（电力系统及其自动化专业论文）基于gps的同步数据采集装置的设计与实现.pdf

a b s 己a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o n e q u i p m e n tb a s e do ng p s a tf i r s t ，i ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hl e v e la n da c h i e v e m e n to n s y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t sb a s e do ng p s o na n da b r o a d , a n da n a l y z e st h e p r o b l e mw h i c he x i s t s i nt h em e a s u r e m e n ta p p a r a t u sb e i n gu s e de x t e n s i v e l y t h e ni t g i v e st h ei n t r o d u c t i o no f m a n yo t h e rk i n d so f t i m i n gm e t h o d sb r i e f l y , a n dt h er e a s o n a b l e b a s i so fg p st i m i n gt h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i s a n dt h e ni td i s c u s s e st h eg p s t i m i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o di nd e t a i l ，f i n a l l yp r o v i d e st h es y n c h r o n o u ss a m p l i n g p r i n c i p l eb a s e do ng p s s e c o n d l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ew h o l ef r a m e w o r ka b o u ts y n c h r o n o u sd a t a a c q u i s i t i o ne q u i p m e n tb a s e do ng p sa n di t sf u n c t i o m ，a l o n gw i t hh a r d w a r ed e s i g n s c h e m ea n dt h ea r i t h m e t i co fs o f h a r ed e s i g n d s pi st h em a i np r o c e s s o ro ft h ed e v i c e i ti sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e si no r d e rt os a t i s f yt h ed i f f e r e n tn e e d sa td i f f e r e n t o c c a s i o n s t h e r ea r et w om a i np a r t si nt h ed e v i c e ，t h es i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ea n d d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e t h e s et w om o d u l e sa r ei m p l e m e n t e do nt w oc i r c u i tb o a r d s s e p a r a t e l y t h e yc a nb eu s e db o t hc o o p e r a t i o na n ds e p a r a t i o n t h ed s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i sc h o s e na st h em i c r o p r o c e s s o ru n i tb e c a u s eo fi t sp o w e r f u lo p e r a t i o na b i l i t ya n dr i c h r e s o u r c e so na n do f f c h i p i tp r o v i d e st h ec q m p m e n tw i l ha d v a n t a g e so f h i g hm e a s u r i n g s p e e da n d w i d em e a s u r i n gr a n g e t h ee q u