（地球探测与信息技术专业论文）gps同步校频技术在三维电磁采集系统中的应用.pdf

摘要 时间同步是三维电磁勘探技术中一项重要内容。定时信号的同步 精度和时钟频率的稳定性将直接影响同步采集数据的质量，是后期的 数据处理和分析能正常进行的保障。 基于以上原因，本文设计了一种应用于三维电磁采集站的同步校 频系统。系统基于g p s 与恒温晶振的特点，以g p s 同步授时信号为基 准来实时测量和校准恒温晶振频率，提高恒温晶振的准确度和长期稳 定性。在系统中利用f p g a 的进位逻辑资源设计了高分辨率的时间间 隔测量模块，有效缩短了频率测量和校准的时间；并且使用嵌入式处 理器软核p i c o b l a z e 对系统进行监控，充分发挥了f p g a 的集成优势。 此外，系统利用校准后的晶振时钟分频输出各种采集所需的同步定时 信号，避免了g p s 授时信号短期稳定性差的影响。 文章先分析了三维电磁勘探技术的特点及实现该技术需要解决 的关键问题，在此基础上通过对时间同步和频率校准技术的研究，提 出了相应的解决方案。然后文章具体介绍了g p s 同步校频系统的设计 方法，并针对g p s 同步授时信号在传输过程中受到的噪声干扰，详细 介绍了g p s 秒脉冲处理算法在单片机程序中的实现方法。最后针对所 做工作进行了总结，并提出进一步的改进和建议。 关键词三维电磁勘探，g p s 同步授时信号，时间同步，频率校准 a b s t r a c t t i m e s y n c h r o n i z a t i o n i sa n i m p o r t a n t t e c h n o l o g y i n3 d e l e c t r o m a g n e t i ca c q u i s i t i o n t h es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c ya n df r e q u e n c y s t a b i l i t yh a v eg r e a te f f e c to nd a t aa c q u i s i t i o nq u a l i t ya n d f u r t h e r m o r ew i l l a f f e c tt h ed a t ap r o c e s s i n ga n dd a t aa n a l y s i s f o ra b o v er e a s o n ，at i m es y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c yc a l i b r a t i o n s y s t e mw a sd e s i g n e d i tw i l lb ea p p l i e di n3de ma c q u i s i t i o ns t a t i o n s t h e s y s t e m i sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg p sa n do c x o ( o v e n c o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r ) ；t h e1p p ss i g n a lf r o mg p sm o d u l e w a su s e da st h ef r e q u e n c ya n dp h a s eb a s et oc a l i b r a t et h eo u t p u tc l o c ko f o c x o t h u st h ea c c u r a c ya n dl o n g t e r m s t a b i l i t y o fo c x ow a s i m p r o v e d i nt h ed e s i g n ，d e d i c a t e dc a r r yl o g i c si nf p g aa r eu s e dt o c o n s t r u c t h i g h - r e s o l u t i o n t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tm o d u l e ，w h i c h e f f e c t i v e l ys h o r t e nt h et i m eo fm e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o n f o r t h e m o r e ， s o f ti pp r o c e s