分布式測量系統時(shí)統信號分路電路設計

摘要：針對分布式測量系統不同測量單元之間時(shí)間統一的問(wèn)題，設計了一種實(shí)用的時(shí)統信號分路傳輸電路。詳細分析了電路的設計原理、元器件的選擇和電路的具體實(shí)現，并對實(shí)際電路進(jìn)行了測試。實(shí)驗表明，設計的電路在實(shí)際運行中穩定可靠，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：分布式測量：時(shí)間統一；分路電路

在現代許多分布式測量系統，如激光陀螺形變測量系統、分布式聲源定位系統等高精度分布式測量系統中，為了精確地獲取信息，各個(gè)測量單元之間的測量時(shí)間必須是同步的，即需要考慮不同測量單元之間的時(shí)間統一。實(shí)現時(shí)間統一最直接的方法是將一個(gè)時(shí)統設備產(chǎn)生的標準時(shí)間傳輸給測量單元使用，因此需要設計一個(gè)電路來(lái)實(shí)現時(shí)統信號的多路傳輸。筆者針對分布式測量系統對時(shí)間統一的要求，設計了一個(gè)時(shí)統信號分路電路，可以將GPS數據或B碼終端輸出的信號分成多路，以滿(mǎn)足不同測量單元之間實(shí)現同步測量的需求。

1 分路電路設計方案
分布式測量系統一般是基于不同位置的測量單元敏感各自所在位置的信息，經(jīng)過(guò)處理得出安裝點(diǎn)之間相關(guān)的信息。處于不同位置的測量單元單獨完成信息的采集，時(shí)統設備的信號經(jīng)過(guò)分路電路分路后，對每個(gè)測量單元提供標準時(shí)間，將測量單元測得的數據打上時(shí)標，按照標準時(shí)間對數據進(jìn)行處理分析，就可以實(shí)現精確地分布式測量。其中分路的實(shí)現是將GPS接收板輸出的兩路信號直接在電路上分為兩路，將信號進(jìn)行處理后傳輸給測量單元使用。
在實(shí)際測量中，不同測量位置之間的距離往往較遠，可達到數百米。由于RS-232是單端信號傳輸，存在共地噪聲、不能抑制共模干擾和傳輸距離短等問(wèn)題，因此需要進(jìn)行電平轉換后傳輸信號?？紤]到RS-422是差分傳輸，抗干擾能力強，在低于100 kB／s傳輸速率時(shí)，可以達到最大傳輸距離1 200 m，采用RS-422接口在不同測量單元之間傳輸時(shí)統信號，可以提高信號的傳輸距離、完整性和電磁兼容性，增強抗干擾能力。
時(shí)統信號分路電路的原理框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，GPS接收板輸出的兩路信號首先在電路中分路，然后選擇合適的芯片進(jìn)行電平轉換，傳輸給測量單元使用。當能接收到GPS信號時(shí)，分布式測量系統的時(shí)統信號直接由GPS接收板提供，其輸出包括1路PPS信號和1路GPS數據包。由于受外界環(huán)境和條件的影響，會(huì )出現不能接收到GPS信號的情況，因此需要考慮使用其它的時(shí)間統一信號進(jìn)行分布式測量的時(shí)間統一，比較常見(jiàn)的是使用B碼進(jìn)行測量單元的時(shí)間統一。其中GPS數據包采用的是RS-232電氣協(xié)議，PPS信號和B碼信號為T(mén)TL信號，均可進(jìn)行電平轉換后以RS-422差分形式傳輸。

2 分路電路的實(shí)現
按照圖1所示的原理，對時(shí)統信號分路電路的器件進(jìn)行選擇。RS-422接口轉換芯片選擇MAXIM公司的MAX488芯片，全雙工，含有接收和發(fā)送模塊。GPS接收模塊采用加拿大NovAtel公司生產(chǎn)的OEMV系列板，此處采用OEMV-1G。OEMV-1G需要兩個(gè)輸入電源，分別是接收板所需電源+3．3 V，天線(xiàn)增益所需電源+5 V。RS-422轉換芯片MAX488需電源+5 V。外部供應電源為+24～+30 V的直流電源，因而需要直流電源轉換芯片，轉換為+5 V供MAX488和GPS天線(xiàn)使用，再進(jìn)一步轉換為+3．3 V供GPS接收板使用。此處選擇臺灣PowerGood公司生產(chǎn)的提供+5 V輸出的ESB2450系列芯片和美國Texas Instruments公司生產(chǎn)的提供+3_3 V輸出的產(chǎn)品REG1117芯片。設計的分路電路實(shí)物圖如圖2所示。

