全網(wǎng)同步監測裝置GPS接口模塊的改進(jìn)設計與實(shí)現

摘要：在電力系統全網(wǎng)風(fēng)步監測裝置GPS接口模塊設計中，要注意雙口RAM相關(guān)程序設計以保證接口板與計算機總線(xiàn)數據交換的可靠性及利用接口板內部晶振構成守時(shí)鐘以削弱對單個(gè)PPS秒脈沖的依賴(lài)性。就此給出了有實(shí)際應用價(jià)值的具體實(shí)現方案。

關(guān)鍵詞：全網(wǎng)同步監測裝置 GPS接口模塊 雙口RAM PPS秒脈沖 晶振

電力系統全網(wǎng)同步監測裝置[1]以基于GPS精確授時(shí)技術(shù)的PMU（相量測量單元）裝置為基本組件，用于解決黑龍江東部電網(wǎng)窩電問(wèn)題的區域穩定控制系統，是其在工程的一個(gè)具體應用。區域穩定控制系統自1997年3月投運以來(lái)，有效地提高了黑龍江東部電網(wǎng)的運行極限，同時(shí)也為全網(wǎng)同步監測裝置和GPS精確授時(shí)技術(shù)在電力系統中的廣泛應用積累了豐富的實(shí)際經(jīng)驗。

電力系統全網(wǎng)同步監測裝置中GPS接口板的高可靠性和高準確性是整個(gè)裝置正常工作的必要前提。對GPS接口板的改進(jìn)和完善是優(yōu)化全網(wǎng)同步監測裝置整體性能的關(guān)鍵步驟。本文依據IEEE-1344的相關(guān)標準，結合區域穩定控制系統在實(shí)際運行中遇到的各種現象，提出了電力系統全網(wǎng)同步監測裝置GPS接口板設計中值得注意的兩個(gè)問(wèn)題，即提高GPS接口板與計算機總線(xiàn)系統數據交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時(shí)鐘以削彈對單片PPS秒脈沖的依賴(lài)性。對此本文給出了有實(shí)際應用價(jià)值的具體實(shí)現方案。

1 GPS接口模塊設計中應注意的問(wèn)題

全網(wǎng)同步監測裝置中GPS接口板的主要功能是將GPS接收設備提供的標準串行通訊接口和PPS秒脈沖轉換為基于計算機總線(xiàn)的高精度時(shí)間定標系統。即：①從串行通訊接口獲得的報文中提取出有用的時(shí)間信號和鎖星數目、狀態(tài)等信息，將這些信號并行送入計算機總線(xiàn)；②利用單片機及其外部晶振將統計意義下高精度的PPS秒脈沖倍頻成為同步、均勻、穩定的600Hz全網(wǎng)同步數據采集觸發(fā)脈沖。因此，GPS接口板與計算機總線(xiàn)系統間數據傳輸的可靠性和600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性可以作為衡量GPS接口板性能的重要標準。

GPS接口板除向計算機總線(xiàn)系統提供時(shí)間標簽外，還要接收總線(xiàn)外來(lái)的命令和狀態(tài)字節，以實(shí)現全網(wǎng)同步監測裝置下位機部分主從CPU結構的協(xié)調運行。接口板上單片機與計算機總線(xiàn)系統數據交換頻繁，時(shí)序復雜多變。為解決計算機總線(xiàn)和單片機讀寫(xiě)速度不同的矛盾，通常選用雙口RAM做為數據緩沖器和數據存儲器。這部分數據傳輸容易出現由于雙端口RAM使用不當引起的對同一地址的讀/寫(xiě)和寫(xiě)/寫(xiě)爭用，造成數據誤讀、數據內容不確定等問(wèn)題。因此，結合雙口RAM硬件工作特點(diǎn)、實(shí)際數據流量及流向，合理設計相關(guān)的軟件，可以提高GPS接口板與計算機總線(xiàn)系統數據交換的可靠性。

600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性、自身均勻性是實(shí)現全網(wǎng)同步監測的關(guān)鍵指標。同步監測技術(shù)對GPS接收機提供秒脈沖的精確度要求通過(guò)GPS接口板轉化為對600Hz脈沖精確度要求。通常在將PPS秒脈沖倍頻成為600Hz同步采樣脈沖的過(guò)程中，過(guò)于依賴(lài)單個(gè)PPS秒脈沖的精度，若某個(gè)PPS秒脈沖誤差過(guò)大，則對應該秒的600Hz同步采樣脈沖將會(huì )失步調整，使得相應的采集數據不可用。實(shí)際運行數據、試驗數據和文獻[2,3]顯示PPS秒脈沖誤差過(guò)大的原因主要有以下4種：①PPS秒脈沖的高精度是統計意義下的。對一個(gè)具體的秒脈沖，實(shí)測其偏差可能高達250ns。這樣的亞微秒級偏差對倍頻算法和同步精度的影響可以忽略，但實(shí)際運行中不排除可能遇到更大的偏差。當偏差達到微秒級時(shí)，會(huì )有明顯的影響；②GPS接收機短期衛星失鎖。此時(shí)PPS秒脈沖由接收機內部電路繼續維持供給，由于誤差無(wú)法得到定時(shí)校正，積累誤差會(huì )導致PPS秒脈沖精度不能滿(mǎn)足要求；③衛星試驗、太陽(yáng)風(fēng)暴等因素也有可能導致PPS秒脈沖誤差過(guò)大；④運行現場(chǎng)電磁干擾強烈。干擾可通過(guò)作用于系統電源或單片機PPS秒脈沖輸入口產(chǎn)生偽PPS秒脈沖，作用于系統電源的電磁干擾可通過(guò)配備UPS電源來(lái)抑制，而串入PPS秒脈沖輸入口的干擾很難通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件方法根除。