s o rp i c o b l a z ei se m p l o y e dt os u p e r v i s et h es y s t e m ，w h i c h g i v e sf u l lp l a yt ot h ei n t e g r a t e da d v a n t a g eo ff p g a i nt u mt h eo u t p u t c l o c ko fo c x oc a np r o v i d ep u l s ep e rs e c o n do rp e rm i n u t es i g n a lb y m e a n so ff r e q u e n c yd i v i s i o n ，w h i c hh a sb e r e rs h o r t t e r ms t a b i l i t yt h a n 1p p ss i g n a l i nt h i sp a p e rt h ef e a t u r e sa n dk e yt e c h n i c a lp r o b l e m so f3de m a c q u i s i t i o nm e t h o da r ed e s c r i b e df i r s t t h e n t h es o l u t i o n so ft i m e s y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c yc a l i b r a t i o nt e c h n i q u ea r ep r o p o s e d a f t e r t h a tt h ed e t a i l so ft h et i m es y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c yc a l i b r a t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，r e f e r r i n gt ot h en o i s ei n t e r f e r e n c ed u r i n g 1p p ss i g n a lt r a n s m i s s i o n ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no fn o i s e r e d u c t i o na l g o r i t h ma n di t sp r o g r a mr e a l i z a t i o ni nm i c r o c o n t r o l l e r a tt h e e n do ft h ep a p e rt h es u m m a r ya n ds u g g e s t i o n so ft h ew o r ka r eg i v e n k e y w o r d s3 de ma c q u i s i t i o n ，1p p s s i g n a l ，s y n c h r o n i z a t i o n ， f r e q u e n c yc a l i b r a t i o n i i 图表目录 表1 1 同步授时信号的比较3 图2 1 恒温晶振基本原理5 图2 2 频率准确度测量原理6 图3 1 同步校频系统总体设计方案9 图4 1s p a r t a n 3 系列f p g a 基本机构。1 2 图5 1f p g a 数字电路结构功能1 3 图5 2 时间间隔测最原理1 4 图5 3s p a r t a n 一3 系列c l b 连线结构1 5 图5 _ 4s p a r t a n 一3 系列s l i c e 结构1 6 图5 5 延迟线构造原理1 7 图5 - 6 延迟线在f p g a 中的布局1 8 表5 1 延迟信息( 精度o i n s ) 1 9 图5 7 延迟线的测量分辨率1 9 表5 2 延迟信息( 精度1 p s ) 1 9 图5 8 寄存器的建立和保持时间2 0 图5 - 9 两级寄存器法抑制亚稳态2 l 图5 1 0 使用两级寄存器法后的延迟线结构2 2 图5 一1 1 延迟信息锁存逻辑一2 3 表5 3 编码单元的功能表2 3 图5 1 2 起停型计数器2 4 图5 1 3 计数器翻转时序2 5 图5 1 4 方案一的计数单元基本框架2 5 图5 1 5 方案一的粗测量模块的构造2 6 图5 1 6 方案二的粗测量模块构造2 7 图5 。