基于GPS的時(shí)標系統實(shí)現方法探究

摘要: 介紹一種利用全球定位系統(GPS)并輔以復雜可編程邏輯器件,給高速數據采集系統中的采集數據貼上精確時(shí)間標簽的方法。該方法顯著(zhù)地提高了時(shí)間標簽的精度和可靠性。利用MAX PLUSⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境驗證了設計方案的正確性。此設計方案已經(jīng)成功地應用到自行設計的高速數據采集卡中。

關(guān)鍵詞: 全球定位系統(GPS)   復雜可編程邏輯器件  時(shí)間標簽   ADuC812

　　基于全球定位系統(GPS)的雙端行波故障定位系統是利用行波的第一個(gè)波頭到達線(xiàn)路兩端的時(shí)間差來(lái)計算故障點(diǎn)的位置的。由于行波的傳播速度非?？?約為光速的98%)[1],因此對行波波頭到達線(xiàn)路兩端時(shí)刻的時(shí)間精度要求非常高。在現場(chǎng)運行中,由于衛星信號調整、天線(xiàn)干擾以及GPS接收系統故障等原因,使得GPS接收系統可能在短時(shí)間內失步。這時(shí)不同廠(chǎng)站間GPS接收器發(fā)出的秒脈沖之間的相對誤差可能達到幾百μs。再者,相對于高速數據采集系統而言,單片機對時(shí)間的分辨能力很低,而且單片機不能直接得到故障發(fā)生時(shí)對應于靜態(tài)存儲器(SRAM)的確切地址。這兩方面的因素都會(huì )大大降低時(shí)間標簽的精度和可靠性,直接影響故障測距的精度,甚至導致定位失敗。針對上述問(wèn)題,對高速數據采集系統中精確時(shí)標的實(shí)現方法進(jìn)行了探討。

　　1 全球定位系統

　　GPS是美國于1993年全面建成并運行的新一代衛星導航、定位和授時(shí)系統。電力系統中主要是利用GPS的精確授時(shí)特點(diǎn)。GPS接收器在任意時(shí)刻能同時(shí)接收其視野范圍內4～8顆衛星信號,其內部硬件電路和處理軟件通過(guò)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(shí)間信號:(1)時(shí)間間隔為1s的脈沖信號PPS,其脈沖前沿與國際標準時(shí)間(格林威治時(shí)間)的同步誤差不超過(guò)1μs;(2)經(jīng)串行口輸出的與PPS脈沖前沿對應的國際標準時(shí)間和日期代碼。若以PPS信號作為標準時(shí)鐘源去同步電網(wǎng)內運行的各時(shí)鐘,則能保證各廠(chǎng)站時(shí)鐘的高精確度同步運行。

　　2 ADuC812

　　ADuC812芯片是美國AD公司推出的微轉換器。它是一個(gè)完整的數據采集微系統,其組成為:一個(gè)8通道、5μs轉換時(shí)間、精度自校準、12位精度、逐次逼近的ADC;兩個(gè)12位DAC;10.5KB的閃存E2PROM;16位計數/定時(shí)器和32條可編程I/O接口的8051/8052微控制器;256字節的SRAM[3]。由于A(yíng)DuC812的特殊功能寄存器組中添加了一個(gè)DPP(地址為84H),它與特殊功能寄存器DPH、DPL配合,使得ADuC812能夠訪(fǎng)問(wèn)16MB的外部數據地址空間。ADuC812的內核是國內技術(shù)人員熟悉的Intel8051,應用開(kāi)發(fā)比較方便。

　　3 復雜可編程邏輯器件及MAX PLUSⅡ開(kāi)發(fā)平臺

　　本設計選用ALTERA公司的MAX 7000系列復雜可編程邏輯器件(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。它采用E2CMOS工藝制作,傳播延遲最小為3.5ns,可以實(shí)現速度高于200MHz的計數器,非常適合高速設計時(shí)應用。該公司推出的MAX PLUSⅡ軟件是一款易于使用的開(kāi)發(fā)工具,其界面友好、集成化程度高、兼容工業(yè)標準、支持FLEXMAXACEX1K等系列產(chǎn)品[4]。CPLD要實(shí)現的邏輯功能一般是在MAX PLUSⅡ環(huán)境下通過(guò)硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出來(lái)的,并能脫離硬件對設計方案進(jìn)行仿真,在確認邏輯功能正確無(wú)誤的情況下,通過(guò)并行口下載燒到CPLD中。CPLD在實(shí)際應用中有如下優(yōu)點(diǎn):