i p m e n tp r o v i d e sr s - 2 3 2a n du s bi n t e r f a c ei n o r d e rt ot r a n s f e rg p st i m i n ga n dr e a lt i m ed a t at ot h eh o s tc o m p u t e r t h es o f t w a r ep a r t m a i n l yi m p l e m e n t st h ep r o c e s s i n go fg p si n f o r m a t i o n , a n dt h ec o n t r o l l i n go fa do f f c h i p i ta l s oi m p l e m e n t st h ed a t at r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h ee q u i p m e n ta n dh o s t e n m p m e ru s i n gt h er s - 2 3 2a n du s b i n t e r f a c e t h ee q u i p m e n th a sb e e na p p l i e di nt w ot e s t i n gp r o j e c t s ；o n ei sj i x i a nn a n t r a c t i o ns u b s t a t i o no fj i n - q i nr a i l w a yw h o s et r a c t i o np o w e rn e t w o r kh i g h e rh a r m o m c r e s o n a n c et e s t i n ga tp o w e rs u p p l ys e c t i o n , t h eo t h e ri sa n b a l l a s t e dt r a c kr a i ll e a k a g e r e s i s t a n c et ot h ee a r t ht e s t i n go fs u i y ur a i l w a y t h ee q u i p m e n tp m v i d e dar e l i a b l ed a t a t ot h ef u t u r er e s e a r c h a n di ti sp e r f o r m e dw e l li nt h ef i e l dt e s tp r o j e c t i tr e a l i z e da l lt h e f u n c t i o n sa si ti sd e s i g n e d k e y w o r d s ：g p st i m i n g , g p s ，d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， u s bd a t ac o m m u n i c a t i o n , s i g n a la c q u i s i t i o n , s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o ns c h e m ea t d i f f e r e n tp l a c e s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：麾承才 签字日期：20 7 年2 月z f 开 导师签名 殳仿纠 i 签字开期：扩，7 年iz 月z ii q 韭塞銮运太堂亟竺垃盐塞独剑丝芭明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蘼床才 签字日期： 2 一口7 年，二月纠日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴命利副教授的悉心指导下完成的，论文的选题、 研究和写作都得到了他的帮助和指导。每当我研究中遇到问题，同吴老师的讨论 总能给我以帮助。在我整个研究生阶段中，无论是专业知识学习、课题研究和论 文写作方面，还是我的个人生活方面，吴老师都给予了极大的关心、指导和鼓励。 他严谨踏实的工作作风和兢兢业业的科研精神都使我受益匪浅。在此衷心感谢三 年来吴老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，电力工程系杨少兵老师，曹笃峰、许杨、姚 楠、耿亮等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表示感谢。 同时，感谢我的家人对我生活和学业上的帮助! 向所有曾经给予我帮助的各位师长和学友致以最衷心的感谢! 1 1 研究背景和意义 1 绪论 目前，国内研究牵引供电系统的计算，例如基于牵引计算的牵引变电所馈线 电流仿真计算等，多采用软件仿真的手尉“。而严重缺乏现场测试的数据，很多设 计数据都还是参考国外的，这已经成为中国电气化铁道勘察设计的一大瓶颈。