1 7 利用延迟线输出复位1 p p s 信号寄存器2 7 图5 1 8s r l l 6 e 移位寄存器结构2 8 图5 1 9 利用s r l l6 e 实现1 0 分频2 9 图5 - 2 0 利用s r l l 6 e 实现1 6 0 分频2 9 图5 2 11 6 0 分频时序图3 0 图5 2 2 分频堆元的基本结构3 0 图5 2 3 中断输出单元的基本结构3 l 图5 2 4d c m 功能模块3 2 图5 2 5d c m 输入时钟的配置3 4 图5 2 6d c m 时钟输出缓冲的配置3 5 图5 2 7d c m 输入时钟频率的配置3 5 图5 2 8 利用s r l l6 e 复位d c m 3 6 图5 2 9 利用外部单片机复位d c m 3 6 图5 3 0p i c o b l a z e 处理器软核的结构功能3 7 图5 - 3 1p i c o b l a z e 处理器软核提供的逻辑接口3 9 图5 3 2p i c o b l a z e 读写操作时序3 9 图5 3 3p i c o b l a z e 接口设计框架。4 0 图5 3 4 状态信息寄存器的定义4 l 图5 3 5p b l a z i d e 软件编辑环境界面4 1 图5 3 6p i c o b l a z e 的软件流程4 2 图5 3 7 传输信息的格式定义4 3 图5 3 8u a r t 模块接收单元结构4 4 图5 3 9u a r t 模块发送单元结构4 4 图5 - 4 0p i c o b l a z e 与u a r t 模块的连接4 5 图5 4 l 波特率采样时钟4 5 图5 _ 4 2 秒脉冲输出单元基本结构。4 6 图5 - 4 3 分脉冲输出单元基本结构4 7 图6 1c 8 0 5 1 f 3 1 0 结构原理。4 8 图6 - 2 交叉开关配置电路。4 9 图6 3 单片机程序流程5 0 图6 _ 4u a r t 波特率逻辑5 2 图6 - 5s m b u s 数据传输5 2 图6 石a d 5 5 4 1 时序图5 3 图6 7 原始时间间隔测量数据5 5 图6 8 滤波处理后的曲线图5 6 图6 - 9 晶振频率调节流程5 7 图7 1 电路板正面5 8 图7 2 电路板反面5 8 图7 3 系统连接p c 调试5 9 图7 4 系统串口输出的调试信息5 9 图7 5 同步前对比采集的时间序列数据6 0 图7 - 6 同步前采集系统的传递函数相位6 0 图7 7 同步后采集的时间序列数据6 l 图7 8 同步后采集系统的传递函数相位6 l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题设计的背景 第一章绪论 电磁法作为一种重要的勘探地球物理方法，应用广泛，分支众多，其中金属 矿产勘探是电磁法的传统应用领域。随着各种电磁技术研究的不断开展，电磁 法的应用已经拓展到地热地下水、工程地质、油气资源、海洋资源等众多勘探领 域。高精度高分辨率的电磁技术是大地电磁勘探的发展趋势，而三维电磁勘探是 其中最具影响的新方法之一，主要包括了三维大地电磁远参考技术和三维电磁系 统站与站全参考技术口儿3 | 。 1 1 1 三维大地电磁远参考技术 大地电磁法是通过测量各种频率下的地表水平电场分量，与正交的水平磁场 分量，然后通过阻抗和电阻率的关系计算视电阻率，从而达到了解地下电性结构 的目的h 1 。由于是利用很弱的天然电磁场源作为测量信号，所以在野外进行大地 电磁观测时，常因各种干扰的存在，导致数据组分散，甚至使得测量结果无法解 释畸1 ；仅靠单个站点的数据记录，在进行资料处理时不能把这些干扰和真正的大 地电磁信号区分开，所以在干扰比较强的地区施工时，一般在干扰平静区设立远 参考点，使用远参考站和测站同步进行数据记录，这样可以得到与测站同步，且 具有与测站信号相关而噪声不相关的参考信号，在数据处理时就可以利用参考站 的数据记录作为参考信号进行处理来实现压制干扰和改进数据质量的目的哺m 。 1 1 2 三维电磁系统站与站全参考技术 三维电磁系统“站与站全参考技术”是为了解决m t 和c e m p 方法存在野外采 集质量与生产效率之间的矛盾，以及分辨率与复杂地质课题之间的矛盾而提出的 一种全参考、全张量和三维施工的电磁勘探技术阳儿钔n 训。其中全参考是指在整个 勘探区域同时布设一个或多个远参考站，对勘探区域的所有测点进行参考。全张 量是指远参考和所有测点都采集五个分量( e x ，e y ，h x ，h y ，h z ) 的电磁信号。 三维勘探技术是指以面元为单位，多分量采集站为中心，多远参考、互参考和密 集布点、同步采集为特征来获得高质量的采集数据。 由以上可知，三维电磁勘探技术最根本的特点就是需要多个站点同步进行数 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 据采集，所以如何使各个采集站之间相互独立、同步地进行数据采集是实现三维 电磁勘探需要研究的重点问题。 