電子論文-GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng)

1、第20卷 第2期 2008年6月浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)J.ZhejiangWat.Cons&Hydr.CollegeVol.20 No.2Jun.2008GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng)馬 艷,謝 楠,田靜華(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江杭州 310018)摘 要:GPS授時(shí)以其高精度、實(shí)時(shí)、抗干擾、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被諸多領(lǐng)域所應(yīng)用.研究設(shè)計(jì)了基于GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以通過(guò)RS232C和RS485輸出接收處理后的本地時(shí)間,以及由GM-82OEM板直接發(fā)送的1PPS和NMEA-0183ASCII碼定位導(dǎo)航時(shí)間信息.關(guān)鍵詞:全球定位系統(tǒng);授時(shí);GM-82OEM板;UTC;秒脈沖中圖

2、分類號(hào):P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-536X(2008)02-0083-003PrecisionTimingSystemBasedonGPSinHydropowerStationsMAYan,XIENan,TIANJing-hua(ZhejiangWaterConservancyandHydropowerCollege,Hangzhou310018,China)Abstract:GPStimingiswidelyusedinvariousfieldswiththemeritsofhighprecision,realtime,anti-disturbance,maturet

3、echnologyandsoon.Precisiontimingsystem,basedonGPSinhydropowerstations,isstudiedanddesigned.IttransmitslocaltimethroughRS232CandRS485tootherdevices.Inaddition,1PPSandNMEA-0183ASCIIinformationabouttiming,navigationandpositionaredirectlytransmittedbyGM-82OEMcircuit.Keywords:GPS;timing;GM-82OEMcircuit;U

4、TC;pulsespersecond0 引 言水電站發(fā)電系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)的電壓相量和功角狀況是電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要狀態(tài)變量,也是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)志.因此,發(fā)電機(jī)的電壓相量和功角是電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關(guān)鍵1-260°的24顆(其中三顆為備用)高軌道衛(wèi)星構(gòu)成.GPS除了提供高精度導(dǎo)航定位信息之外,還可以根據(jù)其衛(wèi)星上的精確原子鐘實(shí)現(xiàn)高精度的授時(shí)3.針對(duì)這一時(shí)間控制要求,采用GPS授時(shí)作為基準(zhǔn)時(shí)間源和統(tǒng)一授時(shí),才使得水電站系統(tǒng)的電力設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間同步成為可能.近年來(lái)GPS的OEM接收板大幅度降價(jià),使GPS高精度授時(shí)系統(tǒng)在水電站的普及應(yīng)用成為可能.要實(shí)現(xiàn)水電站系統(tǒng)的電壓同步相量和功角測(cè)量,

5、首先要有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn),并且該基準(zhǔn)要有足夠的精度.現(xiàn)行的自動(dòng)授時(shí)系統(tǒng),大多采用計(jì)算機(jī)本身的時(shí)鐘作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源,但由于計(jì)算機(jī)是利用晶振來(lái)計(jì)時(shí),隨著晶振頻率不同而時(shí)間的精確度也不同,不能足以滿足同步相量和功角監(jiān)測(cè)的要求.全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,簡(jiǎn)稱GPS)是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制發(fā)展而成的全球性、全天候、連續(xù)的星基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng).GPS由三大子系統(tǒng)構(gòu)成:空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收系統(tǒng),其空間由均勻分布在6個(gè)軌道平面上互成收稿日期:2008-02-11作者簡(jiǎn)介:馬 艷(1979-),女,浙江諸暨人,講師.從事計(jì)算機(jī)智能控制研究.1 GP

6、S授時(shí)系統(tǒng)的基本原理GPS衛(wèi)星裝載了高精度的銫原子鐘,所以全球定位系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)提供精確的UTC(UniversalTimeCoordinated)時(shí)間信息.GPS系統(tǒng)每秒向地球發(fā)送1次信號(hào),其內(nèi)容是精度達(dá)1s的秒脈沖選通信號(hào),以及通過(guò)串口輸出的UTC時(shí)間信息.GPS接收機(jī)通過(guò)其接口(一般提供RS232串口)與GPS授時(shí)系統(tǒng)的接收機(jī)通信串口相連接,并將接收的GPS時(shí)間信息存入RAM中,然后通過(guò)軟件對(duì)接收的UTC時(shí)間信息進(jìn)行處理和使用,用以校正授時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間,最后再以此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為準(zhǔn)通過(guò)RS232C和RS485控制校正所有被84浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)4第20卷控對(duì)象的時(shí)鐘時(shí)間.相連,P2

