基于GPS的時標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)方法探究

1、基于GPS的時標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)方法探究             摘要：介紹一種利用全球定位系統(tǒng)（GPS）并輔以復(fù)雜可編程邏輯器件，給高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)帖上精確時間標(biāo)簽的方法。該方法顯著地提高了時間標(biāo)簽的精度和可靠性。利用MAX PLUS II開發(fā)環(huán)境驗證了設(shè)計方案的正確性。此設(shè)計方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到自行設(shè)計的高速數(shù)據(jù)采集卡中。 關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)（GPS） 復(fù)雜可編程邏輯器件 時間標(biāo)簽 ADuC812基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的雙端行波故障定位系統(tǒng)是利用行波的第一個波頭

2、到達(dá)線路兩端的時間差來計算故障點的位置的。由于行波的傳播速度非?？?約為光速的98)，因此對行波波頭到達(dá)線路兩端時刻的時間精度要求非常高。在現(xiàn)場運(yùn)行中，由于衛(wèi)星信號調(diào)整、天線干擾以及GPS接收系統(tǒng)故障等原因，使得GPS接收系統(tǒng)可能在短時間內(nèi)失步。這時不同廠站間GPS接收器發(fā)出的秒脈沖之間的相對誤差可能達(dá)到幾百s。再者，相對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，單片機(jī)對時間的分辨能力很低，而且單片機(jī)不能直接得到故障發(fā)生時對應(yīng)于靜態(tài)存儲器(SRAM)的確切地址。這兩方面的因素都會大大降低時間標(biāo)簽的精度和可靠性，直接影響故障測距的精度，甚至導(dǎo)致定位失敗。針對上述問題，對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中精確時標(biāo)的實現(xiàn)方法進(jìn)行了探

3、討。1 全球定位系統(tǒng)GPS是美國于1993年全面建成并運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中主要是利用GPS的精確授時特點。GPS接收器在任意時刻能同時接收其視野范圍內(nèi)4-8顆衛(wèi)星信號，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件通過對接收到的信號進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出兩種時間信號：(1)時間間隔為1s的脈沖信號PPS，其脈沖前沿與國際標(biāo)準(zhǔn)時間(格林威治時間)的同步誤差不超過1s；(2)經(jīng)串行口輸出的與PPS脈沖前沿對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)時間和日期代碼。若以PPS信號作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各時鐘，則能保證各廠站時鐘的高精確度同步運(yùn)行。2 ADuC812ADuC812芯片是美國AD公司推出的微

4、轉(zhuǎn)換器。它是一個完整的數(shù)據(jù)采集微系統(tǒng)，其組成為：一個8通道、5s轉(zhuǎn)換時間、精度自校準(zhǔn)、12位精度、逐次逼近的ADC；兩個12位DAC；105KB的閃存E2PROM；16位計數(shù)定時器和32條可編程I0接口的80518052微控制器；256字節(jié)的SRAM。由于ADuC812的特殊功能寄存器組中添加了一個DPP(地址為84H)，它與特殊功能寄存器DPH、DPL配合，使得ADuC812能夠訪問16MB的外部數(shù)據(jù)地址空間。ADuC812的內(nèi)核是國內(nèi)技術(shù)人員熟悉的Intel8051，應(yīng)用開發(fā)比較方便。3 復(fù)雜可編程邏輯器件及MAX PLUS II開發(fā)平臺本設(shè)計選用ALTERA公司的MAX 7000系列復(fù)雜

5、可編程邏輯器件(CPLD)。其高性能和高密度是基于它先進(jìn)的多重陣列矩陣架構(gòu)。它采用E2CMOS工藝制作，傳播延遲最小為35ns，可以實現(xiàn)速度高于200MHz的計數(shù)器，非常適合高速設(shè)計時應(yīng)用。該公司推出的MAXPLUS軟件是一款易于使用的開發(fā)工具，其界面友好、集成化程度高、兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、支持FLEX等系列產(chǎn)品。CPLD要實現(xiàn)的邏輯功能一般是在MAX PLUS環(huán)境下通過硬件描述語言開發(fā)出來的，并能脫離硬件對設(shè)計方案進(jìn)行仿真，在確認(rèn)邏輯功能正確無誤的情況下，通過并行口下載燒到CPLD中。CPLD在實際應(yīng)用中有如下優(yōu)點(1)以內(nèi)部連線代替外部器件的連接，降低了噪聲干擾，實現(xiàn)了線路互聯(lián)的較短延時。(2)