为 了能够同步采集牵引供电系统的各电气参数，就要采用工程中经常用到的数据采 集方法【2 l - 异地同步采集。 如何才能做到异地同步采集呢? 当两个地方相距不远时，可以通过网络的方 式保证两台采集设备同步；但是很多都是两地相距较远的情况，如果利用网络， 一是设备使用复杂、繁重，二是不能保证精确同步，因为通过网络校准采集设备 的时间会存在由于网络传输延时所导致的误差。 g p s 是美国耗费巨资建立的新一代卫星导航和定位系统。它具有全球覆盖，全 天候工作，2 4 小时连续实时地为地面用户提供高精度位置、速度和时间信息的能 力。g p s 传递的时间能全球范围内保持高精度同步，最低精度为1 筇。并且g p s 已无条件向全世界民用领域开放，这为数据采集系统提供高精度时间基准，使异地 同步数据采集成为可能。 因此，在g p s 同步技术的支持下，以及电气化铁道电气参数异地同步采集的 需要，设计和开发一套基于g p s 的同步数据采集装置就变得很有价值和意义了。 1 2国内外现状 在工业发达国家，g p s 同步技术已经有了比较成熟的开发方案，其中同步相 角测量装置( p m u ) 就是g p s 同步技术的一个典型应用。美国几乎所有的电力公司都 安装了p m u ，法国也在扩大安装p m u 的数量等口, 4 , s l 。国内在g p s 同步技术方面的 研究还处于起步阶段，以同步相角测量装置p m u 为例，只有黑龙江、湖南、浙江 三省的电力公司已有装置投入，其他省市还在计划当中。 除了这种在电力系统中应用比较广泛的基于g p s 授时的同步相角测量装 置，目前其他实际工程应用中，国内也有一些较为成熟的异地同步数据采集系统的 设计方案。文献 6 提出的一种基于g p s 技术实现分布式数据同步采集系统，已经 成功应用到我国第一座真正意义上的跨海大桥一东海大桥的实时监测系统中去。 文献 7 也提出了一种基于g p s 授时的异地同步采集系统。两者的解决方案类似： 即在硬件上都是由g p s 接收机和美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司生产的p x i 工控机、p x l 6 6 0 8 ( 或6 6 0 2 系列) 计数器定时器和p x l 4 4 7 2 ( 或6 6 5 2 、6 6 0 2 系列) 数据采集卡组成的；在软件上都是采用l a b v i e w 虚拟仪器软件进行编程控制。很 明显可以看出，以上两种解决方案完全依赖美国n i 公司的数据采集系统，设备成 本昂贵，适用性也不强。 随着计算机科学与技术、信号处理理论与技术的迅速发展，需要处理的数据 量越来越大，对数据采集系统的实时性和精度的要求也越来越高。例如采用比较 先进的单片机i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 进行基本的3 2 点f f r 运算，在1 2 m h z 主频下采用 快速算法仍然需要0 2 5 秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长。 显然，传统的单片机技术已不能满足高精度快速测量的需要。 d s p 作为数字信号处理芯片，具有强大的运算及数字信号处理能力，近年来在 通信、工业控制和数据采集等领域得到广泛的应用，如机器人控制，移动电话， 电力系统监控【s 】。在数据采集领域，由于d s p 运算速度的提高和适于数字信号处理 的特点，能够准确的对高频信号进行处理，因此特别适用于宽频信号的采集与处 理【9 , t o 。 目前，采用先进的d s p 技术和g p s 授时技术研究同步相量数据采集问题和开 发相关仪器已成为近年研究的新热点。国内有部分公司已经开发了一些g p s 同步 数据采集装置，但在功能上、实用性方面均未达到理想效果，这些仪器性能单一， 通用性和扩展性差，开发和维护相对复杂，已不能满足市场的要求。主要有以下 问题： l 、处理功能较差，可扩展存储空问较小，运算速度较慢，难以运用精确严格 的算法进行大量的实时数据处理，不满足高精度测量的要求； 2 、有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且 不完全适合我国市场； 3 、有的产品无通讯和控制输出功能，不满足网络化、自动化的发展方向； 4 、人机交互性不好。 目前还没有一种造价低、功能良好的g p s 同步数据采集装置。因此设计一种 功能适中、造价低、能适用于电气化铁道领域电气参数采集的同步数据采集装置 还是很有必要的。 1 3 本文的主要工作 2 本论文的主要内容如下： 第二章研究了g p s 原理及其授时方法，简单介绍了目前常见的几种授时方法， 重点介绍了g p s 授时方法。详细分析了它们的优缺点并结合项目的要求从中选出 了g p s 授时方法作为本文的授时方法，给出了相关依据。 第三章给出了同步数据采集装置的硬件电路设计，首先介绍了系统的整体硬 件架构和开发要求，在此基础上将系统分为四大模块，即g p s 授时模块、信号采 集调理模块、信号处理模块和数据传输模块。对每个模块的设计电路、功能作了 详细说明。介绍了g p s 授时系统、d s p 系统、模拟输入前端调理电路、抗混叠滤 波电路、u s b 2 0 接口电路的设计并给出了设计电路图。