1 2 同步技术的发展现状 时钟同步技术通俗的说法叫“对钟 ，即将分布在不同位置的时钟同步对准。 从定义上分时钟同步有两种：时间同步和频率同步n 帅2 儿1 3 1 。时间同步是要求各地 时钟之间的绝对时间相同，即给定一个时钟标准，使本地时钟与之在频率和相位 上严格同步，并使各地之间的时钟误差维持在最小的范围之内；频率同步只要求 各地的时钟频率相同，而它们可以有任意的相位。本文所说的同步是指前者。 随着科技的发展，时间同步技术在生活生产中显得格外重要。要使本地时间 与标准时问实现统一，就要解决时间这一量值的传递。与其它量值传递相比，时 间量值可以借助有线电缆或无线电波实现远距离传输，而利用无线电波发送标准 时间信号的工作通常叫做授时n 钔n 5 1 。为了满足众多时间用户对标准时间和标准频 率的需要，世界各国设立了许多时间服务机构，同时，短波、甚低频、长波、微 波、电视、卫星、电缆等各种时问频率传递技术也相继发展起来n 引。这些传递技 术把标准时间和标准频率精确地传输到遥远的时间频率用户所在地。用户收到时 间信号后，使本地时钟与标准时间建立时间同步，因而本地时钟给出的时间将与 标准时间保持一致n 7 儿培1 。不同的时间同步技术所得到的同步精度不同，表卜1 是几种同步授时信号的误差比较。 1 、短波同步技术：在1 9 6 0 年以前，短波是向远方传递标准时间的唯一有效 方法。短波同步与短波通信一样，其无线电波的传播方式有两种：即地波和天波。 地波沿地表传播，路径稳定，但衰减较大不适合长距离使用。天波依靠电离层对 短波的反射作用传播，传播距离大，但电离层高度存在周曰变化和季节变化，反 射到用户出的时间信号相位也会随之变化；此外还存在严重的多径效应，产生传 播延时的误差较大n 町瞳叭2 。 2 、长波同步技术：长波可以用来远距离传播标准时间和标准频率信号，在 电导率很高的海面可以传播1 0 0 0 k m 2 0 0 0 k m 。长波的覆盖能力比短波强，且受电 离层扰动的影响比短波要小得多，所以长波授时精度比短波授时精度高乜小2 2 m 2 3 1 。 但由于长波的载频很低，不适合用来传输频谱丰富、前沿陡峭的时间脉冲信号。 3 、专线同步技术：在某些场合可以将标准时间信号通过专用的有线或无线 信道传输，如使用电线、电缆、无线电或无线电等方式实现时间同步，如光纤、 z i g b e e 网络等幽儿2 5 1 。其特点是在局部范围内独立完成主站与用户之间的时间同 步任务的能力强，不需借助主站和用户之外的协作单位，并且专线信道的传输时 延很容易测量，采用的设备也简单，如果传输信号质量可以得到保证，同步精度 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 可以达到很高的标准；但这种法方同样受传输距离的限制，不能大范围的应用。 4 、卫星通信同步技术：利用空间卫星传递时间，具有精度高、覆盖范围广 的优点，一颗同步卫星就可以覆盖地球表面三分之一的广大区域，这是地球上任 何一个广播站台无法做到的。卫星至用户的无线电波是直达波，大气折射影响要 比短波和长波传播的方法小得多乜町乜 。最具代表性的是g p s 全球定位系统。 表1 - 1 同步授时信号的比较 同步手段同步精度 覆盖范围特点 短波高频信号 ( 如b p m ) 1m s 半球授时精度低，时间误差较大 长波低频信号 ( 如l o r a n c ) 1u s - 5 0 u s特定区域特定区域使用，接收困难 卫星通信 ( 如g p s ) 0 1 u s全球稳定性好，容易接收 专线同步 ( 如光纤传输) 0 5 m s特定区域时间误差大，传输范围小 1 3 课题研究的目的及意义 随着地球物理勘探新技术新方法的不断提出及其勘探仪器的迅猛发展，时间 同步技术在该领域得到广泛应用。在地震勘探和电法勘探系统的设计中，时间同 步技术已成为不可缺少的部分之一( 嚣】啪】。 三维电磁采集系统在野外作业时分别以1 5 h z 、1 5 0 h z 、2 4 0 0 h z 三个采样频率 对电磁信号进行采集。其中低频部分1 5 h z 时间序列是以连续的方式采集和记录， 中频部分的1 5 0 h z 时间序列只在奇数分钟里采集和记录，而高频部分的2 4 0 0 h z 时间序列则只在偶数分钟罩采集和记录。由各频段的数据采集方式可以看出，低 频部分在开始信号触发之后便在本地时钟的维持下不停地进行数据采集和记录， 而高频部分则在每次定时信号触发之后才开始采集和记录规定时间段内的数据 信息。因此，定时信号的同步精度和时钟信号的质量是三维电磁采集站之间实现 同步采集的关键。为了维持各个采集站之间的同步关系，不仅需要高精度的同步 定时触发信号，还需要有高准确度和稳定性的时钟频率信号。 