，在LAN上则为亚毫秒级或者更高。在专用的时间服务器上，则精确度更高。

网络时间协议（NTP）的详细说明在RFC-1305[Mills 1992]中。RFC-1305对 NTP协议在事件、状态、转变功能和行为方面给出了明确的说明。它以合适的算法以增强时钟的准确性，并且减轻多个由于同步源而产生的差错，实现了准确性低于毫秒的时间服务，以满足目前因特网中路径量测的需要。

美国国家标准技术研究院（NIST）从90年代初开始，进行Internet网上时间发播服务，至今已经设置了7，8个时间服务专用网站，德国PTB也于去年开通专用授时网站，在网上发播标准时间。目前世界上的授时网站已有100多个。

本公司子母钟系统采用标准的NTP时间同步协议，有效地保证了时钟的精度，误差小于1-50ms。

时钟网络管理协议介绍 - SNMP网络管理协议

简单网络管理协议（SNMP：Simple Network Management Protocol）是由互联网工程任务组（IETF：Internet Engineering Task Force ）定义的一套网络管理协议。该协议基于简单网关监视协议（SGMP：Simple Gateway Monitor Protocol）。利用SNMP，一个管理工作站可以远程管理所有支持这种协议的网络设备，包括监视网络状态、修改网络设备配置、接收网络事件警告等。虽然SNMP开始是面向基于IP的网络管理，是一个工业标准管理系统。

时钟系统利用该协议实现如下功能：

 设定倒计时

 子钟面板发光调匀。

 设定的数码管亮度

 扫描子钟是否掉线

 扫描子钟的显示时间

 修改子钟的IP、网关地址

 修改子钟内部的主、备NTP时间服务器地址

 关闭时钟显示

 时钟软件升级

 调匀称时钟版面的亮度

 子钟的数码管笔端扫描

时钟系统组成：

系统采用集中控制与调整，同步传输分散显示的网络控制方式，由如下部分组成。

1. 信号源：时间信号接收机

2. 母钟：NTP时间服务器

3. 以太网络

4. 子钟

5. 时钟网络管理平台

时间信号接收机接收到GPS、CDMA的时间信息，传送给NTP时间服务器，NTP时间服务器成为系统标准的时间源。

客户端设备通过以太网向NTP时间服务器获取时间，双方采用NTP协议有效地消除了网络引起的时间误差，客户端的时间精度为1-50ms，NTP子钟秒位同步跳动。

GPS接收天线接收到卫星标准时间信号并传送给时间信号接收机，时间信号接收机智能判断识别误码和消除累计误差，通过串口+脉冲的方式把精确的时间信号传送给NTP时间服务器，NTP时间服务器内置高稳OCXO,如GPS信号异常或中断，NTP时间服务器自动切换到依靠OCXO高精度自走时时间，对外授时不中断，当GPS信号恢复时，系统自动切换到GPS当前信号作为标准参考,NTP时间服务器可以通过LED显示时分秒等信息。

时间信号接收机接收到时间信号，传送给NTP时间服务器，NTP时间服务器成为系统标准的时间源，客户端设备通过以太网向NTP时间服务器获取时间，双方采用NTP协议有效地消除了网络引起的时间误差，客户端能达到的精度为1-50ms，从子钟的角度看，是网络中所有NTP子钟秒位同步跳动。

NTP时间服务器可以支持windows操作系统、Linux/UNIX操作系统、SUN SOLARIS操作系统、IBM AIX和嵌入式操作系统。各操作系统均自带时间同步功能，均不需要单独的时间同步软件，特殊用途除外，如：电视台。

时间系统支持主、备时间服务器冗余，主、备时间服务器同时在线工作，备用服务器处于热备份状态，如果主服务器出现故障，客户端自动和备用服务器进行时间同步。如果网络中有第3台时间服务器，可以根据设定，可以和第3台时间服务器进行时间同步。同时对主时间服务器进行时间跟踪，如果主服务器恢复正常，则客户端自动恢复和主服务器进行时间同步。

本连接方式可以通过最简洁，经济的办法实现办公楼内时间同步，如果有点弱电系统比如视频监控、一卡通管理系统、智能化信息发布及显示系统、有线电视与卫星接收系统、应急光比及音乐系统、通讯系统等控制管理计算机

可以通过局域网与NTP时间服务器相连，也可以直接通过网络获取标准时间。

4.子钟系统的网络拓扑图

子钟系统的网络拓扑图

NTP子钟采用计算机局域网组网技术，符合IEEE制定的IEEE 802.3标准以太网的技术标准，内部采用嵌入式网络技术，采用NTP协议和NTP时间服务器进行数据通讯，时间误差小于1-50ms。

采用标准NTP协议，不需要指定NTP时间服务器厂家，子钟可以无缝接入任何厂家的NTP服务器 ，本公司产品可以和目前所有的NTP时间服务器同步，包括进口NTP时间服务器。用户验证办法是，直接同步互联网的时间服务器，可以同步的时间服务器包括：中国、日本、台湾、美国、德国、加拿大等的时间服务器。