特别是对采用g p s 授时技 术开发的电路和利用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1u s b 2 0 控制芯片开发的与上位 p c 机进行数据传输电路设计作了较详细的说明。 第四章首先简单介绍了d s p 的软件开发环境和流程，然后给出了部分系统软 件的设计，重点介绍了b o o t 程序设计、存储空问的分配和g p s 接收单元软件设计、 计数分频单元软件设计、a i d 采样程序以及u s b 2 0 接口通信程序和上位机程序界 面的设计。 第五章给出了应用举例，分别介绍了g p s 同步采集装置在遂渝线无砟轨道试 验段钢轨漏泄电阻测量和蓟县南牵引变电所供电区段牵引网高次谐波谐振参数测 试中和的应用，并首次提出电力机车和牵引变电所的电气参数异地同步采集方案。 然后结合大量的现场测试情况对现有的g p s 同步采集器的不足之处作了总结，并 提出了本文的设计方案和思路。 最后得出了结论，对全文工作进行了总结，并对今后工作做了展望。 3 2g p s 原理及其授时方法 2 1 多种授时方法的比铰 常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化及长 期的精度飘移影响。原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时陵准。不同的授时方法误 差比较见表争l 所示。 表2 - 1 不同的捞彬砩嫩比较 t a b l e 2 - 1d i f f e r e n tt i m i n gm e t h o de r r o rb a l a n c e 种类误善特点 无线电广播 l m s 时间误差大 u 黼l u s - 3 i s 接收困难 o 她g s2 m s 时间误差大 g o e l 50 1 m s - o 3 f 【l s 不稳定 g l 删a s sl o u s 商品化不够 g p sl u s 稳定性好，接收容易 通过分析比较不难得出，采用g p s 授时技术的优越阻”】。c , p s 系统由于其工作特性的 需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因 素变化不敏感性。晶体或铷钟以g p s 为长期参考，可以获得f 氐成本、高精度的基准时钟。 本章以下几节将重点介绍g p s 原理积授时方法。 2 2g p s 系统简介 全球定位系统( g p s - g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的概念由p d i a m o n d 等提出来的。从 1 9 7 3 年美国国防部正式决定研制g p s 到1 9 9 3 年6 月2 6 日第2 4 颗卫星进入勒道，使g p s 系统具备全面运行能力为止，历时2 0 年。它是美国研制的第二代卫星导航系统。最初的目 的是为美国军方提供服务，后来被用于民用导航、测量和勘探等翱碱，进而很快推广到工 业、农业、旅游和交通各个s 页域。目前g p s 已发展成为种产业，改变着许多行业的经营 方式，使许多领域发生巨大变革。毫不例外，g f s 在电力系统中的应用也越来越广泛，尤 其是g p s 授时技术，例如：数字式电流纵差保护、电网调度自动化的时间、动态安全监测 等都有用到此项技术。g p s 系统由空间部分、地面控制部分和用户设备三大部分组成。空 间部分主要是2 l 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成。在地球的任惫娃( 有3 6 0 0 的视璧矜至少 4 韭塞窑煎厶堂亟堂焦j 幺塞垒一一亟堡丛盈盟友蓝 可以看到5 颗卫星。地面控制部分包括监钡4 站、主控站和注入站。用户设备就是g p s 接收 机，它根据自己时钟和接收到的导航电文计算出接收机( 天线) 所在的位置和g p s 系统的时 间。6 p s 系统组成图旧见图2 - l 所示。 图2 - 1g p s 系统构成图 f i g 2 - 16 p ss y s t e ms t r u c t u r e g p s 系统具有如下特点： ( 1 ) 全球、全天候连续工作，用户数量不限： ( 2 ) 精度高。g p s 能为用户提供高精度的三维位置、三维速度和精确的时间：c a 码 定位黻为1 5 m s ，速度为0 ，l m s ，定时精度为l o o n s ( 使用p 码时精度更国。若采用其他的 技术加强措施，精度还可以提高。 ( 3 ) 可以实现实时导航； ( 4 ) g p s 采用扩频和伪码技术，抗干扰能力很强； ( 5 ) 可靠性高，信号易于获得，只要获得颗卫星就可以获得授时信息。 2 3g p s 授时原理 2 3 1 两种时间系统 ( 1 ) 世界协调时( u n i v e r s a lc o o r d i n a t e dt i 聍 肛) 原子钟虽是秒长均匀、稳定度很高的时间系统，但其与地球自转无关，应用起 来不方便1 3 1 。原子时秒长与世界时坍1 长不等，大约每年累积相差1 s ，如此下去， 两者会越差越大。为了协调原子时和世界时的关系，建立种折中的时间系统，称 之为协调世界时岍。 