高精度GPS同步时钟的研究与实现

1、高精度GPS 同步时钟的研究与实现吴宁,潘小龙,虞皆侠(南京航空航天大学信息科学与技术学院,江苏省南京市210016摘要:根据全球定位系统(GPS 时钟信号和晶振时钟信号精度互补的特点,提出了一种利用GPS时钟同步晶振信号实现高精度时钟的新方法。该方法利用GPS 秒脉冲精确测量晶振时钟实际频率,对晶振信号误差进行在线修正,并用IRIG 2B 码校正绝对时标,在GPS 正常工作时能够保证其精度稳定在0.1s ,且不受GPS 信号短时失效的影响。采用现场可编程门阵列(FP GA 对其进行硬件实现并应用于电力系统的相角测量,在保证系统测量精度时,GPS 信号失效情况下的稳定工作时间长达6h 。关键词

2、:全球定位系统;同步时钟;秒脉冲;晶振;FP GA 中图分类号:TM73;TM933.313收稿日期:2008201230;修回日期:2008203218。0引言全球定位系统(GPS 作为导航、授时和定位系统,具有授时精度高、民用免费和接收机成本低等特点1,使其在电力系统中的应用越来越广泛。目前,电力系统中电网故障分析要求各微机装置的时间信息精确到1ms 以内,电网相位测量对时钟精度的要求达到微秒级,行波测距和行波保护对时钟精度的要求则高达1s 。然而,GPS 时钟在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的条件下,误差达几十毫秒甚至上百毫秒2。另一方面,GPS 信号是由无线电波传送的,不可避免地会受到各种

3、干扰,甚至可能中断。所以,电力系统利用GPS 授时作为同步时间源时,必须考虑GPS 信号的稳定性和失效情况下的对策问题。文献324提出了一种利用高精度晶振对GPS 秒脉冲进行在线检测和实时修正的方法,但是,该修正方案样本数据较多,计算量很大,对CPU 处理能力有很高的要求。本文根据GPS 秒脉冲和晶振信号误差互补的特点提出了一种计算简单的GPS 同步时钟误差修正方案。该方案利用GPS 时钟信号精确测量晶振实际频率,对晶振时钟信号进行实时修正,并采用IRIG 2B 码(IRIG Inter 2Range Inst rumentation Group 是美国靶场司令部委员会的下属机构,称为靶场时间

4、组,B 码是IRIG 时间标准中的一种串行时间码,经译码后可获得十进制(BCD 编码的时间信息校正绝对时标,产生高精度同步时钟。同时,该方案采用现场可编程门阵列(FP GA 的硬件方法实现,所得到的同步时钟不仅达到0.1s 的精度,而且在GPS 失效时也能稳定工作长达6h 。1时钟误差分析和修正方案1.1GPS 秒脉冲的随机误差分析目前,GPS 接收机输出的秒脉冲与协调世界时间(U TC 存在一定的随机误差,且服从正态分布,取样本数为N ,则有:N (0,2(1不同性能的GPS 接收机,数值大小不同,如Motorola 公司V P Oncore GPS 接收机的为50ns 。设n 个秒时钟实际

5、时间长度序列为t 1,t 2,t n ,每个秒时钟对应的随机误差为1,2,n ,则有:i =t i -1i =1,2,n (2t -=ni =1tin(3由式(2和式(3可得随机误差平均值为:ni =1in=ni =1(ti-1n=ni =1tin-1=t -1(4由于当n 时,有ni =1i=0,式(4取极限值可得:lim n t -=1(5由此可见,GPS 秒脉冲在统计意义下具有很高的精度,可以利用这个特性来检测晶振的准确频率。16第32卷第10期2008年5月25 日Vol.32No.10May 25,20081.2高精度晶振信号的频率稳定度晶振的频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率

6、之间的偏差,频率精度引起的偏差会给测量系统引入累积误差。晶振的短期频率稳定度在时域上是指某一取样时间内频率平均值的随机起伏的量,由阿伦方差表征5:y =1M f 012m mi =1(f i+1-f i (6式中:M 为频差倍增倍数;为采样时间;m 为采样组数,采样数为m +1次;f 0为被测频率的标称值;f i 和f i +1分别为第i 次和第i +1次的测量值。本设计中采用大普通信公司T75型温补晶振,它是一种靠内部温度补偿网络改善输出频率温度特性的晶振。对于温补晶振来说,其典型的阿伦方差值在10-9数量级,有很高的频率稳定度,因此,可以认为它的工作频率在短时间内是不变的。1.3产生高精度

7、同步时钟的原理利用晶振信号对GPS 秒脉冲间隔计数,设n 个秒时钟实际时间长度内计数器所测得的值为N 1,N 2,N n ,晶振频率为f ,则N i =t i f i =1,2,n(7 N =ni =1Nin=ni =1tinf =t -f(8因此,n 取得足够大,就可以认为:f = N ,即晶振实际频率f 就等于计数器测得的计数值的算术平均值。因此,计算n 秒内计数值的平均值就可以求得晶振的实际频率。以秒脉冲的上升沿为准,对晶振的时钟信号进行n 秒计数,得到计数值后计算每秒的计数平均值。由于GPS 的秒脉冲没有累计误差,只有随机误差,因而可以将平均值看成是晶振时钟信号的1s 的准确计数值,即