7、口連接74LS138譯碼器來(lái)選擇它們的地址,由此16C550接收從P0口輸出的時(shí)間信息然后轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù).4路串口通信通過(guò)各隔離電路分別連接1個(gè)MAX232芯片和2個(gè)MAX485芯片實(shí)現(xiàn)授時(shí).4個(gè)16C550的中斷請(qǐng)求信號(hào)線INT1INT4通過(guò)1個(gè)與非門連接到AT89S51的外部中斷源INT0,且INT1INT4與P1.4P1.7相連.16C550采用1.8432MHz的晶振,復(fù)位端均與單片機(jī)的復(fù)位端RST連在一起.GM-82接收板輸出的1PPS經(jīng)過(guò)兩次4040計(jì)數(shù)電路轉(zhuǎn)換成分鐘和小時(shí)的脈沖1PPM和1PPH.GM-82發(fā)送另一路串口數(shù)據(jù)經(jīng)隔離電路和一個(gè)MAX485芯片與其他設(shè)備通信.本系統(tǒng)采

8、用±5V的直流電源以及穩(wěn)壓電路給系統(tǒng)供電.整個(gè)系統(tǒng)集成化程度高,模塊間接口較簡(jiǎn)單,體積小,運(yùn)行穩(wěn)定可靠.GPS高精度授時(shí)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)基本框圖見(jiàn)圖1.2 硬件系統(tǒng)2.1 硬件系統(tǒng)組成選用HOLUX的GM-82型GPSOEM接收板作為GPS用戶接收機(jī),能同時(shí)追蹤12顆衛(wèi)星,除了發(fā)送1PPS并且發(fā)送NMEA-01832.2版本ASCII碼數(shù)據(jù)(包括經(jīng)度、緯度、時(shí)間等信息),每當(dāng)1PPS上升沿時(shí)刻更新一次數(shù)據(jù).該接收板體積小、性能優(yōu)良而且價(jià)格低廉,易于二次開(kāi)發(fā).本系統(tǒng)選用AT89S51單片機(jī)作為控制中心.選用74HC154作為12位“年年月月日日”、“時(shí)時(shí)分分秒秒”的譯碼器;選ULN2003

9、A芯片作為L(zhǎng)ED顯示位選驅(qū)動(dòng)器,它與譯碼器直接相連從而驅(qū)動(dòng)各個(gè)七段LED數(shù)碼管,用三極管放大電流作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng).單片機(jī)P0口和4個(gè)16C550數(shù)據(jù)輸入端D0D7圖1 GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 授時(shí)系統(tǒng)工作原理GM-82OEM接收板到AT89S51單片機(jī)的串行傳輸率為9600bps.單片機(jī)以中斷方式接收來(lái)自GM-82接收板的導(dǎo)航衛(wèi)星原始數(shù)據(jù),丟掉其它數(shù)據(jù)只保留時(shí)間數(shù)據(jù),放入緩沖區(qū),然后進(jìn)行整理并保存到另一個(gè)緩沖區(qū).按照顯示地址從已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)從P0口傳送給12位LED數(shù)碼管顯示“年年月月日日”、“時(shí)時(shí)分分秒秒”.AT89S51單片機(jī)從P0口輸出時(shí)間數(shù)據(jù),通過(guò)并入串出芯