根据国际规定，协调世界时的秒长采用原子时秒长，其累计的时刻与u t l 时 刻之差保持在o 9 j 之内，当超过时，采用跳秒的办法来调整c 又称闰秒) 。般规 定，闰秒在6 月3 0 日或1 2 月3 1 日最后秒加入。 5 目前，世界各国播发的时号，均以u t c 为基准。为了给使用u t l 的用户提 供世界时u t i ，时间服务部门在播发协调世界时u t c 时号的同时，还给出u t l 与u t c 的差值，这洋用户便可容易地由u t c 求得相应的u t l 。 ( 2 ) g p s 时间系统 全球定位系统( g p s ) 为了满足精密导航和定位的需要，在系统设计与试验之初 就建立了专门的时间系统，简称为g is t 。它是以g p s 地面监控系统主控站的主原 子钟为基准的连续时间尺度。 g p s t 处于原子时系统，其秒长稠原子时秒长，但原点不同。g p s t 的原点， 规定于1 9 8 0 年1 月6 日0 时与协讽世界时u t c 时刻不致，以后就按原子时秒长 累积计时。g p s t 的原点与国际原子时i a t 相差1 9 s ，其关系式为 i a h p s p l 9 s ( 2 - 1 ) 而g p s t 与u t c 之差为秒的整倍数。如1 9 8 9 年为5 秒，1 9 9 6 年为l l s ，2 0 0 2 年 为1 3 s 。 g p s r 的表述形式为g p s 周和g p s 周内秒。g p s 周为从1 9 8 0 年1 月6 日0 时起 算的星期数，每星势i 六午夜周数加l ，秒数置0 。1 9 9 9 年8 月2 2 日0 时周数计数 器满，重新将周数置0 。g p s 周内秒累计周内所经历的秒数，取值在0 - 6 0 4 8 0 0 之 间。 2 3 2 g p s 的时间传递和同步原理 6 p s 的高精度定位、测速和导航功能是建立在它的精密测时基础上的。为了测 量时间，要用到两个时钟：一是g p s 卫星钟；二是用户接收机内部时钟。前者简 称星载钟，后者称为用户钟。星载钟为原子钟，其与g p s 时的偏差包括在发给用 户的导航电文中。用户钟是普通晶体钟，其与g p s 时的偏差需要计算。 根据g p s 系统的工作原理，用户接收删接收4 颗卫星的信息可进行三维 定位；通过接收3 颗卫星的信息可进行二维定位。在接收舭置确定后且不再改 变的条件下，接收机只需接收颗卫星便可进行精确时阿传递和时闯同步。 6 g p s 时闻 星载钟时间 用户钟时间：一一砒 i i l k - r ；j ：一 幽2 - 2g p s 时恒惭差 取理图 f i 唇2 - 2g p st i mt r a n s f e r r i n gs k e t c hd i a g g p s 时阃传递原理可通过图2 - 2 予以说明。图中各符号说明如下： f 罗信号发射日捣臆的g p s 时刻； f 用户接收栅收至| j 信号时对应的g p s 时刻； t ：信号发射时对应的星载钟时亥| j t ：收到信号时对应的用户钟时刻； a t 。星载钟相对于g p s 时的偏差； a t 。- - n p c c l t l x c 3 ：c p s 时的偏差 f ：信号从卫星到用户的总传播时间。 由图拢不难导出： f ：= 一f ；= ( f 一f 尹) + ( 乙如) ( 2 - 2 ) 屯= f ：1 f ，一f 罗卜如( 2 - 3 ) 公式( 2 - 2 ) e p ( 斧一f ”t ) 为以g p s 时为基准的信号传输时延，可表示为： 一玉2 f 月+ f j + f “ 其中：z r 一卫星到用户几何距离对应的时延： n _ 妒渥引入的附加时延( 包括电离层时延和贼褪的时固； 接收系统时延( 包j 舌天缘磁蝴接收机本身引入的时延) 由公式( 2 3 ) 和公式( 2 - 4 ) 得： f 。= f ：一f 月一f j f u + 如( 2 - 5 ) 公式( 2 - 5 ) 中，f ：- 可由按| 5 栅匿过复胄l 预。鹧而得至 l ： 7 z 。在接收机位置确定后根据卫星位置和光速算出； 死和如一由导航电硒瞅； 五，一由接收阢提供。 因此，用户接收机在收到卫星发出来的信息( 包括钡蟠码和导航电j 0 后，利用其本身 的固化软件能迅速确定出上述各项参数，并通过公式( 2 5 ) 给出用户钟与6 p s 时的偏差 t 和多次处理测得值的平滑处理结果t 。有了t 。，利用f ：52 一f 。便可以校准本 地钟，从而实现用户钟与6 p s 时的同步运行。由于g p s 时与u t c 是种相关的时间系统， 其偏差已包括在导航报文中，故用户钟同样可同步到u t c ，这种跟踪一颗卫星实现同步的 方式，其同步精度大约为l o o n s 。 2 4 g p $ 0 e m 板开发与应用技术 目前g p so e m 板以其价格低廉、功能完备、便于用户丌发使用等特点，已越来越广 泛地在汽车自主导航、地面车辆跟踪和城市智能女通管理、地理信息系统、个人通信系统 终端( 与手机、p d a 、电子地图等集成一缃、电力、邮电、通信等网络的时间同步、时问 频率的授入等方面得到应用，并取得了良好的效果。