6、可以在板編程，提高了系統(tǒng)的PCB設(shè)計和調(diào)試效率。(3)在實際調(diào)試前，可由MAX PLUS開發(fā)平臺對CPLD的邏輯功能進(jìn)行仿真，確保了系統(tǒng)邏輯設(shè)計的正確性。4 GPS失步監(jiān)測及時鐘信號實現(xiàn)方案對GPS的PPS失步監(jiān)測是通過解讀其有關(guān)輸出語句報文信息來實現(xiàn)的。報文信息通常使用NMEA-0183格式輸出，目前廣泛使用V20版本，輸出的數(shù)據(jù)代碼為ASC碼字符。在NMEA-0183的主要語句中，GPRMC為時間、定位和日期輸出語句，其標(biāo)準(zhǔn)格式為$GPRMC,hhmmssss,a,ddmmmmmm,n,dddmmmmmm，w,zz,yy,ddmmyy,dd，v*CCCRLF每一項以逗號相隔，其中第一項為格

7、林威治時間的時、分、秒信息；第九項為格林威治時間的日、月、年信息；第二項為定位數(shù)據(jù)是否有效信息，"A"表示有效，"V"表示警告或者數(shù)據(jù)無效。單片機(jī)通過解讀此報文信息便可判斷GPS是否失步。在GPS接收器工作正常時(GPS接收器能接收到衛(wèi)星信號)，由GPS提供秒脈沖信號。否則，由頻率為20MHz的高精度恒溫晶振(OXOF系列頻率精度為1×10-81×10-9)和一個25位計數(shù)器臨時替代GPS發(fā)出秒脈沖信號，使不同廠站間時鐘偏差在一定時間內(nèi)控制在要求的范圍。時鐘系統(tǒng)原理圖如圖1所示。時鐘系統(tǒng)工作過程(1)采用Jupiter型GPS接收器，

8、在秒脈沖信號前沿來臨前先發(fā)報文。(2)采用單片機(jī)(如AT89C2051)接收GPS串行報文數(shù)據(jù)，產(chǎn)生年、月、日、時、分、秒信號，并判斷GPS即將發(fā)出的秒脈沖信號是否有效，從而控制P10口的狀態(tài)。(3)采用頻率為20MHz的高精度恒溫晶振驅(qū)動25位計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器計滿1312D00H個數(shù)(時間為1s)時，計數(shù)器清零重新開始計數(shù)，同時在其輸出口置"1"。當(dāng)計數(shù)器計到7D000H個數(shù)(時間為256ms)時，在其輸出口置"0"，產(chǎn)生秒脈沖信號。(4)當(dāng)單片機(jī)獲悉GPS接收器跟蹤到衛(wèi)星信號時，P10口置"1"，與門(1)打開，與門(2)關(guān)閉

9、，在與門(1)的輸出口輸出精確的秒脈沖信號，同時每一個秒脈沖信號上跳沿對25位計數(shù)器清零使之重新開始計數(shù)，為計數(shù)器提供精確的時間基準(zhǔn)，以減少計數(shù)器的累計誤差。(5)當(dāng)單片機(jī)獲悉GPS接收器沒有跟蹤到衛(wèi)星信號時，P10口置"0"，與門1關(guān)閉，與門2打開，由25位計數(shù)器臨時產(chǎn)生秒脈沖信號。 用MAX PLUS做仿真實驗時，由于計算機(jī)資源不足，無法進(jìn)行1秒            鐘的仿真實驗，可以仿真1ms的情況。計數(shù)器計滿4E20H個數(shù)(0000H-4E1FH)，時間為1ms。圖