因此，本课题主要以实现三维电磁采集站同步采集为目的，研究如何为三维 电磁采集系统提供高精度的同步定时触发信号和稳定的时钟信号。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题的主要研究内容 论文通过对各种时间同步的技术和频率校准方法进行了对比和分析，并结合 三维电磁勘探的特点拟定了g p s 同步校频方案。针对使用直接测频法测量晶振频 率准确度所需时间长和频率调节效率低的问题，本文采用比对法来测量晶振频率 准确度，利用高分辨率的时间间隔测量技术来进一步缩短晶振频率的校准时间。 此外，文中还针对时间间隔测量数据中的噪声干扰进行了实时的滤波处理，有效 地提高了频率调节的精度。本文所做的主要工作为： 1 、分析了三维电磁勘探技术的原理特点，了解三维电磁采集系统的工作特 点及其对时间同步的要求，拟定了论文研究目的。 2 、对比了各种时间同步技术和频率测量方法，并对这些方法的特点进行了 研究和分析，为三维电磁采集系统拟定了g p s 同步校频方案。 3 、基于频率比对的方法，结合x i l i n x 公司的s p a r t a n 一3 系列f p g a 的结构 特点，提出了利用f p g a 中固有的进位逻辑来构造延迟线，以时间内插的测量技 术来提高时间间隔测量的分辨率，并对设计进行了具体的实现及调试。 4 、基于高精度、高集成化、高可靠性等性能考虑，提出了使用p i c o b l a z e 嵌入式处理器软核实时分析g p s 信息和监控系统的工作状态。 5 、对系统的精度及误差来源进行了分析，针对数据中存在的噪声干扰拟定 了滤波处理方案，并对其处理程序进行了设计和调试。 6 、对系统进行了具体的测试和分析，对比了系统使用前后三维电磁采集站 之间的同步采集效果。 最后提出了设计过程中的心得和体会，对g p s 同步校频系统的设计进行了 总结，并提出了对下一步研究开发工作的建议和展望。 4 中南人学硕士学位论文第二章晶体振荡器及其校准原理 第二章晶体振荡器及其校准原理 同步数据采集需要稳定的时钟信号来维持。由于晶体振荡器会随使用时间增 加而出现严重的老化现象，加上外部各种因素和内部电子噪声的作用使其输出频 率发生漂移，所以晶体振荡器的输出频率通常不是它的标称频率，而是在一定范 围内随机起伏。晶体振荡器的频率变化将直接影响给出时间的均匀性，导致各个 采集站间不能建立时间同步。 2 2 恒温晶振的基本原理 恒温晶体全称叫恒温控制晶体振荡器( o v e n - c o n t r o l l e dc r y s t a l o s c i l l a t o r ) 。为了避免外界环境温度变化而影响晶振的频率稳定度，将石英晶 体放到恒温槽内，采用精密的温度控制技术将环境温度对晶体的影响降至最小， 使其输出的频率具有有效的温度特性，其基本结构如图2 - 1 所示。通常恒温槽内 的温度一般比晶振的最高工作温度高8 至1 0 度。单层恒温槽的晶振通常在计数、 延迟时间测量等仪器中应用，而采用双层恒温槽的晶振一般在特定的环境中使 用，实验室条件下它可以达到1 e 一1 2 的日老化率和1 e - 1 3 的秒级稳定度。 愀制i 喜玎慧p 笔l 望ll 一慧| 。 2 2 频率的准确度与稳定度 频率准确度是指频率源的实际频率值与它的标称频率值的偏离或符合程度。 频率准确度用于衡量晶体振荡器频率的不准确程度，所以不准确的程度越小就意 味着准确度越高，其表达式为： a ：叁堕堡二矗笪 厶称值 ( 2 1 ) 中南大学硕士学位论文第二章晶体振荡器及其校准原理 频率稳定度是指频率源在一定时间段内，其内部各种噪声引起输出频率的随 机变化量。频率稳定度描述的是晶体振荡器在一定时间内频率准确度的保持能 力，所以稳定度是准确度的先决条件，如果晶体振荡器没有良好的频率稳定性能 是无法维持较高的频率准确度的。 2 3 频率校准的原理和方法 频率校准通常是指通过调节频率源的实际频率使之与标称频率之间的偏差 缩小在规定范围之内，即使频率源获得更高的频率准确度。所以校准频率源必须 先测量它的频率准确度，再根据测量结果调节其输出频率。 2 3 1 频率准确度的测量方法 测量频率准确度的基本方法有测频率法、测周期法和测相位法三种啪1 。这些 方法都需要有一个作为测量参考的标准信号。根据获得标准频率信号的方式不同 又可以把测量方法分为成直接比对和间接比对两大类。直接比对法是把被校频标 与基准频标放在一起，通过测量频率、测量周期、测量频差或时刻比对等手段得 到被校频标的准确度，标准信号不经过任何传输媒介，其比对精度较高b 。间接 比对法也叫接收比对法，标准频率信号通过有线信道、无限电波等传输媒介传送 到用户，用户以接收机输出的标准频率信号作为测量频率准确度的参考信号呤羽。 频率源给出的时刻与标准时刻之间的差值称为时钟钟差，而频率准确度决定 了钟差的变化速度，即单位时间内钟差的变化量。