此電路的直流特性如表1所示。

3 實(shí)驗測試
實(shí)驗測試采用屏蔽線(xiàn)為安普六類(lèi)屏蔽線(xiàn)，其阻抗為0．08 Ω／m，線(xiàn)數為8根。實(shí)驗采用線(xiàn)長(cháng)為215 m的屏蔽線(xiàn)時(shí)，單端線(xiàn)阻為17 Ω。實(shí)驗中的電源是由測量單元通過(guò)屏蔽線(xiàn)接入時(shí)統設備的，當接入+24 V電源時(shí)，在時(shí)統設備中的GPS接收模塊不工作，測量PowerGood ESB2450芯片輸入端電壓為15．8 V，此時(shí)電源線(xiàn)上壓降約為8 V，輸入電壓不能滿(mǎn)足最低輸入電壓18 V的要求，電路不能工作，計算可得屏蔽線(xiàn)的壓降為40 mV／m，因而在供電電源+24 V時(shí)屏蔽線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)180 m。此傳輸距離的限制不是由于數據傳輸速度造成的，而是因為受電源供電的影響，時(shí)統設備的電壓會(huì )受到傳輸電路壓降的限制，可以采用電氣特性更為優(yōu)良的屏蔽線(xiàn)或者采用單獨給時(shí)統設備供電的方式提高傳輸距離。之后采用傳輸距離為150 m的屏蔽線(xiàn)進(jìn)行測試。
實(shí)驗主要是利用示波器測試時(shí)統設備和測量單元之間的延遲，以及測量單元之間的時(shí)間同步性。使用的示波器型號為T(mén)ektronix的TDS10 12B，示波器的采樣時(shí)間分辨率為1 ns。測試的主要內容是：
GPS信號的同步性：時(shí)統設備接收的GPS接收模塊發(fā)出的GPS信號與測量單元接收的GPS信號。
PPS信號的同步性：時(shí)統設備接收的GPS接收模塊發(fā)出的PPS信號與測量單元接收的PPS信號。
實(shí)驗測試波形如圖3和圖4所示。圖3中通道1和通道2為GPS信號在時(shí)統設備和測量單元處的波形，圖4中通道1和通道2為為PPS信號在時(shí)統設備和測量單元處的波形。對它們進(jìn)行多次測量的結果如表2所示。其中A代表時(shí)統設備，B、C分別代表不同的測量單元。

由表2數據可以看出，時(shí)統設備與測量單元之間的時(shí)間延遲很小，其值在1．000μs左右，主要是由于電子器件本身的延遲以及傳輸線(xiàn)路的延遲造成?？紤]到傳輸線(xiàn)路長(cháng)度為150 m，則線(xiàn)路延遲為0．500 μs，增加電路引起的延遲為0．500μs。
測量單元之間有時(shí)間同步誤差，其值在0．020μs左右，主要是由于采用分立的元器件以及傳輸線(xiàn)路不一致造成的，信號進(jìn)行電平轉換時(shí)使用的是分立的MAX488芯片，因此會(huì )造成不同測量單元之間的信號有時(shí)間同步誤差。

4 結束語(yǔ)
由于GPS信號需要在通視的情況下才可接收，容易受地形地貌的影響，使用時(shí)需要考慮環(huán)境因素，因此在考慮時(shí)間統一時(shí)就要設計另外的不依賴(lài)GPS的同步方式。本文設計的分路電路在不僅可以對GPS提供的時(shí)統信號進(jìn)行差分傳輸，還可以對其它同步方式比如B碼終端提供的時(shí)統信號進(jìn)行差分傳輸，以滿(mǎn)足分布式測量系統在不同測量環(huán)境中的需要。由測試結果可以看出：所設計的時(shí)統信號分路電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單、結構緊湊、工作穩定可靠、時(shí)間延遲小，已經(jīng)應用于激光陀螺形變測量系統中，在其它分布式測量系統，如分布式溫度測量、分布式聲源定位系統中也能得到很好的應用，具有較高的實(shí)用價(jià)值。