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基于GPS的時(shí)標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法探究
摘要：介紹一種利用全球定位系統(tǒng)（GPS）并輔以復(fù)雜可編程邏輯器件，給高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)帖上精確時(shí)間標(biāo)簽的方法。該方法顯著地提高了時(shí)間標(biāo)簽的精度和可靠性。利用MAXPLUSII開發(fā)環(huán)境驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。此設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到自行設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集卡中。關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)（GPS）復(fù)雜可編程邏輯器件時(shí)間標(biāo)簽ADuC812
基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的雙端行波故障定位系統(tǒng)是利用行波的第一個(gè)波頭到達(dá)線路兩端的時(shí)間差來計(jì)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％)，因此對行波波頭到達(dá)線路兩端時(shí)刻的時(shí)間精度要求非常高。在現(xiàn)場運(yùn)行中，由于衛(wèi)星信號調(diào)整、天線干擾以及GPS接收系統(tǒng)故障等原因，使得GPS接收系統(tǒng)可能在短時(shí)間內(nèi)失步。這時(shí)不同廠站間GPS接收器發(fā)出的秒脈沖之間的相對誤差可能達(dá)到幾百μs。再者，相對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，單片機(jī)對時(shí)間的分辨能力很低，而且單片機(jī)不能直接得到故障發(fā)生時(shí)對應(yīng)于靜態(tài)存儲(chǔ)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(biāo)簽的精度和可靠性，直接影響故障測距的精度，甚至導(dǎo)致定位失敗。針對上述問題，對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中精確時(shí)標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討。
1全球定位系統(tǒng)
GPS是美國于1993年全面建成并運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時(shí)系統(tǒng)。電力系統(tǒng)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(nèi)4-8顆衛(wèi)星信號，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件通過對接收到的信號進(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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(格林威治時(shí)間)的同步誤差不超過1μs；(2)經(jīng)串行口輸出的與PPS脈沖前沿對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期代碼。若以PPS信號作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各時(shí)鐘，則能保證各廠站時(shí)鐘的高精確度同步運(yùn)行。
2ADuC812
ADuC812芯片是美國AD公司推出的微轉(zhuǎn)換器。它是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集微系統(tǒng)，其組成為：一個(gè)8通道、5μs轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度自校準(zhǔn)、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(jì)數(shù)／定時(shí)器和32條可編程I／0接口的8051／8052微控制器；256字節(jié)的SRAM。由于ADuC812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能夠訪問16MB的外部數(shù)據(jù)地址空間。ADuC812的內(nèi)核是國內(nèi)技術(shù)人員熟悉的Intel8051，應(yīng)用開發(fā)比較方便。
3復(fù)雜可編程邏輯器件及MAXPLUSII開發(fā)平臺(tái)
本設(shè)計(jì)選用ALTERA公司的MAX7000系列復(fù)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(gòu)。它采用E2CMOS工藝制作，傳播延遲最小為3．5ns，可以實(shí)現(xiàn)速度高于200MHz的計(jì)數(shù)器，非常適合高速設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用。該公司推出的MAXPLUSⅡ軟件是一款易于使用的開發(fā)工具，其界面友好、集成化程度高、兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、支持FLEX等系列產(chǎn)品。CPLD要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能一般是在MAXPLUSⅡ環(huán)境下通過硬件描述語言開發(fā)出來的，并能脫離硬件對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，在確認(rèn)邏輯功能正確無誤的情況下，通過并行口下載燒到CPLD中。CPLD在實(shí)際應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)以內(nèi)部連線代替外部器件的連接，降低了噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)了線路互聯(lián)的較短延時(shí)。