所以在测量频率源频率准确度 的时候，可以通过使用标准信号间接测量一定采样时间内钟差的变化量，并由此 计算出钟差的变化速度就可以得出频率源相对于标准信号的频率准确度口3 1 。其原 理如图2 2 所示，开始先测量标准信号与频率源之间钟差t ，然后间隔采样时间 a t 后再次测量它们的钟差t ：，其表达式为： 垒l ：t z - t , ( 2 2 ) 厶称值 出 图2 - 2 频率准确度测量原理 6 中南大学硕士学位论文第二章晶体振荡器及其校准原理 2 3 2 时间间隔测量技术 测量钟差实际上是测量频率源给出时刻与标准时刻之间的时间间隔，所以时 间间隔测量技术在频率校准中起着重要的作用。如果需要将晶振频率校准到 1 e 一1l ，而使用的时间间隔测量分辨率只有l o o n s ，则根据式2 - 2 计算所需的采样 累计时间是1 0 0 0 0 s 。因此，为了在短时间内提高晶振的频率准确度，必须采用 高分辨率的时间间隔测量技术。常用的时间间隔测量方法有m 儿3 5 儿蚓： l 、电子计数法：其原理是采用量化时钟对待测时问间隔进行填充，然后通 过计数器得到在时间间隔内量化时钟的脉冲个数，最后根据量化时钟的周期和计 数器记录的脉冲个数计算出待测时间间隔。由于待测时间间隔和量化时钟的边沿 不一致使电子计数法存在无法消除的原理误差，其大小为+ 1 个量化时钟周期口引。 2 、时间间隔扩展法：时间间隔扩展法是在模拟法和电子计数法的基础上发 展起来的，它的测量对象是电子计数法中的原理误差。它结合电子计数法的测量 原理，用模拟法中电容充放电的原理对电子计数法存在的原理误差进行扩展和再 次测量口8 。时间间隔扩展法的测量精度虽然比电子计数法高，但是由于电容充放 电性能受外界影响和充放电时间的非绝对线性的特点造成了模拟内插法时间扩 展的非线性。 3 、延迟线内插法：延迟线内插法也称为t d c 法( t i m e t o d i g i t a l c o n v e r t e r ) ，其原理也是对电子计数法的原理误差再次测量啪1 。具体做法是将时 钟给出的时刻和标准时刻分别作为延迟线的起止信号，则通过统计经过的延时单 元个数，再结合延时单元的延迟时间就能计算出电子计数法的原理误差。这种法 方的突出特点是结构简单且适合单片集成，缺点是测量精度受限于单个延迟单元 的延时时间和延迟线集成的非线性h 们h 。 4 、游标法：游标法的工作原理和游标卡尺测量长度的原理一样，通过主时 钟和副时钟的频率差值得到一个扩展系数，其频率差值越小所得到的测量精度就 越高h 引。虽然理论上游标法可以获得较高的精度和大范围的量程，但由于设计上 要求对主副时钟频率的稳定度很高，相应的时钟电路复杂，测量的高精度也往往 只能在短时间内保持，所以长期以来很少得到实际应用。 从以上可以看出，除了电子计数法外的其他时间间隔测量方法都是对电子计 数法的原理误差进行二次测量，所以这些方法统称为插值法h 3 1 。插值法需要粗计 数器在时钟作用下，统计时间间隔覆盖多少个整数周期，并把测量开始和结束处 小于一个周期的余量送进插值单元做精确测量，其优点在于可以同时满足系统在 量程和分辨率两方面的要求。 7 中南大学硕士学位论文第三章系统的总体设计 3 1 系统的设计方案 第三章系统的总体设计 同步各个采集站点和校准晶振频率都需要有一个标准统一的授时体系。而与 长波、短波、罗兰一c 、广播电视等无线授时技术相比，以g p s 为代表的卫星导航 系统是目前授时精度最高、应用最广的一种授时技术h 铂h 5 1 ，它具有以下特点： 1 、g p s 卫星上都携带铯原子钟和铷原子钟，除本身具有很高的频率稳定度 外，还不断接受地面监测站和主控站的修正，保证卫星时钟与地面g p s 主时钟之 间的精密同步h 钾h 7 i 。 2 、g p s 卫星信号的频率在1 2 g 以上，很容易被屏蔽。g p s 接收模块在复杂 的工作条件下极易受到干扰而引起卫星信号的接收短时间中断。 3 、g p s 信号从卫星传到地面，中间要经过恶劣的大气环境。g p s 接收模块接 收到的时钟信息因星历误差、电离层误差、对流层误差、多径误差等因素影响， 输出的授时信号时刻有一定的随机抖动h 引。 从上述特点可知，g p s 虽然具有较好的长期稳定性，但单纯的g p s 接收机只 能提供高精度的授时信号和时间信息，而无法输出频率信号n 钔嘞1 ；其次在野外复 杂的作业环境中，卫星信号极容易被屏蔽而导致g p s 接收模块卫星失锁，加上卫 星信号在传输过程中受到的各种影响，最终导致g p s 模块输出的授时信号短期稳 定性较差而无法满足野外采集所需的连续且准确的定时信号。 相对而言，恒温晶体振荡器具有良好的短期稳定性，在毫秒到秒级的取样时 间内，恒温晶体振荡器提供的频率是十分稳定的。