10、片16C550、光電隔離、MAX232和MAX485主動(dòng)給2路近距離和2路遠(yuǎn)距離水電站系統(tǒng)設(shè)備授時(shí).從GM-82直接接收的1PPS和另一路串行口以NMEA-0183ASCII碼形式直接輸出時(shí)間信息.1PPS經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)分頻還可以構(gòu)成1PPM和1PPH,即分鐘與小時(shí)的脈沖基準(zhǔn).3 軟件設(shè)計(jì)AT89S51單片機(jī)采用中斷方式接收GM-82按標(biāo)準(zhǔn)格式NMEA-0183以ASCII碼形式發(fā)送的串口數(shù)據(jù).去第2期馬 艷等:GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng)85掉其它信息,只保留時(shí)間數(shù)據(jù),并將其以P0口方式傳送給顯示模塊.對(duì)于接收授時(shí)的設(shè)備或者被控對(duì)象,通過(guò)P0口以及并口轉(zhuǎn)換成串口的形式主動(dòng)傳輸出去.每當(dāng)相應(yīng)一路并口數(shù)

11、據(jù)一次轉(zhuǎn)換完成串口數(shù)據(jù)并且發(fā)送完畢,則發(fā)生中斷,從查詢P1.4P1.7的狀態(tài)來(lái)更新相應(yīng)串口的時(shí)間數(shù)據(jù).3.1 GM-82OEM板的串口通信數(shù)據(jù)格式整的接收這7個(gè)字符后,才能保證是所需要的數(shù)據(jù).GPS時(shí)間中斷接收子程序具體流程見(jiàn)圖2.本系統(tǒng)采用HOLUX的GM-82型GPSOEM板,其串口通信協(xié)議為:串口的默認(rèn)傳輸率為4800bps,無(wú)奇偶校位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)起始位,1個(gè)停止位.其通信格式選擇NMEA-01832.2版本標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、高程、速度、時(shí)間、衛(wèi)星狀況等許多信息.其中,以ASCII碼為輸出形式的RMC定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句格式如下2,5./S GPRMC,<1>,<

12、2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,*hh<CR><LF>上面定位數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)相關(guān)的符號(hào)位含義為S/ GPRMC為定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句起始標(biāo)志;<1>為協(xié)調(diào)世界時(shí)間UTC內(nèi)容為“時(shí)時(shí)分分秒秒”;<2>為工作狀態(tài),A為可用,V為接收器報(bào)警,本次數(shù)據(jù)無(wú)效;<9>為UTC時(shí)間內(nèi)容為“天天月月年年”;<CR><LF>為語(yǔ)句結(jié)束符.3.2 軟件設(shè)計(jì)流

13、程圖本系統(tǒng)的軟件主要分為初始化、GPS數(shù)據(jù)接收、時(shí)間顯示、數(shù)據(jù)傳送子程序4個(gè)部分.時(shí)間顯示程序較簡(jiǎn)單,單片機(jī)與被授時(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送與一般串行通信基本相似,本文不多加敘述.下面主要介紹系統(tǒng)初始化和GPS數(shù)據(jù)接收的軟件設(shè)計(jì).系統(tǒng)上電后硬件復(fù)位,所有顯示為全熄狀態(tài).此時(shí)單片機(jī)將初始化GPS-OEM和串口初始化,即設(shè)置串口的傳輸率為9600bps,無(wú)奇偶校驗(yàn),8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)起始位,1個(gè)停止位,其通信格式選擇NMEA-0183的2.2標(biāo)準(zhǔn),并以ASCII碼形式輸出;同時(shí)單片機(jī)設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)、對(duì)P0P2口進(jìn)行初始化、設(shè)置顯示初始值、接收和發(fā)送緩沖區(qū).初始化后,系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)人正常工作狀態(tài),主程序包括兩個(gè)方面

14、:一方面進(jìn)行時(shí)間顯示,另一方面發(fā)送已經(jīng)處理好的當(dāng)?shù)貢r(shí)間.由于GM-82板1PPS就發(fā)送的一條時(shí)間定位信息,要完整的接收這條“/S GPRMC”語(yǔ)句,就必須判斷這條語(yǔ)句的頭,也就是“/S GPRMC,”這7個(gè)字符.當(dāng)完圖2 GPS時(shí)間中斷接收子程序流程圖GM-82板傳送過(guò)來(lái)的是格林威治UTC時(shí)間,北京時(shí)間和格林威治UTC時(shí)間相差8個(gè)小時(shí),即北京時(shí)間=UTC時(shí)間+8.但在格林威治UTC時(shí)間16時(shí)以后,北京時(shí)間已經(jīng)是第2天的凌晨了,也就是當(dāng)算出的北京時(shí)間大于或者等于24時(shí),必須減去24才是正確的北京時(shí)間,具體流程見(jiàn)圖3.圖3 北京時(shí)間顯示子程序流程圖4 結(jié) 語(yǔ)本文設(shè)計(jì)的GPS高精度水電站授時(shí)系統(tǒng)采用

