基于數(shù)字鎖相原理的gps高精度同步時(shí)段系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字鎖相原理的gps高精度同步時(shí)段系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0新型同步時(shí)鐘系統(tǒng)作為一個(gè)導(dǎo)航、教學(xué)時(shí)間和定位系統(tǒng)，全球信號系統(tǒng)（gps）具有高度的教育時(shí)間精度、免費(fèi)無線成像成本低等特點(diǎn)。人們正在研究和開發(fā)出多種新方法，例如監(jiān)測、保護(hù)和控制能源系統(tǒng)的性能。當(dāng)前,電網(wǎng)故障分析要求各微機(jī)裝置的時(shí)間信息精確在1ms以內(nèi),電網(wǎng)相位測量對時(shí)鐘精度的要求則高達(dá)μs級,行波測距與行波保護(hù)對時(shí)鐘精度的要求達(dá)到1μs,甚至更高?，F(xiàn)有的同步時(shí)鐘技術(shù)絕大部分采用美國的GPS時(shí)鐘或俄羅斯的GLONASS時(shí)鐘為基準(zhǔn),但這些時(shí)鐘產(chǎn)品要么造價(jià)很高,要么精度過低;并且GPS時(shí)鐘在衛(wèi)星失鎖時(shí),誤差達(dá)幾十甚至上百ms;另一方面,GPS信號是由無線電波傳送的,不可避免地會受到各種干擾,甚至可能中斷,很難在一些對時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性要求高,關(guān)系電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定運(yùn)行的重要領(lǐng)域(如電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、在線監(jiān)控等領(lǐng)域)得到實(shí)際應(yīng)用。所以,電力系統(tǒng)利用GPS授時(shí)作為同步時(shí)間源時(shí),必須考慮GPS信號的穩(wěn)定性和失效情況下的對策問題。由于GPS秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差較小,而晶振秒時(shí)鐘的隨機(jī)誤差較小,所以可以將GPS秒脈沖和高精度晶振相結(jié)合,利用兩者誤差互補(bǔ)的特點(diǎn)來產(chǎn)生高精度時(shí)鐘。文獻(xiàn)提出一種利用高精度晶振對GPS時(shí)鐘進(jìn)行在線監(jiān)測并實(shí)時(shí)修正的方法,利用該方法的時(shí)鐘裝置可輸出偏差小于100ns的秒脈沖。但該方法的補(bǔ)償方案計(jì)算較復(fù)雜,且樣本數(shù)據(jù)量較大,對CPU的計(jì)算能力有較高要求。文獻(xiàn)提出了一種補(bǔ)償方案較簡單的高精度時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)方法,但該方法的實(shí)時(shí)性不高,其應(yīng)用受到一定限制。為了修正晶振秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差,本文根據(jù)數(shù)字鎖相原理,提出一種利用GPS秒時(shí)鐘來修正晶振秒時(shí)鐘的方法,并設(shè)計(jì)了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(complexprogrammablelogicdevice,CPLD)的高精度同步時(shí)鐘的硬件實(shí)現(xiàn)方案。該時(shí)鐘系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、穩(wěn)定性好、接口簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。不僅在GPS信號接收正常時(shí)能夠提供高精度時(shí)鐘,而且在GPS失效時(shí)仍能穩(wěn)定工作長達(dá)12h,為電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),有望廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。1高精度同步時(shí)鐘技術(shù)數(shù)字鎖相環(huán)的主要作用是實(shí)現(xiàn)輸出和輸入2個(gè)信號之間嚴(yán)格的相位同步,環(huán)路一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài),輸出信號與環(huán)路的輸入信號(參考信號)之間便保持極小的相位差,而沒有頻差存在,即輸出信號與輸入信號的相位特性一致。本文借鑒這一原理來實(shí)現(xiàn)高精度同步時(shí)鐘,既能保持晶振秒時(shí)鐘較小的隨機(jī)誤差,又能消除晶振秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差。高精度同步時(shí)鐘的數(shù)字鎖相原理如圖1所示。它包括校正脈沖發(fā)生電路、相位比較電路、分頻系數(shù)控制電路和分頻電路4部分。