从前面的分析可知虽然恒温晶 振在单位时间内的误差很稳定，但由于外界环境、老化等因素影响，长时间工作 后的累积误差较大，所以也不能直接使用晶振输出同定时信号。 从以上看出只采用g p s 授时或恒温晶体输出同步定时信号都不能很好地满 足三维同步采集的需求。针对g p s 和恒温晶振各自特点，在设计中将g p s 授时信 号长期稳定性和恒温晶振的短期稳定性结合起来，利用g p s 秒脉冲信号对晶振单 位时间的误差进行测量，并根据测量值对晶振进行校准，然后再用校准过后的晶 振输出同步定时信号。图3 - 1 所示为同步系统的总体设计方案。 8 中南大学硕士学位论文第三章系统的总体设计 3 2 各部分的功能 图3 - 1 同步校频系统总体设计方案 g p s 同步校频系统的各个模块功能如下： g p s 接收模块：用于接收g p s 卫星信号，输出l p p s 同步授时信号和u t c 时 间信息给时间间隔测量模块，用于测量晶振频率准确度。 恒温晶体振荡器：用作本地频率标准，输出i o m 时钟信号，通过它的压控 功能来对其频率进行调整和控制。 时间间隔测量模块：该部分是系统的核心部分，其主要功能是测量1 p p s 信号与晶体振荡器分频脉冲之间的时间间隔，并将测得的数据输出给微控 制器处理。此外，还输出同步定时信号和系统调试信息。 微控制器模块：接收晶振误差测量模块输出的测量数据，并对这些数据进 行滤波处理，并计算出调整晶振频率的控制步长。 控制电压输出模块：数模转换器，用于将微控制器输出的控制步长转换为 控制电压来调节晶振频率。 频率合成模块：利用频率合成芯片对校准后晶振输出的频率进行合成，得 到三维电磁采集系统需要的采样时钟。 9 中南人学硕士学位论文第四章现场可编程器件f p g a 简介 第四章现场可编程器件f p g a 简介 f p g a 从出现至今经历了二十几年的快速发展历程，特别是近几年发展更加 迅速。f p g a 的规模己从最初的1 0 0 0 个可用门发展到现在的1 0 0 0 万个可用门。 由于f p g a 特有的可重构性增加了电子系统设计的灵活性，不仅解决了系统小型 化、低功耗、高可靠性等问题，而且获得了更短的开发时间和更低的投入。f p g a 正在越来越多地取代传统的a s i c ，尤其在上市时间有更高要求的产品中。 4 1f p g a 的基本结构 f p g a 已经从最初的可编程逻辑器件发展到当今的可编程系统，可提供丰富的 可编程资源。最初的f p g a 器件有三种基本的用户可编程资源： 可编程i o ：其器件的引脚可以由用户编程为输入或输出、上拉或下拉等， 还可以根据需要配置各种逻辑电平。 可编程逻辑模块：包括实现组合逻辑和时序电路的基本逻辑单元，可以由 用户编程来构造所需数字系统的各种电路。 可编程连线资源：由长线和分段的短线，以及开关电路组成的连线资源， 可以由用户编程来实现系统功能所需的布线结构。 随着f p g a 器件生产工艺的不断提高，各种新技术被广泛应用到f p g a 芯片设 计生产的各个环节。按照器件的生产工艺和进行配置的不同方法，可以将f p g a 分成三种类型。 1 、基于s r a m 查找表结构的f p g a ：查找表简称为l u t ，其本质上是一个s r a j v i 。 多数f p g a 中使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成是一个有4 位地址线 的1 6 x i 的s r a m 。当用户描述一个逻辑电路后，f p g a 设计软件会计算逻辑电路所 有可能出现的结果，并把结果事先存入s r a m 。每当有输入信号进行逻辑运算就 相当于一个地址进行查表，找出地址对应的内容输出。由于s r a m 的特性决定了 这类器件的功能是掉电丢失的，需要每次上电重新进行配置。一般在外部使用 p r o m 或闪存等附加存储器自动进行配置。这种结构的f p g a 器件的优点是可以用 较低的成本来实现较高的密度和性能，s r a m 存储器也可以无限制地进行配置。 这些特点使这类器件得到广泛应用。 2 、基于反熔丝结构的f p g a ：反熔丝多路开关结构的f p g a 是通过反熔丝电阻 实现对器件的编程。对器件编程前反熔丝电阻是高阻，相当于熔丝断开；而编程 后反熔丝电阻是低阻，相当于熔丝接通。这种结构的f p g a 只能编程一次，编程 l o 中南大学硕七学位论文第四章现场可编程器件f p g a 简介 之后和a s i c 一样成为了固定逻辑器件，虽然失去了反复编程的灵活性，但却很 大程度上提高了系统的稳定性和保密性。此外，这类f p g a 上电后不需要从外部 加载配置，所以上电后可以很快进入工作状态；而且由于是固定逻辑，其功耗和 体积也要小于s r a m 结构的f p g a 。 