15、成(下轉(zhuǎn)第88頁(yè))88浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)第20卷過(guò)RTK流動(dòng)站測(cè)得,外業(yè)工作采集工作量比較大,而且由于這種方法求得的WGS-84坐標(biāo)相對(duì)精度較底,該方法求得轉(zhuǎn)換參數(shù)精度不是很高,由于受基準(zhǔn)站作業(yè)半徑,對(duì)較遠(yuǎn)距離的控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)的獲得需要多次搬站,不利于大面積工程.第2種方法求轉(zhuǎn)換參數(shù),需要當(dāng)?shù)氐腤GS-84坐標(biāo),對(duì)控制點(diǎn)要求比較高.但由于已知高精度WGS-84坐標(biāo),外業(yè)采控制點(diǎn)的工作量可以取消,節(jié)省了工同的計(jì)算方法求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),經(jīng)比較后選擇殘差較小、精度較高的一組參數(shù)使用.(2)由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解精度與已知點(diǎn)兩套坐標(biāo)的精度和區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位的分布有關(guān),因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是有區(qū)域

16、性的,它僅適用于已知點(diǎn)所圈定的區(qū)域和臨近地區(qū),其外推精度明顯低于內(nèi)插精度.因此,在一個(gè)測(cè)區(qū)求解的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)不能直接應(yīng)用到其它測(cè)區(qū).作時(shí)間,還能得到較高精度的轉(zhuǎn)換參數(shù).在一些以往已經(jīng)做過(guò)GPS控制但控制點(diǎn)已經(jīng)有些破壞了,實(shí)地點(diǎn)并不多的情況下或控制點(diǎn)間距較遠(yuǎn)使用第一種方法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)較難的情況下第二種方法顯得尤為實(shí)用.4 求解轉(zhuǎn)換參數(shù)方法應(yīng)注意的問(wèn)題為了提高測(cè)量的精度在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),應(yīng)該注意:(1)求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所使用的已知控制點(diǎn)(通常稱為基準(zhǔn)點(diǎn))的精度、密度及分布狀況對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解質(zhì)量有著直接影響.因此,所選定的基準(zhǔn)點(diǎn)要求精度要高,并且應(yīng)均勻分布在測(cè)區(qū)周圍.基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量視測(cè)區(qū)的大小一

17、般取36點(diǎn)為宜.一般地,在求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),應(yīng)采取不同基準(zhǔn)點(diǎn)的匹配方案,用不(上接第85頁(yè))本低、技術(shù)成熟又易于購(gòu)買的GM-82型GPSOEM接收板,使整個(gè)系統(tǒng)精度高、集成化程度高、輸出模塊接口較簡(jiǎn)單、總成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、且具有較好的抗干擾能力.本系統(tǒng)為水電站電力設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)提供了高精度的時(shí)間信號(hào),具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.參考文獻(xiàn):1 郝 波,岳 軍,尹常永.基于同步相量測(cè)量的高精度授時(shí)信號(hào)的5 結(jié) 語(yǔ)GPSRTK定位技術(shù)是一種定位快速,精度高的測(cè)量方法,而求解轉(zhuǎn)換參數(shù)是其定位過(guò)程中的重要步驟.在工作過(guò)程中,我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況靈活機(jī)動(dòng)的選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法,合理的選擇控制點(diǎn)可以達(dá)到提高測(cè)量精度、增強(qiáng)工作效率的目的.參考文獻(xiàn):1 劉基余,李征航,王躍虎.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用M.北京:測(cè)繪出版社,1995.2 劉大杰.施一民,過(guò)靜君.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.3 劉經(jīng)南,葛茂榮.92中國(guó)GPS會(huì)戰(zhàn)(A級(jí)網(wǎng))數(shù)據(jù)處理分析J.武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào),1996,20(1):40-45.研