(2)可以在板編程，提高了系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試效率。
(3)在實(shí)際調(diào)試前，可由MAXPLUSⅡ開發(fā)平臺(tái)對CPLD的邏輯功能進(jìn)行仿真，確保了系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的正確性。
圖2和圖3
4GPS失步監(jiān)測及時(shí)鐘信號實(shí)現(xiàn)方案
對GPS的PPS失步監(jiān)測是通過解讀其有關(guān)輸出語句報(bào)文信息來實(shí)現(xiàn)的。報(bào)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(shù)據(jù)代碼為ASCⅡ碼字符。在NMEA-0183的主要語句中，GPRMC為時(shí)間、定位和日期輸出語句，其標(biāo)準(zhǔn)格式為：
$GPRMC,hhmmss．ss,a,ddmm．mmmm,n,dddmm．mmmm，w,z．z,y．y,ddmmyy,d．d，v*CC<CR><LF>
每一項(xiàng)以逗號相隔，其中第一項(xiàng)為格林威治時(shí)間的時(shí)、分、秒信息；第九項(xiàng)為格林威治時(shí)間的日、月、年信息；第二項(xiàng)為定位數(shù)據(jù)是否有效信息，"A"表示有效，"V"表示警告或者數(shù)據(jù)無效。單片機(jī)通過解讀此報(bào)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(wèi)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(jì)數(shù)器臨時(shí)替代GPS發(fā)出秒脈沖信號，使不同廠站間時(shí)鐘偏差在一定時(shí)間內(nèi)控制在要求的范圍。時(shí)鐘系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
時(shí)鐘系統(tǒng)工作過程如下：
(1)采用
Jupiter型GPS接收器，在秒脈沖信號前沿來臨前先發(fā)報(bào)文。
(2)采用單片機(jī)(如AT89C2051)接收GPS串行報(bào)文數(shù)據(jù)，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(qū)動(dòng)25位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿1312D00H個(gè)數(shù)(時(shí)間為1s)時(shí)，計(jì)數(shù)器清零重新開始計(jì)數(shù)，同時(shí)在其輸出口置"1"。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到7D000H個(gè)數(shù)(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(dāng)單片機(jī)獲悉GPS接收器跟蹤到衛(wèi)星信號時(shí)，P1．0口置"1"，與門(1)打開，與門(2)關(guān)閉，在與門(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(jì)數(shù)器清零使之重新開始計(jì)數(shù)，為計(jì)數(shù)器提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，以減少計(jì)數(shù)器的累計(jì)誤差。
(5)當(dāng)單片機(jī)獲悉GPS接收器沒有跟蹤到衛(wèi)星信號時(shí)，P1．0口置"0"，與門1關(guān)閉，與門2打開，由25位計(jì)數(shù)器臨時(shí)產(chǎn)生秒脈沖信號。用MAXPLUSⅡ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1秒鐘的仿真實(shí)驗(yàn)，可以仿真1ms的情況。計(jì)數(shù)器計(jì)滿4E20H個(gè)數(shù)(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。
圖4
5精確時(shí)間標(biāo)簽的實(shí)現(xiàn)方案
時(shí)鐘系統(tǒng)能保證在任何情況下產(chǎn)生個(gè)穩(wěn)定的、高精度的秒脈沖信號，從而為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確的時(shí)間標(biāo)簽打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
時(shí)標(biāo)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。高速ADC、地址發(fā)生器、地址計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器在時(shí)鐘源CLK(5MHz)的同步下以統(tǒng)一的步調(diào)工作。在ADuC812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(jì)數(shù)器同時(shí)清零；當(dāng)故障信號出現(xiàn)時(shí)，ADuC812將P3．5置"1"，計(jì)時(shí)器和地址計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)；暫態(tài)信號記錄完畢后，ADuC812分時(shí)讀出計(jì)時(shí)器中的值并將該數(shù)值保存在雙口RAM中，此值即為精度為0．2μs的時(shí)間信息；A-DuC812分時(shí)讀出地址計(jì)數(shù)器中的值并將該數(shù)值保存在雙口RAM中，此地址的精確時(shí)間即為計(jì)時(shí)器中的計(jì)數(shù)值。這樣，就為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上了精確的時(shí)間標(biāo)簽。