應當指出PPS秒脈沖誤差過(guò)大屬于偶然現象。通常情況下，PPS秒脈沖的精度是合乎要求的?；赑PS秒脈沖統計意義下穩定性好的特點(diǎn)，借助單片機外部晶振恒溫條件下的高穩定性，通過(guò)軟件設計可以實(shí)現實(shí)用化的守時(shí)鐘。GPS接口板內部晶振構成的守時(shí)鐘可以削弱接口板正常工作時(shí)對單個(gè)PPS秒脈沖精度的過(guò)分依賴(lài)，提高GPS接口板的抗干擾能力，在各種極端情況下仍可正常工作，從而提高整個(gè)全網(wǎng)同步監測裝置的抗干擾能力。

2 GPS接口板的實(shí)現

2.1 GPS接口板框架結構

GPS接口板在考慮了提高GPS接口板與計算機總線(xiàn)系統數據交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時(shí)鐘以削彈對單片PPS秒脈沖的依賴(lài)性?xún)蓚€(gè)問(wèn)題的基礎上，盡量使硬件電路的設計清晰、簡(jiǎn)潔，這有利于提高GPS接口板的可靠性，原理框圖見(jiàn)圖1。

GPS接口板的特點(diǎn)如下：①提供一路高精度600Hz同步采樣脈沖和用于時(shí)鐘標簽的全球同步的微秒級計時(shí)；②提供全網(wǎng)同步監測裝置下位機部分系統級復位功能；③GPS接收機可以就地接入，也可通過(guò)RS-422遠程接入；④允許計算機總線(xiàn)系統側主CPU對本板發(fā)2種中斷，用于實(shí)時(shí)數據通訊和保護系統程序不發(fā)生意外死循環(huán)；⑤通過(guò)雙口RAM與計算機總線(xiàn)系統實(shí)現數據通訊；⑥利用單片機及其外部晶振實(shí)現板內的守時(shí)鐘，以此削弱對單個(gè)PPS秒脈沖精度的依賴(lài)。

2.2 有關(guān)雙口RAM的軟硬件設計

GPS接口板選用的雙口RAM為DALLAS公司的DS1609，其內部自帶地址鎖存功能，允許數據、地址總線(xiàn)復用，與單片機和計算機總線(xiàn)的接口電路簡(jiǎn)潔可靠。DS1609相關(guān)軟件設計要求較高，因為它允許兩端同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)存儲單元，但芯片本身不提供硬件的訪(fǎng)問(wèn)沖突仲裁邏輯，潛在的訪(fǎng)問(wèn)沖突必須通過(guò)軟件設計的方法來(lái)避免[4]。

GPS接口板運用“郵箱法”思想并結合實(shí)現數據流量及流向設計雙口RAM相關(guān)程序。這里郵箱指標志存儲器，它總是成對出現。實(shí)現應用中，可以根據需要約定若干對郵箱。每對郵箱負責一個(gè)存儲區段兩側端口的寫(xiě)操作狀態(tài)顯示；多對郵箱存在的情況下允許兩端口在同一時(shí)刻對不同存儲單元執行寫(xiě)操作，程序設計靈活，有助于提高器件的利用率。

運用“郵箱法”設計雙口RAM程序時(shí)要注意：獲得某存儲單元的寫(xiě)操作權限前，應查詢(xún)相應郵箱，判斷對端口是否正在對此存儲單元執行寫(xiě)操作；對某存儲單元完成寫(xiě)操作后，應在相應郵箱中標識出來(lái)，釋放寫(xiě)操作權。還應注意到，雙口RAM兩側獲得寫(xiě)操作權存在優(yōu)先級問(wèn)題，因為存在兩側同時(shí)獲得寫(xiě)操作權的可能。為此，程序默認某一側優(yōu)先級更高，優(yōu)先級低的一側在獲得寫(xiě)操作權的過(guò)程中需要查詢(xún)兩次標志存儲器。當其第一次查詢(xún)判斷對側未進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，應將相應的標志存儲器置位以示取得寫(xiě)操作權，插入短延時(shí)（此延時(shí)需根據兩側CPU實(shí)際速度確定）后，第二次查詢(xún)對側狀態(tài)。若此時(shí)對側也已取得寫(xiě)操作權，則本側釋放寫(xiě)操作權。這樣就可確保任何情況下對同一存儲區段同一時(shí)刻只有一側獲得寫(xiě)操作權。

