Metrologiczne systemy KenBIT dla armii i nauki. NCBiR wspiera projekt

Konkurs „Innowacje dla Sił Zbrojnych RP” jest organizowany przez Inspektorat Implementacji Innowacyjnych Technologii Obronnych pod patronatem honorowym Ministra Obrony Narodowej Antoniego Macierewicza. Natomiast Komitetowi Honorowemu przedsięwzięcia przewodniczy sekretarz stanu w MON Bartosz Kownacki.

Zgodnie z regulaminem w konkursie „mogą wziąć udział podmioty gospodarcze, instytucje naukowo-badawcze i edukacyjne, zarejestrowane i mające siedzibę w Polsce oraz osoby fizyczne posiadające obywatelstwo polskie”. Jest zasadą, że zgłaszane są rozwiązania, które można zastosować i wykorzystywać w Siłach Zbrojnych RP.

Firma KenBIT zgłosiła do konkursu (w kategorii „Prototyp/wyrób gotowy”) „Wielofunkcyjny system pomiarowy do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości” (WSPMCC). Został on opracowany przez konsorcjum zadaniowe w składzie KenBIT i Wojskowa Akademia Techniczna w ramach pracy badawczo-rozwojowej zleconej przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Założono, że głównym obszarem zastosowań systemu mają być laboratoria odpowiedzialne za dystrybucję i wytwarzanie wzorcowych sygnałów czasu oraz częstotliwości. Każde z urządzeń wchodzących w skład WSPMCC może pracować niezależnie. Dzięki temu mogą one być stosowane w różnych obszarach nauki, jak geodezja, fizyka jądrowa, astronomia oraz telekomunikacja, nawigacja satelitarna, optoelektronika, przemysł komputerowy. Należy zwrócić również uwagę na możliwość wykorzystania WSPMCC w systemach obrony przeciwrakietowej, do synchronizacji czasu systemów radarowych i stanowisk rakietowych.

Zainteresowanie tym rozwiązaniem wyrażają specjaliści z różnych ośrodków. System WSPMCC był już prezentowany na ośmiu wystawach tematycznych (w tym na dwóch najbardziej prestiżowych na świecie w dziedzinie metrologii czasu i częstotliwości: Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting i European Frequency and Time Forum) oraz na szóstych Międzynarodowych Wystawach Wynalazków, gdzie zdobył w sumie sześć medali, nagrodę specjalną oraz wyróżnienie.

Dodatkowo w ramach prac nad systemem WSPMCC opracowano jedenaście publikacji w renomowanych czasopismach (w tym trzy artykuły w magazynach naukowych z listy filadelfijskiej) oraz wygłoszono czternaście referatów na konferencjach i seminariach. Zgłoszono również cztery wspólnotowe wzory użytkowe, dzięki czemu zarówno cały system, jak i poszczególne przyrządy zostały objęte ochroną prawa własności przemysłowej.

WSPMCC to nie jest tylko rozwiązanie czysto teoretyczne, ale system gotowy do wdrożenia, zweryfikowany eksperymentalnie, z wynikami badań oraz budową opisanymi w licznych raportach badawczych oraz instrukcjach użytkownika i programisty. Jest to również rozwiązanie praktycznie wykorzystywane. Prototypowy egzemplarz licznika MTC 108 znalazł już zastosowanie w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym – afiliowanym przy Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN, a jeden z egzemplarzy został zakupiony przez Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie.

„Wielofunkcyjny system pomiarowy do precyzyjnej metrologii czasu i częstotliwości” to przykład produktu będącego wynikiem prac badawczo rozwojowych KenBIT, który był realizowany we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną i współfinansowany ze środków unijnych. WSPMCC to kolejny obok m.in. Systemu Sygnalizacji Opromieniowania Laserowego produkt firmy KenBIT, będący wynikiem współpracy z uczelnią wyższą, który został wdrożony do produkcji i wprowadzony na rynek.