圖中:1PPS為秒脈沖(pulsepersecond,PPS);ub為校正脈沖;fclk為晶振頻率。1校正脈沖ub的ub-ls-pb-ls-pcr的脈沖特性,這也和1pps-10的區(qū)別1PPS是GPS接收機(jī)輸出的GPS秒時(shí)鐘信號,它是校正脈沖發(fā)生器的輸入信號,當(dāng)1PPS的上升沿到來時(shí),校正脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生一個(gè)校正脈沖ub。ub的脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1PPS的周期,它是一個(gè)窄脈沖信號。ub只出現(xiàn)在1PPS的起始時(shí)刻,所以可以代表GPS秒時(shí)鐘的相位。2與1pps的相位關(guān)系分頻電路的輸出PPS是修正后的晶振秒時(shí)鐘。為了使PPS不會因晶振的累計(jì)誤差而出現(xiàn)較大的時(shí)間誤差,必須不斷檢測其與1PPS的相位關(guān)系,并根據(jù)檢測情況調(diào)整PPS的相位,使其誤差不至于積累太大。相位比較電路將完成ub和PPS的相位比較。3pps相位補(bǔ)償計(jì)算分頻系數(shù)控制電路的作用是:根據(jù)相位比較結(jié)果,調(diào)整分頻電路的分頻系數(shù)。當(dāng)不需進(jìn)行相位調(diào)整時(shí),分頻電路的分頻系數(shù)δ按下式進(jìn)行計(jì)算:如果相位比較結(jié)果是PPS的相位超前于1PPS的相位,則由分頻系數(shù)控制電路調(diào)整分頻電路的分頻系數(shù)為δ+1,這時(shí)分頻電路輸出的PPS周期加長、頻率降低,對下一個(gè)PPS實(shí)現(xiàn)了滯后校正。反之,若PPS秒時(shí)鐘的相位滯后于1PPS的相位,則調(diào)整分頻電路的分頻系數(shù)為δ-1,這時(shí)分頻電路輸出的PPS周期變短、頻率增大,對下一個(gè)PPS實(shí)現(xiàn)了超前校正。4晶振信號計(jì)數(shù)分頻電路的作用是根據(jù)分頻系數(shù)δ產(chǎn)生PPS信號。其工作原理為:利用計(jì)數(shù)器對高精度恒溫晶振信號進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或等于定值(用定值保證晶振秒時(shí)鐘的高電平持續(xù)時(shí)間約為200ms)時(shí),分頻電路輸出高電平;當(dāng)計(jì)數(shù)值大于定值時(shí),分頻電路輸出低電平;當(dāng)計(jì)數(shù)值等于分頻系數(shù)δ時(shí),分頻電路輸出高電平,同時(shí)將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值清零,并重新開始計(jì)數(shù)。2誤差分析和處理2.1pps累計(jì)誤差由于1PPS存在隨機(jī)誤差,其上升沿總是在國際標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘(universalcoordinatedtime,UCT)上升沿的左右隨機(jī)波動,所以用此信號去同步晶振秒脈沖,會使晶振秒脈沖的上升沿也會在標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘上升沿的左右波動,但波動范圍會小于1PPS的波動范圍?？梢奝PS會隨著1PPS在UCT的左右波動,且每次的波動幅度為一個(gè)晶振周期。考察n個(gè)PPS序列t1,t2,???,tn,設(shè)第1個(gè)秒時(shí)鐘t1與UCT的初始偏差為a,每秒時(shí)間間隔誤差為b,每個(gè)秒時(shí)鐘對應(yīng)的誤差分別為μ1,μ2,???,μn,標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘為t0,則第i個(gè)PPS的誤差為式中:n1為i秒內(nèi)PPS超前1PPS的次數(shù);n2為i秒內(nèi)PPS滯后1PPS的次數(shù);T0為晶振周期。由式(2)可知:PPS在初始階段,即i值較小時(shí),其累計(jì)誤差(bi)較小;但對于較長時(shí)間后的PPS,即i值較大時(shí),則存在較大的累計(jì)誤差;分頻系數(shù)的適當(dāng)調(diào)整會消除晶振累計(jì)誤差的影響;所以PPS在一段較長時(shí)間內(nèi)的累計(jì)誤差趨于0。然而,如果1PPS連續(xù)多次以較大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)在UCT的左側(cè)或右側(cè)時(shí),PPS也會相應(yīng)地連續(xù)左移或連續(xù)右移,從而也會產(chǎn)生較大的隨機(jī)誤差;且因其每次只校正1個(gè)晶振周期,所以在PPS出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差后,若晶振頻率較高,則PPS會在一段時(shí)間內(nèi)保持較大的隨機(jī)誤差。