利用g p so e m 板实现用户的个性开 发，不仅应用方便，而且大大降低了成本，这也是本文选择g p so e m 板作为授时模块开 发的原因。 2 4 1g p $ o 酬板 g p so e m 板是封装极其简单，便于二次开发的g p s 传感器，能完成g 王，s 主要数据的 采集以及简单的定位解算功能，只要接上天线就能通过接口向外输出各种数据。g p so e m 板具有成本低、体积小、应用灵活等优点，有利于进行二次开发和各种系统的集耐，本 文第三章硬件设计部分将会阐述g p so e m 板与数据采集系统的集成设计的过程和方法。 i g p s0 e m 板的特性及功能 3 韭基窑亟厶茔亟主翌焦途塞立s 基堡厘援盟友选 图2 - 3 g a r m i n1 5 l o e m 扳 f i 9 2 - 3g a r m i n1 5 l o e m b o l g p so 刚板( 如图2 - 3 所示的g a r m i ng p s l 5 l0 d 是6 p s 接收机的核心，为 便于用户开发，所有的g p s 吲板者醍供了数据输入、输出端口，用户可通过开发 工县板把其同标准的r s - 2 3 2 接口相连接。用户通过r s - 2 3 2 接口可接收到6 p s0 e m 板的所有观测数据，也可通过路之3 2 接口控$ , jc e so m 板的数据输出格式及输出内 容，使其按照自己的要求输出。 2 g p so 喇板输出的数据形式 g p so 脚板通过r s - 2 3 2 接口为用户提供位置、速度、时间等数据，具f 输出内 容依产品型号的不同而不同。其数据输出格式_ | l 殳有两种，种为二进制格式输出， 另一种为n m e a - 0 1 8 3 格式输出用户。i ，通过0 刚板附带的商用软件等对o 刚板进行 设置来决定使用哪种格式的输出，下面把吝两种输出简单介绍一下。 由于二进制数据压缩率高，6 p s 原始自啦置数据、观测数据和星历数据者睬用了 二进制编码，为了满足异步串行传送数据的要求，每组数据包含3 个部分：字头 块、数据块和结束符。字头块包括电文的标志、语句名和数据长度；数据块包括电 文中的全部数据；结束符包括校验和回车换行。用户需根据语句的具体内容按偏移 量来提取特定的信息 i 啦t f a - 0 1 8 3 格式是目前国际上通用的种编码撬式，是美国国家海洋电子协会为 海用电子设备制定的标准格式。它是越去海用电子设备的标准格式0 1 8 0 和0 1 8 2 的基础e ，增加了g p s 接收机输出的内容而完成的，目前广泛采用的是v e r 3 2 0 版 本。此格式的优点是直观、易于处理，很多高级吾言中都有处哩l 比：恪式的现成函数。 n m f a - 0 0 1 8 3 格式输出的数据采用a n s i 标准，以串口非同步传送。在g p so 刚板 n m e a - 0 0 1 8 3 格式的数据输出中，最常见的几种格式为： ( 1 ) 宰* a i mg p s 历书数据 9 ( 2 ) 车* g g ag p s 定位数据( 导航定位用户最常用) ( 3 ) 福l l 地理位置、经纬度 ( 4 ) 糨ap i m p 、m o p 及星历 ( 5 ) 钙s v 所收到g f l s 卫星的状态 ( 6 ) 宰* v t g 方位角和对地速度 ( 7 ) 木* z d a 日期和时间( 定时用户最常用) ( 8 ) 祁e c 自当前点到航路点的方位为距离 ( 9 ) * x t e 偏航距和操纵方向 ( 1 0 ) 掌* r m c 最简特性语句 以g a r m i n 公司g a r m i ng p s l 5 l 板叼为例，其最简特性语句( g p i 格式如下： $ g p r 船， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， * h h 其中， 表示u r c 时间，h h s s ( 时分秒) 格式； 表示定位状态，a = 有效定位，1 呒效定位； 表示纬度，d d r 吼姗( 度分) 格式； “ 表示纬度半球，n ( 北半韵或s ( 南半球) ： 表示经度，d d m m 啪m ( 度分) 格式； 表示经度半球，e ( 东半 抽或w ( 西半 捞； 表示地面速率： 地面航向； u t c 日期，d 血哪( 同月年) 格式； 磁偏角； 磁偏角方向，e ( 东) 或1 r ( 西) 模式定位。 t o 图2 _ 4g a i 瑚i ng p s1 5 l 接收机怕痤a 输出语句示意圈 f i g2 - 4t h e 岫o u t p u ts e n t e n c e ss k e t c hm a po fg a m i ng p 3 1 5 lr e c e i v e r 2 4 2 利用6 p so e m 板进行精确授时 在很多工业控制中、自动硷测等应用系统中，需要商精度、高可靠的实时时钟信号源， 提供实时的年、月、日、时、分、秒等时间信息。这些匣用般是采用实时芯片提供，如 d s l 2 8 8 7 、p c f 8 5 6 3 、x 1 2 0 3 、m 4 1 t l l 等。这些芯片的时钟精度取决于芯片的时钟振荡回路 频率，长时间运行后会产生时间误差累积，且时钟芯片必须采田后备电池，保证系统断电 后时钟仍然能正常运行，这在某些呖分蜞是条件比较恶劣的野夕 ，其准确性和稳定性显 得十分不可靠。 