Jakie są zastosowania systemu metrologii czasu i częstotliwości zgłoszonego przez KenBIT?

System WSPMCC pozwala przede wszystkim na:

• jednoczesne wysokorozdzielcze pomiary odcinków czasu pomiędzy sygnałami z wielu źródeł;
• precyzyjne pomiary częstotliwości;
• określenie stabilności źródeł częstotliwości, w szczególności atomowych źródeł referencyjnych;
• wytwarzanie wzorcowych odcinków czasu w szerokim zakresie;
• dystrybucję wzorcowych sygnałów czasu i częstotliwości, elektrycznych i optycznych, do wielu odbiorników.

System WSPMCC składa się z trzech podstawowych, oddzielnych bloków, zunifikowanych wzorniczo i funkcjonalnie (umieszczono je w obudowie Rack 19” 3U). Zawierają one:

• ośmiokanałowy licznik czasu i częstotliwości MTC 108;
• generator odcinków czasu i częstotliwości TIG 101;
• rozdzielacz sygnałów elektrycznych/optycznych PDA 0816.

Licznik czasu i częstotliwości MTC 108

Ośmiokanałowy licznik czasu i częstotliwości MTC 108 został wykonany jako autonomiczny przyrząd pomiarowy. W przypadku pomiaru czasu pozwala on na jednoczesne określenie relacji czasowych pomiędzy sygnałami dołączonymi do ośmiu wejść pomiarowych. Te relacje czasowe mogą być określane pomiędzy siedmioma parami dowolnie wybranych sygnałów, a także pomiędzy siedmioma sygnałami z różnych źródeł i wspólnym sygnałem referencyjnym.

Wszystko to jest realizowane z wysoką rozdzielczością i precyzją oraz szerokim zakresem pomiarowym. Według twórców systemu pomiary odcinków czasu są realizowane w zakresie pomiarowym większym niż jedna godzina, z precyzją mniejszą niż 4,5 ps i szybkością powtarzania pomiarów do 91 mln pomiarów/s w ośmiu niezależnych kanałach pomiarowych.

Konstruktorzy wyposażyli przy tym przyrząd we własny, wysokiej jakości oscylator kwarcowy. Zapewnili też możliwość wykorzystania źródła zewnętrznego sygnału zegarowego, którego częstotliwość wynosi 10 MHz, w tym wzorca atomowego charakteryzującego się większą stabilnością.

Całość jest skonstruowana z myślą o ułatwieniu pracy operatora. Urządzenie posiada bowiem własny układ automatycznej kalibracji, pozwalający na dokonywanie dokładnych pomiarów tuż po uruchomieniu przyrządu, oraz ergonomiczny wyświetlacz ciekłokrystaliczny, na którym obrazowane są na bieżąco wyniki pomiarów, aktualne informacje dotyczące konfiguracji torów wejściowych przyrządu i parametry sesji pomiarowej.

Do określania nastaw i ich zmieniania zastosowano uniwersalną, silikonową klawiaturę numeryczną, dwudziestoczteropozycyjne pokrętło nastawcze oraz dodatkowe przyciski funkcyjne. System jest wyposażony dodatkowo w interfejs USB 2.0 Hi-Speed, który pozwala na sterowanie urządzeniem bezpośrednio z komputera.

Pomiary częstotliwości są również wykonywane w bardzo szerokim zakresie (od 100 MHz do 3.5 GHz) i z dużą rozdzielczością (12 cyfr znaczących). W tym celu użyto m.in. scalonego dzielnika częstotliwości, z którego sygnał jest kształtowany przy użyciu szybkiego komparatora, podobnie jak w pozostałych torach wejściowych.

Funkcjonalność licznika MTC 108 zwiększają dodatkowo tryby pomiaru stabilności krótkookresowej źródeł sygnałów zegarowych (dewiacja Allana) i szacowania jakości tych sygnałów (poprzez pomiar błędu przedziału czasu i dewiacji czasu).