2.2分頻系數(shù)不同時(shí)長考慮到高精度晶振的隨機(jī)誤差較小,為避免PPS隨1PPS出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差,可采用如下規(guī)則來產(chǎn)生PPS:1)若某一次分頻系數(shù)從δ調(diào)整為δ+1,則在定值n0個(gè)秒時(shí)鐘(如10s)內(nèi)保持分頻系數(shù)不大于δ。2)若某一次分頻系數(shù)從δ調(diào)整為δ-1,則在定值n0個(gè)秒時(shí)鐘內(nèi)(如10s)保持分頻系數(shù)不小于δ。這樣,便可使PPS不會連續(xù)左移或連續(xù)右移,從而避免出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差,并可使PPS的累計(jì)誤差不超過1個(gè)晶振周期,極限情況時(shí)仍能保持在2個(gè)晶振周期內(nèi)?？梢姰?dāng)晶振頻率足夠高時(shí),PPS的隨機(jī)誤差要遠(yuǎn)小于1PPS的隨機(jī)誤差;且因PPS隨著1PPS的波動而不斷調(diào)整分頻系數(shù),PPS的累計(jì)誤差在長時(shí)間后也會趨于零。所以根據(jù)數(shù)字鎖相原理,利用1PPS來校正晶振秒時(shí)鐘,既可以消除晶振秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差,又保持了晶振秒時(shí)鐘隨機(jī)誤差低的特性。3高精度同步時(shí)鐘設(shè)備的實(shí)現(xiàn)3.1顯示模塊設(shè)計(jì)根據(jù)高精度同步時(shí)鐘的產(chǎn)生原理,設(shè)計(jì)GPS同步時(shí)鐘的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。GPS高精度同步時(shí)鐘主要由GPS接收機(jī)、中央處理單元、CPLD功能模塊和顯示模塊組成。GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS信號的接收,對接收信息脈沖進(jìn)行解碼,輸出解碼的時(shí)鐘數(shù)據(jù)信息,并發(fā)出1PPS秒脈沖信號。中央處理單元實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)信息的分析、處理,發(fā)布秒以上的時(shí)間信息,讀取或設(shè)置CPLD中的秒時(shí)間信息。CPLD功能模塊實(shí)現(xiàn)對GPS秒時(shí)鐘信號的校正,產(chǎn)生高精度同步秒時(shí)鐘。顯示模塊實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的顯示功能。3.2時(shí)間/時(shí)域輸出GPS接收機(jī)采用MOTOROLA公司的M12ONCORE接收器,接收RTCMSC-104類型1和類型9信息,經(jīng)處理后可輸出摩托羅拉二進(jìn)制格式(9600波特)或NMEA0183格式(4800波特)的時(shí)間信息流和誤差小于500ns的1PPS秒時(shí)鐘。信息流中包含有年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息。其接口信號如圖3所示。3.3速度同步時(shí)鐘模塊中央處理單元是時(shí)鐘裝置的核心模塊,其主要功能為解讀GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信息流,讀取CPLD中的秒時(shí)鐘信息,控制CPLD產(chǎn)生高精度秒時(shí)鐘信號,控制其他功能模塊和相關(guān)芯片工作,判斷接收機(jī)收信情況,輸出秒以上的時(shí)間信息等。它將同步時(shí)鐘內(nèi)部的各個(gè)芯片以及控制命令都抽象為具有特定地址的邏輯上的寄存器,CPU通過訪問這些地址來和其他功能單元進(jìn)行通信。其他功能單元與CPU連接的信號線有片選線、讀寫控制線、地址線和數(shù)據(jù)線等。中央處理單元的主要工作過程為:CPU解讀GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信息流,提取出年、月、日、時(shí)、分、秒時(shí)間信息及所跟蹤的衛(wèi)星數(shù);并由中斷子程序讀取CPLD中存儲的晶振秒時(shí)鐘的分頻計(jì)數(shù)值;對接收機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行判斷,如果接收機(jī)工作正常,則由CPLD根據(jù)數(shù)字鎖相原理產(chǎn)生高精度時(shí)鐘;如果接收機(jī)工作不正常,則從歷史數(shù)據(jù)庫中依次調(diào)出分頻計(jì)數(shù)值,送往CPLD產(chǎn)生高精度時(shí)鐘。中央處理單元接口電路見圖4。3.4cpld功能模塊CPLD功能模塊如圖5所示。時(shí)鐘裝置采用CPLD的實(shí)現(xiàn)方法不僅克服了以往的電路復(fù)雜、抗干擾能力差等缺點(diǎn),還具有集成度高、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。CPLD的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到幾百M(fèi)Hz,再加上并行處理的特性,可以達(dá)到很高的處理速度,使得其適合于對時(shí)間精度要求較高的系統(tǒng)。