3 、基于f l a s h 结构的f p g a ：其中f l a s h 具备了反复擦写和掉电后内容非易 失的特性，所以f l a s h 结构的f p g a 不仅具备了s r a m 结构的灵活性还具备了反熔 丝结构的可靠性。这类结构的f p g a 是最近几年开发出来的，实现成本偏高还没 有得到大规模的应用。 当制作工艺进入亚微米之后，f p g a 的集成度增加，可以拥有大量的逻辑资源。 为了降低器件功耗和满足系统设计需求，更多的硬件模块集成到f p g a 中，包括 块r a m r o m 、嵌入式乘法器、d s p 模块、硬核处理器和带p l l 或d l l 的时钟模块； 输入和输出端口也分成几个组合，可以按照设计要求设置成多种结构标准。 4 2s p a r t a n 一3 系列f p g a 本文的设计主要采用s p a r t a n - 3 系列的f p g a 芯片x c 3 s 4 0 0 实现。所以对该 系的f p g a 芯片的结构以及功能特点进行介绍。s p a r t a n 一3 系列是由x i l i n x 公司 推出的具有低成本、高性能等特征的f p g a 器件。该系列采用9 0 n t o 的制作工艺， 容量从五万f - l 至u 五千万门，且带有多个针对特定领域进行优化的平台啼2 j 。 面向数字信号处理的s p a r t a n - 3 ad a p 平台：这个平台对d s p 进行了优化， 适合那些需要继承d s pm a c 和扩展存储器的应用。 面向非易失性应用的s p a r t a n - 3 n 平台：这个平台主要针对需要非易失性、 系统集成、安全、大型用户f l a s h 的应用。 面向主流应用的s p a r t a n - 3 平台：这个平台主要针对于那些对逻辑密度和 i o 数需求较高的应用。 s p a r t a n - 3 系列在早期的s a p r t a n - i i e 系列的基础上增加了可编程逻辑资源 总数、内部r a m 的容量和i o 数量，同时也改善了时钟管理功能，提高了器件的 整体性能。s p a r t a n 一3 系列是基于s r a m 查表结构的f p g a ，如图4 1 所示其基本 架构主要由五个可编程功能模块组成。 中南大学硕士学位论文第四章现场可编程器件f p g a 简介 o c mi o b 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口口口口口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 口口 c l bb l o c kr a m m u l t i p l i e r 图4 - 1s p a r t a n - 3 系列f p g a 基本机构 1 、可配置逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 是利用f p g a 实现时 序和组合电路的主要逻辑资源，每个c l b 都连接到一个开关矩阵来存取通用的布 线矩阵。 2 、输入输出模块( i n p u to u t p u tb l o c k ，i o b ) 包含了输入、输出和三态s e l e c t i o 驱动器和接收器，这些驱动器可以配置成各种i o 标准。稳固的特性集包含输出 强度和扭曲度的可编程控制，以及利用数字控制阻抗的片内终端，可以简化电路 设计。 3 、块r a m ( b l o c kr a m ) 是1 8 k 位双端口同步的r a m 模块，有两个独立的时钟 和两个独立控制的对公共存储区进行存取的同步口，每个端口是独立和整体同步 的，其数据宽度可以单独配置，且提供三种读写模式。此外块r a m 可以级联起来 实现更大的嵌入式存储器模块。 5 、数字时钟管理模块( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) 提供全数字、专门的片上时 钟去偏移，使输入源时钟和输出时钟之间零传播延时，极大地简化和改善了包括 高扇出、高性能时钟系统的设计。同时数字时钟管理器提供倍频和分频的功能， 可以将输入时钟频率合成新的时钟频率。 1 2 中南大学硕士学位论文第五章f p g a 数字电路的设计 第五章f p g a 数字电路的设计 f p g a 中的数字电路的主要功能是准确地测量出恒温晶振相对于g p s 秒脉冲 的相位差，将测量数据结果通过u a r t 串口输出给外部单片机处理。此外，还需 要输出同步于g p s 系统的定时信号和时钟信号。 5 1f p g a 电路结构和功能 如图5 1 所示，f p g a 的数字电路主要包括六个模块： 图5 - 1f p g a 数字电路结构功能 1 细测量模块。该模块