Precyzyjny generator odcinków czasu TIG 101

Precyzyjny generator odcinków czasu TIG 101 został również wykonany jako autonomiczny przyrząd pomiarowy w obudowie Rack 19” 2U. Generator ten charakteryzuje się (dzięki zastosowaniu nowatorskiej metody wytwarzania precyzyjnych odcinków czasu) małą wartością rozmycia czasowego (poniżej 5 ps) oraz szerokim zakresem wytwarzanych odcinków czasu (od 100 ns do 10 s). Generowane odcinki czasu stanowią przedziały czasowe pomiędzy wybranymi aktywnymi zboczami pary impulsów wyprowadzonych.

Generator ten, oprócz wytwarzania precyzyjnych odcinków czasu, pozwala również na generowanie fali prostokątnej o częstotliwości od 0,1 Hz do 50 MHz. Przyrząd posiada wbudowany termostatowany generator kwarcowy, wytwarzający referencyjne sygnały zegarowe. Możliwe jest użycie zewnętrznego źródła sygnałów zegarowych (sygnał o częstotliwości 10 MHz) o większej stabilności np. wzorca częstotliwości.

TIG 101 jest wyposażony w lokalny interfejs graficzny. Wszystkie zmiany ustawień, wprowadzanych przez użytkownika, są odpowiednio obrazowane na kolorowym wyświetlaczu LCD (pokazywane są na nim aktualne informacje dotyczące konfiguracji torów wyjściowych przyrządu i parametrów generowanych impulsów). I w tym przypadku do określania nastaw i ich zmieniania zastosowano uniwersalną silikonową klawiaturę numeryczną i 24‑pozycyjne pokrętło nastawcze oraz dodatkowe przyciski funkcyjne. Wbudowane interfejsy komunikacyjne pozwalają na sterownie zdalne poprzez USB lub na większe odległości – poprzez Ethernet.

Dla zapewnienia wygody użytkownika przygotowany został dedykowany zdalny interfejs graficzny, którym jest strona WWW udostępniana przez realizowany w mikrokontrolerze serwer http. Pozwala ona, w sposób analogiczny jak przy pomocy interfejsu lokalnego, na wybór trybu pracy oraz deklarację parametrów sygnałów wyjściowych generatora. Graficzny interfejs w postaci strony WWW został napisany w języku wysokopoziomowym (Java), interpretowanym przez przeglądarkę. 

Rozdzielacz sygnałów elektrycznych/optycznych PDA 0816.

Ostatnim elementem wchodzącym w skład WSPMCC jest rozdzielacz PDA 0816, który podobnie jak precyzyjny generator odcinków czasu TIG 101 i licznik czasu i częstotliwości MTC 108 został również wykonany jako autonomiczny przyrząd w obudowie Rack 19” 2U. PDA 0816 pozwala na dystrybuowanie sygnałów (wytworzonych w systemie lub/i pochodzących z innych źródeł) w postaci elektrycznej lub optycznej, jednocześnie do 16 odbiorników – bez pogorszenia parametrów sygnału.

W tym celu urządzenie ma siedem wejść dla sygnałów elektrycznych i jedno dla sygnału optycznego oraz czternaście wyjść dla sygnałów elektrycznych i dwa dla sygnałów optycznych. Dla każdego z wejść elektrycznych dostępny jest wybór progu dyskryminacji sygnału wejściowego.

Dystrybutor wyposażony jest w przyjazny dla użytkownika lokalny interfejs w postaci klawiatury i wyświetlacza LCD (800 x 640 punktów, w trybie koloru 16‑bitów na punkt). Wbudowane interfejsy komunikacyjne pozwalają również na sterownie zdalne poprzez USB lub Ethernet. I w tym przypadku pomocą może być strona WWW udostępniana przez realizowany w mikrokontrolerze serwer http.

Artykuł opracowano na bazie materiałów firmy KenBIT.