CPLD功能模塊的主要功能是:利用高精度恒溫晶振對GPS接收機(jī)發(fā)出的秒時(shí)鐘信號進(jìn)行計(jì)數(shù),根據(jù)中央處理單元發(fā)出的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生高精度秒時(shí)鐘信號。具體過程如下:1)GPS信號有效時(shí),根據(jù)數(shù)字鎖相原理產(chǎn)生高精度秒脈沖;并將晶振秒脈沖的分頻計(jì)數(shù)值存儲,通知CPU讀取該計(jì)數(shù)值。2)GPS信號失效時(shí),根據(jù)CPU發(fā)送的數(shù)值產(chǎn)生高精度秒時(shí)鐘信號:CPLD中由一個(gè)25位秒脈沖計(jì)數(shù)器不斷計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值等于3D0900時(shí),輸出秒脈沖低電平;當(dāng)計(jì)數(shù)值等于CPU送來的數(shù)值時(shí),計(jì)數(shù)器清零并重新開始計(jì)數(shù),同時(shí)輸出秒脈沖高電平。4模擬測試和實(shí)驗(yàn)測試4.1次仿真結(jié)果CPLD采用Altera公司的EPM7192S,仿真軟件為MAXPLUSII。在做仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),由于計(jì)算機(jī)資源不足,無法進(jìn)行秒級的仿真實(shí)驗(yàn),本文中用頻率為100Hz的信號代替秒脈沖,其他信號仍按實(shí)際情況處理,仿真50ms的時(shí)間。圖6反映的是同一次仿真的4個(gè)不同片斷。從圖6(a)和圖6(b)可以看出:GPS接收器工作正常時(shí)(CPUKZH端為“0”),輸出端(PPS端)的波形滯后于輸入端(1PPS端)的波形,時(shí)延約為6.5ns(晶振頻率為50MHz)。從圖6(c)和圖6(d)可以看出:GPS接收器工作不正常時(shí)(CPUKZH端為“1”),輸出PPS的周期為10ms(模擬1s),時(shí)延約為7.4ns。上述仿真結(jié)果是在理想狀態(tài)下產(chǎn)生的,沒有考慮實(shí)際情況,裝置在實(shí)際工作中的誤差要比仿真時(shí)要略大。其誤差來源除去可由軟件校正的誤差外,還有2個(gè)方面:1)秒時(shí)鐘的上跳沿與晶振時(shí)鐘的上跳沿不同步,晶振時(shí)鐘的上跳沿要滯后于秒時(shí)鐘的上跳沿,其誤差最大可達(dá)20ns;2)CPLD中的門延時(shí)及計(jì)數(shù)器清零、計(jì)數(shù)所需的延時(shí)。由仿真結(jié)果可以看出這2項(xiàng)誤差之和不會超過1個(gè)計(jì)數(shù)周期。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析筆者根據(jù)本文方法制作了同步時(shí)鐘,并將其應(yīng)用于行波故障定位系統(tǒng)中,其電路板如圖7所示。為對本文提出的高精度同步時(shí)鐘進(jìn)行可行性研究,特利用本文方法產(chǎn)生的PPS和1PPS進(jìn)行了對比試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中GPS接收機(jī)采用MOTOROLAVPONCORE,其秒脈沖隨機(jī)誤差服從均值為零的正態(tài)分布,σ=50ns,調(diào)整閾值n0設(shè)為30。高精度恒溫晶振頻率100MHz,頻率精度10-9,頻率穩(wěn)定度10-11。用示波器比較1PPS和本文方法產(chǎn)生的PPS,實(shí)驗(yàn)時(shí)間長度為2h,第1小時(shí)2個(gè)GPS接收機(jī)均正常工作,第2小時(shí)本文方法所用GPS接收機(jī)工作不正常(拔掉GPS接收機(jī)的天線),另一GPS接收機(jī)正常工作。實(shí)驗(yàn)開始時(shí),將2個(gè)秒時(shí)鐘的上升沿調(diào)整到與示波器的軸線重合,如圖8(a)所示;實(shí)驗(yàn)50min時(shí)的對比波形如圖8(b)所示;實(shí)驗(yàn)120min時(shí)的對比波形如圖8(c)所示。圖8中,1PPS為正常GPS秒時(shí)鐘信號,PPS為本文方法產(chǎn)生的高精度秒時(shí)鐘信號;示波器的軸線為絕對秒時(shí)鐘的起點(diǎn)(上跳沿瞬間)。從圖8可以看出,本文方法產(chǎn)生的高精度秒脈沖的隨機(jī)誤差在GPS接收機(jī)工作正常時(shí)小于1PPS的隨機(jī)誤差;在GPS長時(shí)間失效后仍能保持較高的時(shí)間精度。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用本文方法對晶振秒脈沖累計(jì)誤差進(jìn)行校正后,GPS信號有效時(shí)的最小時(shí)間誤差可以達(dá)到1~2ns,平均誤差約20ns;GPS信號失效1h的最大誤差約100ns。由此可見本文提出的方法能夠很好地消除晶振秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差,而隨機(jī)誤差也能保持在較小的范圍內(nèi)。5高精度時(shí)鐘系統(tǒng)本文根據(jù)GPS時(shí)鐘