　　(1)以?xún)炔窟B線(xiàn)代替外部器件的連接,降低了噪聲干擾,實(shí)現了線(xiàn)路互聯(lián)的較短延時(shí)。

　　(2)可以在板編程,提高了系統的PCB設計和調試效率。

　　(3)在實(shí)際調試前,可由MAX PLUSⅡ開(kāi)發(fā)平臺對CPLD的邏輯功能進(jìn)行仿真,確保了系統邏輯設計的正確性[5]。

　　4 GPS失步監測及時(shí)鐘信號實(shí)現方案

　　對GPS的PPS失步監測[6]是通過(guò)解讀其有關(guān)輸出語(yǔ)句報文信息來(lái)實(shí)現的。報文信息通常使用NMEA-0183格式輸出,目前廣泛使用V2.0版本,輸出的數據代碼為ASCⅡ碼字符。在NMEA-0183的主要語(yǔ)句中,GPRMC為時(shí)間、定位和日期輸出語(yǔ)句,其標準格式為:

　　＄GPRMC,hhmmss.ss,a,ddmm.mmmm,n,dddmm.mmmm,w,z.z,y.y,ddmmyy,d.d, v*CC

　　每一項以逗號相隔,其中第一項為格林威治時(shí)間的時(shí)、分、秒信息;第九項為格林威治時(shí)間的日、月、年信息;第二項為定位數據是否有效信息,“A”表示有效,“V”表示警告或者數據無(wú)效。單片機通過(guò)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(shí)(GPS接收器能接收到衛星信號),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1×10-8～1×10-9)和一個(gè)25位計數器臨時(shí)替代GPS發(fā)出秒脈沖信號,使不同廠(chǎng)站間時(shí)鐘偏差在一定時(shí)間內控制在要求的范圍。時(shí)鐘系統原理圖如圖1所示。

　　時(shí)鐘系統工作過(guò)程如下:

　　(1)采用Jupiter型GPS接收器,在秒脈沖信號前沿來(lái)臨前先發(fā)報文。

　　(2)采用單片機(如AT89C2051)接收GPS串行報文數據,產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、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P1.0口的狀態(tài)。

　　(3)采用頻率為20MHz的高精度恒溫晶振驅動(dòng)25位計數器計數,當計數器計滿(mǎn)1312D00H個(gè)數(時(shí)間為1s)時(shí),計數器清零重新開(kāi)始計數,同時(shí)在其輸出口置“1”。當計數器計到7D000H個(gè)數(時(shí)間為25.6ms)時(shí),在其輸出口置“0”,產(chǎn)生秒脈沖信號。

　　(4)當單片機獲悉GPS接收器跟蹤到衛星信號時(shí),P1.0口置“1”,與門(mén)(1)打開(kāi),與門(mén)(2)關(guān)閉,在與門(mén)(1)的輸出口輸出精確的秒脈沖信號,同時(shí)每一個(gè)秒脈沖信號上跳沿對25位計數器清零使之重新開(kāi)始計數,為計數器提供精確的時(shí)間基準,以減少計數器的累計誤差。

　　(5)當單片機獲悉GPS 接收器沒(méi)有跟蹤到衛星信號時(shí),P1.0口置“0”,與門(mén)1關(guān)閉,與門(mén)2打開(kāi),由25位計數器臨時(shí)產(chǎn)生秒脈沖信號。

　　用MAX PLUSⅡ做仿真實(shí)驗時(shí),由于計算機資源不足,無(wú)法進(jìn)行1秒鐘的仿真實(shí)驗,可以仿真1ms的情況。計數器計滿(mǎn)4E20H個(gè)數(0000H-4E1FH),時(shí)間為1ms。圖2和圖3反映的是同一次仿真的兩個(gè)不同片斷。

　　5 精確時(shí)間標簽的實(shí)現方案

　　時(shí)鐘系統能保證在任何情況下產(chǎn)生一個(gè)穩定的、高精度的秒脈沖信號,從而為高速數據采集系統中的采集數據貼上精確的時(shí)間標簽打下堅實(shí)基礎。