g p s 定时型缆| f 板，通过开发，可实现具有体积小巧、全天候、干扰小、高精度、 能实口惰到精确时。亥b 等特点。其必籽代静熊统的授时方i 去，成为现代i 受时的手段，尢媲 高天文等澳4 量和其他在时间测量的效率及精度。本节针对具有定时功能的g p s0 刚芯片， 给出其特1 生及用其实现精确授时的方法。用此方法，可带蚱出价阿僦能 茴足异地同步 采集装置性能要求的授时系统。 ( 1 ) 定时型u p so e m 板的串行数据输出格式，特性及应用 定时型u p s0 1 9 4 板通过r s - 2 3 2 接口给用户提供两种数据格式的输出，一种为二进制 格式输出，另种为n w 。a o l 8 3 格式的输出。 从图2 q 不难看出，在其输出的$ g p g g a 和$ g p 脚c 语句中都有l r r c 时间信息，但s g f ) g c a 语句中的u t c 值为定位时的时刻，$ g p r i 驹中的u t c 值为l p p s 输出所对应的准确u t c 时亥0 。在$ g p 脚c 这条语句的输出中，_ 盼出精确到1 0 2 一l o - 7 ( 也有精确到1 0 - ，) 的时刻 值，但只从语句无法捕捉其给的时刻值对应的事件，因此，只用此项无法实现精确授时。 但g p s 定时型0 脚板为用户提供了l p p s 秒脉冲输出，使用户能够用g f s 进行精确授时。 ( 2 ) 具有定时功能的g p so 雕板的1 p p s 输出特性分析 l p p s ( 秒脉冲，即脉冲锤妨输出，是食电平詹号，_ 殷以方波形式渝出，高电平= 表 示秒脉冲输出( 其持续时间很短，般在毫秒量级t ，以g , k 黜i i ng p s l 5 u 删板为例，其电 平信号为+ 3 v ，电压升降时间为l o o n s ，高电平持续时间为2 0 i i l s 瑚0 陷可和，低电平表示 没有信号输出。高电平上升沿为l p p s 输出的精确时刻。 在o 剐板取得有效导航解的时候，秒脉冲上升沿的时刻与g p s 时亥悯差在5 0 n s 以内， 与r s - 2 3 2 传输数据$ g p i 猢这条语句给出的e r i c 时刻相差在l # s 以内。路- 2 3 2 传输数据中 u t c 时刻的输出较秒脉冲上升沿的时刻有延迟( 但般小于o 5 s ) ，即0 e m 板先为用户提 供秒脉冲，再提供其对应的时刻。其关系如图2 - 5 所示。 秒脉冲 用户所需时刻 图2 - 5 啊c 与秒脉冲之间的关系图 f i a2 - 5t h ec o n n e c t i o nw i t hu 1 a n dw s 有时在没有收到卫星信号或导航解无效的情昆下( 即没有收到u t c 日嫩正数堰x o e m 板也能向外发送秒脉冲，但此时秒脉冲为g p so e m 内部未改正钟差、钟漂的原始时 钟的时间，其上升沿的时刻刁寺隹确、不稳定，误l 勃匕无实用价值。仅在取得正确导航 解时巧可以用u t c 时间对g p so e m 内部时间进行校正，输出精确时间。 ( 3 ) g p s0 聊板精密时间的提取及应用 秒脉冲是一电平信号，且其上升沿对应精确的u t c 时亥犯因此，可用此电平信号的 上升沿对其他设备( 如单片机、d s p 、计算机 势进行控射画触发，这样，即可记录下秒脉冲 上升沿到来的准确时杰i j ，再从r s - 2 3 2 接口传输的$ g _ 刚i i c 语句获取l ，r c 时刻，经计算处理 即可求得设备精确钟差，从而得到精确的u t c 时刻，实现c , p s 的精确授时。 如用计时型单片机与g f l s 吲板结合，把h 板的l p p s 输出进行整形，用其来控书i j 单 片机的中断和软件计数脉冲，再把o 嘣板脑_ 2 3 2 口输出的数蜀差多惮片机的串口输入端， 为单片机提供l p p s 对应的l r i - c 时刻值，其守时精度最高可以达1 0 6 s 以上划t u 6 就是 利用这方法设计出了g p s l 5 l 与计时型单片机闽磷5 1 结合的授时系统 j t 丞銮适叁堂亟堂焦论塞q s 厦堡盈援吐左洼 2 5 基于g p s 的同步采样原理 同步采样是实现同步相量测量的关键技术。只有各测量点的采样是同步进行的，同一 时刻计算出的相量具有统的参考基准，其相位关系才可直接进行比较。下面将对同步采 样的原理及硬件实现基本原理进行介绍。 2 5 1 设计思想 g p s 接收器能从撙b 臣0 的信息中提取并输出两种时间信号：一是秒脉冲信号l p p s ，其 脉冲前沿与国际标准时间的同步误差不超过1 璐；二是经串口输出的时间信息，它在1 p p s 脉冲之间绘出，用来说明一个1 p p s 脉冲对应的u c i 时间( 鸟二、月，日、时、分、秒) 。 要实现同步采样，实质上就是以这两种时间信号为基础去设 去j 陉锘9 数据采集的进行， 使之能达到同步的效果。现在的微期保护搬在内部定时器定时中断控制下进行采样， 但由于单片机所采用的外部晶振稳定度不高，致使这种方案控制的同步采样其同步误差超 过2 0 0 u s ( 相位超过4 0 ) 。由此可见，晶振的稳定性是影响同步精度的重要因素。