“郵箱法”的設計思想主要包含兩層意思：①郵箱自身可確保沒(méi)有讀/寫(xiě)（Read/Write）沖突和寫(xiě)/寫(xiě)（Write/Write）沖突，可以通過(guò)查詢(xún)一對存儲器內容實(shí)現。特殊情況下，可由單個(gè)存儲器實(shí)現；②郵箱是一個(gè)存儲區段兩側讀寫(xiě)狀態(tài)的標志，利用此信息可以避開(kāi)各種可能的沖突。

運用“郵箱法”設計雙口RAM程序的優(yōu)點(diǎn)是：①既使不細致入微地考慮雙口RAM兩側相關(guān)程序的時(shí)序，也可確保不會(huì )發(fā)生讀/寫(xiě)沖突和寫(xiě)/寫(xiě)沖突，尤其適用于通訊頻繁且時(shí)序復雜的和系統；②減小雙口RAM的兩側程序的關(guān)聯(lián)性，便于程序設計的結構化、模塊化，提高了程序的可維護性和可繼承性。

2.3 GPS接口板內守時(shí)鐘的軟硬件設計

利用GPS接口板內單片機及其外接晶體可以構成晶振，電路設計簡(jiǎn)潔可靠。對Intel單睡機MCS80C196KC而言，取標稱(chēng)值為16MHz的晶體，電容Cx1和Cx2取值相同，綜合考慮其掩蓋雜散電容的效果和上電延時(shí)，通常取為30pF。

單片機外接晶體構成的皮爾斯振蕩器的特點(diǎn)是頻率精度不高，但頻率穩定度很高。晶振的頻率精度是指晶振的實(shí)際工作頻率與標稱(chēng)頻率間的偏差，精度引起的偏差會(huì )給測量系統引入累積誤差。常用石英晶體的相對頻率精度在10 -5～10 -6量級，實(shí)測16MHz晶體絕對頻率精度在300Hz～400Hz，此偏差在單片機的計數器TIMER1中對應計數誤差為二十次左右。晶振頻率穩定度在此是指秒級間隔內的瞬時(shí)穩定度，即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機變化，瞬時(shí)穩定度通常會(huì )給測量系統引入隨機誤差。這種誤差相對值通常在10 -9量級，它對TIMER1的影響可以忽略。

基于單片機外部晶振恒溫條件下的高穩定性，結合PPS秒脈沖統計意義下穩定性好的特點(diǎn)，通過(guò)程序設計可以實(shí)現實(shí)用化的守時(shí)鐘。GPS接口板中對PPS秒脈沖的處理以及構成板內守時(shí)鐘的工作主要在HIS中斷子程序中完成。HSI中斷由PPS秒脈沖觸發(fā)，程序流程圖見(jiàn)圖2。

GPS接口板HIS中斷程序設計考慮了實(shí)現同步算法過(guò)程中可能遇到的各種情況，具體說(shuō)明如下：

（1）程序對板上各元器件以及外界環(huán)境有自適應能力，體現在算法隨時(shí)利用計數器T1記錄、更新PPS秒脈沖到來(lái)間隔并由此計算采樣脈沖的輸出時(shí)刻。算法不會(huì )由于晶振頻率精度不高而引入誤差，同時(shí)算法自動(dòng)完成對晶體振蕩器的溫度補償且不受晶體老化的影響。

（2）判斷①、②利用T1的溢出次數和計數值通過(guò)程序設計識別干擾脈沖。一旦判斷是干擾脈沖，立刻恢復相關(guān)變量?jì)热莶⑻鲋袛?，以此提高GPS接口板的抗干擾能力。

（3）判斷③、④利用連續若干次PPS秒脈沖間隔內T1的計數值及其穩定性確定當前PPS秒脈沖是否穩定可靠，放棄使用精度不高的PPS秒脈沖。這種情況下仍以上一個(gè)穩定可靠的PPS秒脈沖作為同步的標準，以此消除個(gè)別偏差過(guò)大的PPS秒脈沖的影響。

（4）由GPS接收機時(shí)間報文確定接收機衛星失鎖后，算法同樣認為PPS秒脈沖處于不穩定狀態(tài)。以最近一個(gè)穩定可靠的PPS秒脈沖作為同步標準計算采樣脈沖的輸出時(shí)刻，在短期內（數十秒內）采樣脈沖仍可保持較高的精度。

用“郵箱法”設計雙口RAM相關(guān)程序能夠提高單片機和計算機總線(xiàn)系統間數據交換的可靠性，結合程序具體特點(diǎn)可對“郵箱法”做出適當改進(jìn)。通過(guò)GPS接口板程序設計可以實(shí)現實(shí)用化的板內守時(shí)鐘，提高GPS接口板的抗干擾能力，延長(cháng)其在一些惡劣環(huán)境下連續可靠工作的時(shí)間。對各指標的針對性試驗和長(cháng)期工程實(shí)際運行記錄表明了這些實(shí)現方案的必要性和有效性。