　　時(shí)標系統原理圖如圖4所示。高速ADC、地址發(fā)生器、地址計數器、計時(shí)器在時(shí)鐘源CLK(5MHz)的同步下以統一的步調工作。在A(yíng)DuC812初始化時(shí),將P3.5置“0”,P3.4發(fā)出清零脈沖對地址發(fā)生器和地址計數器同時(shí)清零;當故障信號出現時(shí),ADuC812將P3.5置“1”,計時(shí)器和地址計數器同時(shí)停止計數;暫態(tài)信號記錄完畢后,ADuC812分時(shí)讀出計時(shí)器中的值并將該數值保存在雙口RAM中,此值即為精度為0.2μs的時(shí)間信息;ADuC812分時(shí)讀出地址計數器中的值并將該數值保存在雙口RAM中,此地址的精確時(shí)間即為計時(shí)器中的計數值。這樣,就為高速數據采集系統中的采集數據貼上了精確的時(shí)間標簽。

　　時(shí)標系統工作過(guò)程如下:

　　(1)ADuC812初始化時(shí)P3.5置“0”,同時(shí)P3.4發(fā)出清零脈沖使地址發(fā)生器和地址計數器同步計數。ADuC812控制內部的A/D轉換模塊對經(jīng)過(guò)調整的取自電流互感器二次側的電流進(jìn)行A/D轉換。采用半波比較,在每個(gè)工頻內采集36個(gè)點(diǎn),分別用第n個(gè)點(diǎn)和第n+18個(gè)點(diǎn)、第n+1個(gè)點(diǎn)和第n+19個(gè)點(diǎn)比較,依此類(lèi)推。如果大于事先設定的門(mén)檻值即認為故障已經(jīng)發(fā)生,ADuC812將P3.5置“1”,計時(shí)器和地址計數器同時(shí)停止計數,計時(shí)器中的數據即為地址計數器記錄的對應于SRAM相同地址的采集數據的時(shí)間標簽。由于高速ADC的轉換頻率固定(本次設計為5MHz),所以,可以此為基準為整個(gè)SRAM中的采集數據貼上時(shí)間標簽。

　　(2)當P3.5置“0”即STOP端口為低電平時(shí),計時(shí)器在5MHz的時(shí)鐘源下以相同的頻率計數。由于它是一個(gè)24位的計數器,從而確保了計時(shí)器能夠記錄一個(gè)整秒,并為一個(gè)整秒刻上了時(shí)鐘系統輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿給計時(shí)器清零,從而為計時(shí)器提供精確的時(shí)間基準,以消除計時(shí)器的累計誤差。

　　(3)當P3.5置“1”即STOP端口為高電平時(shí),計時(shí)器停止計數,在此狀態(tài)下時(shí)鐘系統輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿不能對計時(shí)器清零。

　　(4)地址計數器的工作過(guò)程與計時(shí)器的工作過(guò)程類(lèi)似,唯一的區別是地址計數器的清零信號(CLR)是在初始化時(shí)由ADuC812的P3.4口發(fā)出的。由于地址發(fā)生器和地址計數器共用同一個(gè)清零信號,從而確保地址發(fā)生器和地址計數器中的計數值完全相同。同理,當STOP端口為高電平時(shí),地址計數器也停止計數,在此狀態(tài)下ADuC812發(fā)出的清零信號不能改變地址計數器中的計數值。

　　(5)由于A(yíng)DuC812是一種8位單片機,所以地址計數器和計時(shí)器中的數據只能“分批”地送至雙口RAM中保存。所以要設計鎖存器、譯碼電路和總線(xiàn)隔離電路,避免總線(xiàn)沖突以及保證總線(xiàn)上的數據能正確無(wú)誤地傳遞。在本次設計中,當ADuC812的特殊功能寄存器DPP高3位的值為“00H”時(shí)將計時(shí)器的高8位數據通過(guò)ADuC812送至雙口RAM中。依此類(lèi)推,當特殊功能寄存器DPP高3位的值為“05H”時(shí)將地址計數器的低8位數據通過(guò)ADuC812送至雙口RAM中保存。當特殊功能寄存器DPP為其它值時(shí)釋放數據總線(xiàn),便于A(yíng)DuC812進(jìn)行其它操作。其仿真結果如圖5所示。

　　本文對GPS失步后的補救措施及給高速數據采集系統中的采集數據貼上精確時(shí)間標簽的方法進(jìn)行了詳盡的敘述和仿真,得出如下結論:

　　(1)在高頻恒溫晶振的精度得到保證的前提下,時(shí)鐘系統產(chǎn)生的秒脈沖信號能滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求。

　　(2)設高速ADC的轉換頻率為5MHz,時(shí)標系統能為存入SRAM中的轉換數據貼上精度為0.2μs的時(shí)間標簽。

　　(3)通過(guò)CPLD間接地實(shí)現了“低速”的單片機系統對高速數據采集系統的實(shí)時(shí)監視。

　　參考文獻

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