为此，本 文采用以下设计方案：选用经过温度补偿的高稳定度品振作为d s p 的信号源，经分频和 1 p p s 同步后用做采样时钟，然后用此时钟信号从外部控制主c p u 的数据采集；同时，采 用专用微处理器从g p s 给出的信息中提取与1 p p s 对应的绝对时闯，以给采样数据置以时 间标签，这就是同步采样控制单元的设计思想。 2 5 2 硬件构成和工作原理 基于上述设计思想的同步采样控觯元的硬件构成如图2 - 6 所示。 图2 - 6 同步采样控制单元硬件构成 毡2 - 6 1 1 l e 啪陀s 拄哦e 。f 跏d f 啪讯塔s 茁印崦c 扛川u 醯 同步采样原理如下： 同步采样脉冲 ( 1 ) 同步采样脉冲形威及同步采样的实现 如图2 - 6 所示，高稳晶振输出的振荡信号经i 童整形，电乎转换后变为适合t t l 电 路的电平，经计数器分频后得到满足采样率要求的时钟信号。该时钟信号每隔l s 被l p p s 信号的上升沿同步一次，使之运行在g p s 时间基准之上。由于3 0 z 晶振 的稳定度很高，1 s 期间的漂移不超过0 0 3 3 u s ，因此各采集装黄配置上同样的同 步电路，得到的采样时钟信号即采样脉冲将具有与各自1 p p s 之间同样高的同步精 度( 小于2 u s ) ，称之为同步采样脉冲。以这样的采样脉冲作为外部中断信号去出 发各采集装置的c p t ，就能实现各采集装置的同步采样。 ( 2 ) 绝对时间的提取 l p p s 本身不具备时间标示，其对应的绝对时间包括在g p s 接收机输出的串口信 息当中。d s p 的主c p u 每隔l s 读取1 次g p s 接收机输出的串口信息，然后从中提 取与1 p p s 对应的u c t 时间( 年、月、日、时、分、秒) 。该时问经转换处理后变为 与其对应的当地时间( 北京时问) ，以供主c p u 给采样数据置以时间标签。 2 6 本章小结 本章主要通过多种授时方法对比，得出g p s 授时方法的优越性。在此基础上，简单介 绍了g p s 系统，详细阐述了c r p s 授时原理和g p so 刚板开发技术，并结合本文设计需要， 阐述了基于g p s 的同步采样原理。 1 4 3 同步数据采集装置硬件设计 3 1同步数据采集装置的设计要求 本文设计的同步采集装景，主要测量牵引变电所进线a 、b 、c 三相电压电流、牵引 母线电压、各馈线电流和机车网压、机车电流、钢轨电位、地线电流、地线电位等电气参 数。 同步采集装置的设计要求： ( 1 ) a d 采样精度要高，至少是1 6 位的，这样才胄旨葫足量化误差小的要求 ( 2 ) 便携式的，重量体积均不宣过大，考虑到要到电力机车t 和牵引变电所以及电气 化铁道现场进行测试，这些要求是很有必要的； ( 3 ) 可以实时、海量地传输采集到的录波文件； ( 4 ) 在g p s 信号失效或收严重干扰时，比如在电力机车匕经过长隧道时，要能在非 g p s 采集状态下完成采集功能，充当般的非同步数据采集器； ( 5 ) 必须要考虑g p s 失效后的相应对策，并在硬件f 乜路上做了相应的设计。 同步数据采集装置由硬件平台和软件两部分共同实现，其中硬件平台是同步数据采集 装置的基础，主要由g p s l 5 l o e m 授时模块和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为主处理器结合相应的 功能电路实现。主要分为四大模块，块为g p s 授时模块，块为电压、电流信号采集和 调理模块，块为电压、电流信号处理模块，块为数据传输模块。 g p s 授时模块主要用于为采集装置进行g p s 时间的精确授入、对a d 采样电路实现 同步触发功能，也是采集装置实 肼地同步采集功能的关键。电压、电流信号采集和调理 模块主要用于电压、电流信号的采集和调理，该楱臾将电压、电流信号进行调理、滤波、 转换成方便进行处理的0 5 v 的模拟电圈言号输出。该模块具有一定的通用性，可应用在 需要对电压、电流信罚黼换调理的场合。电压、电流信号处理模块的输入为n 5 v 电 平信号的电压模拟量，该模块主要将电压、电流信号进行模拟到数字的转换，转换数据的 存储和相关 受值的计掣1 7 1 信号采集调理和信号处理这两个侈彩湘对独立又具有信号的兼 容性，配合使用可完成数据采集和处理的功能。电路设计主要包括g p s 授时系统、d s p 最小系统、a d 采集单元、u s b 2 0 接口和复位电路等单元。 软件部分是系统实现的关键，在硬件平台的基础上，由程序实现整个同步数据采集装 置的功能。软件部分由主程序、g p s 按趺单元程序、a d 转换程序、d s p 数据处理和 , - t - g 程序以及d s p 与u s b 接口通信程序五部分组成。 3 2 同步数据采集装置的硬件系统组成 硬件设计是同步采集装黄的基础和平台，硬件系统的功能对整个系统功能的实现起着 关键作用。本装置设计上采用1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为硬件设计的核心，实珊剐测量 信号的数字滤波和计算以及数据传输等任务。 图3 - 1 同步数据采集装置的硬件系统 f i g 3 - 1t h et t a r d r a r es