時(shí)標(biāo)系統(tǒng)工作過程如下：
（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(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)。ADuC812控制內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換模塊對經(jīng)過調(diào)整的取自電流互感器二次側(cè)的電流進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。采用半波比較，在每個(gè)工頻內(nèi)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，依此類推。如果大于事先設(shè)定的門檻值即認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生，ADuC812將P3．5置"1"，計(jì)時(shí)器和地址計(jì)數(shù)器同時(shí)停止計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)器中的數(shù)據(jù)即為地址計(jì)數(shù)器記錄的對應(yīng)于SRAM相同地址的采集數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)簽。由于高速ADC的轉(zhuǎn)換頻率固定(本次設(shè)計(jì)為5MHz)，所以，可以此為基準(zhǔn)為整個(gè)SRAM中的采集數(shù)據(jù)貼上時(shí)間標(biāo)簽。
(2)當(dāng)P3．5置"0"即STOP端口為低電平時(shí)，計(jì)時(shí)器在5MHz的時(shí)鐘源下以相同的頻
率計(jì)數(shù)。由于它是一個(gè)24位的計(jì)數(shù)器，從而確保了計(jì)時(shí)器能夠記錄一個(gè)整秒，并為一個(gè)整秒刻上了o．2ps(五而1丐面子：o．21xs)的最小刻度。時(shí)鐘系統(tǒng)輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿給計(jì)時(shí)器清零，從而為計(jì)時(shí)器提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，以消除計(jì)時(shí)器的累計(jì)誤差。
(3)當(dāng)P3．5置"1"即STOP端口為高電平時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)數(shù)，在此狀態(tài)下時(shí)鐘系統(tǒng)輸出的PPS信號(或SECOND信號)的上跳沿不能對計(jì)時(shí)器清零。
(4)地址計(jì)數(shù)器的工作過程與計(jì)時(shí)器的工作過程類似，唯一的區(qū)別是地址計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值完全相同。同理，當(dāng)STOP端口為高電平時(shí)，地址計(jì)數(shù)器也停止計(jì)數(shù)，在此狀態(tài)下ADuC812發(fā)出的清零信號不能改變地址計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值。
圖5
5)由于ADuC812是一種8位單片機(jī)，所以地址計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)器中的數(shù)據(jù)只能"分批"地送至雙口RAM中保存。所以要設(shè)計(jì)鎖存器、譯碼電路和總線隔離電路，避免總線沖突以及保證總線上的數(shù)據(jù)能正確無誤地傳遞。在本次設(shè)計(jì)中；當(dāng)ADuC812的特殊功能寄存器DPP高3位的值為"00H"時(shí)將計(jì)時(shí)器的高8位數(shù)據(jù)通過A-DuC812送至雙口RAM中。依此類推，當(dāng)特殊功能寄存器DPP高3位的值為"05H"時(shí)將地址計(jì)數(shù)器的低8位數(shù)據(jù)通過ADuC812送至雙口RAM中保存。當(dāng)特殊功能寄存器DPP為其它值時(shí)釋放數(shù)據(jù)總線，便于ADuC812進(jìn)行其它操作。其仿真結(jié)果如圖5所示。
本文對GPS失步后的補(bǔ)救措施及給高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)貼上精確時(shí)間標(biāo)簽的方法進(jìn)行了詳盡的敘述和仿真，得出如F結(jié)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(tǒng)產(chǎn)生的秒脈沖信號能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
(2)設(shè)高速ADC的轉(zhuǎn)換頻率為5MHz，時(shí)標(biāo)系統(tǒng)能為存人SRAM中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)貼上精度為0．2μs的時(shí)間標(biāo)簽。
(3)通過CPLD間接地實(shí)現(xiàn)了"低速"的單片機(jī)系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。
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