子钟可以跨网段访问NTP时间服务器。

5、NTP子母时钟特点：

可靠、实用、先进、经济

可靠：时间源采用接收二个不同来源的时间信号，即GPS时间和电信CDMA，确保时间来源可靠。

实用：采用NTP时间同步协议，子钟时间精度高，可以确保用户的使用。

先进：采用以太网技术，在子钟的领域属国内先进技术。

经济：采用以太网技术，后期维护费用很少，和普通的计算机维护的类似。

 子母钟系统是基于以太网络化模式：指NTP时间服务器 向终端传送时间是网络方式。终端包括：windows服务器、Linux 服务器、UNIX服务器、SUN服务器、PC、和系统内的LED显示子钟。

 子母钟综合布线成本低、调试简单：不需要单独布线，共享计算机局域网，安1个时钟，只需要一个网线连接到最近的网络即可，不需要按顺寻连接，安装100个时钟，也是这样，就像买个电视机，接上闭路电视线就可以了，普通用户轻松搞定。

 子母钟系统主、备同步结构简单：子钟同步切换主备时间服务器，在子钟内部 的同步序列里增加服务器的IP地址即可。

 母钟具有时间补偿功能：通过网络给计算机授时，具有时间补偿算法，保证时间的可靠性。

 子钟支持正计时、倒计时显示，设定简单：平台软件设定倒计时时间，子钟立刻转入倒计时，倒计时的设定由计算机进行设定。

 子钟采用恒流驱动：避免出现市面上常见的数码管经常“缺笔”、和长时间运行设备过热，发烫的现象

 子钟自守时功能强：母钟出现故障后，子钟可以自走时，自走时误差不超过0.3秒/天。

 子钟后期维护成本低：不需要建立单独的子钟通讯链路，后期在时钟链路的维护费用几乎没有。不需要单独的检修人员，无单独时钟的后期网络维护费用。

 子钟管理快速准确：子钟管理支持SNMP协议，可以嵌入到用户的管理平台，本公司管理软件，只需10秒就可以扫描200台子钟的运行状态和故障，显示时间等管理信息，设定走时模式。如：正计时、倒计时、实现对子钟的关闭、打开和时间设置等功能等。

 子钟检修简单：检修子钟的办法和检修计算机类似，只需要一个网络命令即可：ping 192.168.1.xx，如果可以通讯，表示母钟正常。如果不能通讯，更换备件。普通的网络工程师看10分钟说明书，就可以维护时钟 系统，在数分钟内就可以判断1个子钟情况的状态，是正常的，还是坏掉了；

 子钟亮度随室内环境的光线强弱自动变化。（选配光感服务器）

 子钟有超薄型：厚度仅为3cm,属于国内最薄的子钟。

 子钟秒位完全同步跳动：标准NTP协议：子钟采用标准NTP协议和母钟通讯,验证办法是：子钟同步互联网NTP时间服务器,时间误差不超过1-30毫秒，运行的子钟秒位完全同步跳动。

 子钟节能环保：时钟功耗不超过10W，如黑夜不需要显示，可远程黑屏，黑屏后系统处于等待唤醒功能，系统功耗小于2w。

 子、母时钟均可以在线软件升级，不需要到子钟现场重新写入时钟软件。

 子钟兼容性能好：子钟采用标准NTP协议，不需要指定NTP母钟厂家，子钟可以无缝接入任何厂家的NTP服务器 ，本公司产品可以和目前所有的NTP时间服务器同步，包括进口NTP时间服务器。用户验证办法是，直接同步互联网的时间服务器，可以同步的时间服务器包括：中国、日本、台湾、美国、德国、加拿大等的时间服务器。

 大型子母钟系统首选：NTP子钟是跨区域系统的首选，只要有一个计算机网络，可在一个时间源的情况下，跨省市同步显示，秒位完全同步跳动 ，特别适合电力、电信、石油、铁路、高铁等大型工程配套。

6、主要设备简介

时间信号接收机

时间信号接收机分为：米国GPS卫星信号接收机、中国北斗卫星信号接收机。上述信号源均可以作为整个大楼的时钟源，同时可以互为备份，如时间接收采用米国的GPS卫星信号信号，备份。

目前采用比较多的是GPS卫星接收机。GPS卫星接收机由三部分组成，接收天线、避雷装置接收主机构成：

采用接收机接收信号，再将收到的时间信号和脉冲信号传送给NTP时间服务器，该方式优于将NTP时间服务器集成GPS接收一体的方案，架设GPS接收天线的位置可以不受NTP时间服务器的位置的限制，可以选择一个更好的接收位置，避开干扰信号和避雷。

接收GPS信号时，周围环境可能存在干扰，要解决这个问题就需要移动GPS接收头的接收位置，就需要延长GPS接收天线，但是问题是：1：天线太长，导致接收信号衰减。2：可选安装点少，一般安装在楼顶，容易被雷击。3：50米天线价格很高，初次投入及后期被雷打坏后成本较高