10、2和圖3反映的是同一次仿真的兩個不同片斷。5 精確時間標(biāo)簽的實現(xiàn)方案時鐘系統(tǒng)能保證在任何情況下產(chǎn)生個穩(wěn)定的、高精度的秒脈沖信號，從而為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確的時間標(biāo)簽打下堅實基礎(chǔ)。時標(biāo)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。高速ADC、地址發(fā)生器、地址計數(shù)器、計時器在時鐘源CLK(5MHz)的同步下以統(tǒng)一的步調(diào)工作。在ADuC812初始化時，將P35置"0"，P34發(fā)出清零脈沖對地址發(fā)生器和地址計數(shù)器同時清零；當(dāng)故障信號出現(xiàn)時，ADuC812將P35置"1"，計時器和地址計數(shù)器同時停止計數(shù)；暫態(tài)信號記錄完畢后，ADuC812分時讀出計時器中的值并將該數(shù)值保存

11、在雙口RAM中，此值即為精度為02s的時間信息；A-DuC812分時讀出地址計數(shù)器中的值并將該數(shù)值保存在雙口RAM中，此地址的精確時間即為計時器中的計數(shù)值。這樣，就為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上了精確的時間標(biāo)簽。時標(biāo)系統(tǒng)工作過程（1）ADuC812初始化時P35置"0"，同時P34發(fā)出清零脈沖使地址發(fā)生器和地址計數(shù)器同步計數(shù)。ADuC812控制內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換模塊對經(jīng)過調(diào)整的取自電流互感器二次側(cè)的電流進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。采用半波比較，在每個工頻內(nèi)采集36個點，分別用第n個點和第n+18個點、第n+1個點和第n+19個點比較，依此類推。如果大于事先設(shè)定的門檻值即認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生，

12、ADuC812將P35置"1"，計時器和地址計數(shù)器同時停止計數(shù)，計時器中的數(shù)據(jù)即為地址計數(shù)器記錄的對應(yīng)于SRAM相同地址的采集數(shù)據(jù)的時間標(biāo)簽。由于高速ADC的轉(zhuǎn)換頻率固定(本次設(shè)計為5MHz)，所以，可以此為基準(zhǔn)為整個SRAM中的采集數(shù)據(jù)貼上時間標(biāo)簽。(2)當(dāng)P35置"0"即STOP端口為低電平時，計時器在5MHz的時鐘源下以相同的頻率計數(shù)。由于它是一個24位的計數(shù)器，從而確保了計時器能夠記錄一個整秒，并為一個整秒刻上了 o2ps(五而1丐面子：o21xs) 的最小刻度。時鐘系統(tǒng)輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿給計時器清零，從而為計時器提供

13、精確的時間基準(zhǔn)，以消除計時器的累計誤差。(3)當(dāng)P35置"1"即STOP端口為高電平時，計時器停止計數(shù)，在此狀態(tài)下時鐘系統(tǒng)輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿不能對計時器清零。(4)地址計數(shù)器的工作過程與計時器的工作過程類似，唯一的區(qū)別是地址計數(shù)器的清零信號(CLR)是在初始化時由ADuC812的P34口發(fā)出的。由于地址發(fā)生器和地址計數(shù)器共用同一個清零信號，從而確保地址發(fā)生器和地址計數(shù)器中的計數(shù)值完全相同。同理，當(dāng)STOP端口為高電平時，地址計數(shù)器也停止計數(shù)，在此狀態(tài)下ADuC812發(fā)出的清零信號不能改變地址計數(shù)器中的計數(shù)值。5)由于ADuC812是一種8位單片機(jī)，所以地址計數(shù)和計時器中的數(shù)據(jù)只能"分批"地送至雙口RAM中保存。所以要設(shè)計鎖存器、譯碼電路和總線隔離電路，避免總線沖突以及保證總線上的數(shù)據(jù)能正確無誤地傳遞。在本次設(shè)計中；當(dāng)ADuC812的特殊功能寄存器DPP高3位的值為"00H"時將計時器的高8位數(shù)據(jù)通過A-DuC812送至雙口RAM中。依此類推，當(dāng)特殊功能寄存器DPP高3位的值為"05H"時將地址計數(shù)器的低8位數(shù)據(jù)通過ADuC812送至雙口RAM中保存。當(dāng)特殊功能寄存器DPP為其它值時釋放數(shù)據(jù)總線，便于ADuC812進(jìn)行其它操作。其仿真結(jié)果如圖5所