8、为实际频率f a 。由于晶振工作频率可以认为在短时间内是不变的,因而可以参考前次测得的频率对晶振信号的误差进行修正。假设晶振的标称频率为f n ,误差为e ,则有:f a =f n +e(9为了修正晶振的误差,根据晶振的实际频率,采用可调分频的方法将晶振时钟信号分频得到1M Hz 标准信号。设标称频率为x (单位为M Hz ,则分频系数为x 。由于存在误差,需要在分频过程中添加或扣除脉冲(e >0时添加脉冲,e <0时扣除脉冲,则分频计数器的分频系数需调整为x +1或x -1。为了保证标准信号脉冲的均匀性,将修正的周期数平均分摊到1s 的脉冲中,每隔f n /e 个脉冲进行一次修正

9、。例如,同步时钟使用的晶振频率为20M Hz ,若测得实际工作频率为20.000010M Hz ,则它有10Hz 误差。同步时钟在对其时钟信号分频时,每隔2M 个脉冲就要在分频计数器上多添加1个脉冲,用以补偿1个脉冲的误差,如图1所示。图1脉冲补偿分频示意图Fig.1F requency division by pulse compensation下面对该方法进行误差分析。由式(2、式(8得:N =ni =1t i nf =ni =1(i +1nf =f1+ni =1in (10由于i 服从正态分布,方差为2,所以算术平均值 N 的方差也服从正态分布,其方差为:D ( N =n 2n2f 2=

10、f 22n(11由式(11可见,计数算术平均值的标准偏差是GPS 接收机秒脉冲标准差的f /n 倍,n 的取值越大,则测量精度越高。本设计中n 取60,同步时钟每1min 测算一次晶振的实际频率,GPS 接收机的为100ns ,晶振的频率为20M Hz ,则计数算术平均值的偏差为0.258次。计数值的偏差平均分摊到1s 中,误差为13ns 。本设计采用添加或扣除脉冲的方法,在调整分频系数时,存在不到1个脉冲的误差,对于20M Hz 的晶振,误差将小于50ns 。同步时钟误差不仅包括GPS 秒时钟的随机误差,同时也包括计数器计数时的测量误差。因为晶振时钟与GPS 秒时钟不可能准确同步,计数器在对

11、晶振时钟定时计数时,会引入1个计数值测量误差,则晶振测量频率将存在±1的误差。对于20M Hz 的晶振,一个周期为50ns ,但是频率检测的计数时间为60s ,输出秒脉冲的误差将小于1ns 。由于同步时钟校时和读取时间信息的延时误差可通过软件修正,同步时钟的总体误差可保证在0.1s 以内。实时钟根据1M Hz 标准信号进行计时,并接受GPS 秒脉冲的同步,产生高精度同步时钟。在GPS 信号正常时 ,同步时钟实时检测晶振工作频率,并根据计算值进行修正。由于GPS 信号可能中断或存262008,32(10在伪秒脉冲的干扰,需要对GPS 的秒脉冲进行有效性检测。在GPS 信号失效时,继续采

12、用晶振进行计时,可根据GPS 时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正,保证同步时钟正常工作。2高精度同步时钟的设计和实现根据高精度同步时钟产生的原理,设计GPS 同步时钟的硬件实现结构如图2所示 。图2同步时钟的系统结构Fig.2System structure of synchronization clock同步时钟由脉冲调整模块、频率检测器模块、计时器模块、IRIG 2B 解码模块和CPU 接口模块组成。频率检测器模块利用晶振倍频信号对GPS 秒脉冲间隔计数来检测晶振的实际频率,并计算出补偿周期数。脉冲调整模块根据补偿周期对晶振时钟信号进行可调分频,得到标准1M Hz 信号。计时器模块对

13、1M Hz 标准信号计数,由此得到实时时间信息,并允许时间能够被读取或写入,同时还可输出同步采样脉冲。IRIG 2B 码解码器模块实现对IRIG 2B 码脉冲的解释,输出绝对时标,通过CPU 对计时器模块校时。CPU 接口模块实现与CPU 的访问接口,使得CPU 能够读取或设置同步时钟的时间信息。同步时钟采用FP GA 的实现方法不仅克服了单片机实现时电路复杂、抗干扰能力差等缺点,而且具有集成度高、保密性好等优点。FP GA 的时钟频率可以达到几百兆赫,再加上并行处理的特性,可以达到很高的处理速度,适合于对时间精度要求较高的系统。选用Altera 公司Cyclone 系列FP GA 芯片EP1

14、C3T144,设计开发工具为Quart us 6.0,各模块逻辑采用V HDL 语言描述。下面详细介绍各个模块的FP GA 实现。2.1频率检测模块频率检测器模块主要用于检测晶振的实际频率,并计算出补偿周期数。结构如图3所示 。图3频率检测模块结构Fig.3Structure of frequency tester module晶振的时钟输出经同步处理后由31位计数器对其计数。模60计数器对GPS 秒脉冲计数,计满60将输出一个分脉冲。当分脉冲的上升沿到来时,将锁存31位计数器当前的计数值到寄存器单元,随后31位计数器清零,锁存的计数值进行减法和除法运算,得出晶振的补偿周期数,并输出补偿控制信

15、号。为了降低伪秒脉冲的干扰,提高同步脉冲的精度和稳定性,需要将伪秒脉冲滤除,脉冲延时逻辑单元在一个GPS 秒脉冲后经过一段时间延时,才接收下一个秒脉冲并输出寄存器修正使能信号。由于频率检测器中的除法器运算位数相当多,使得其需要占用特别多的逻辑资源。如此大的组合逻辑使得其运算一次需要花费很长的时间,达到几十纳秒之久。由于除法器运算太慢,使得“寄存器寄存器间延迟”非常大,远超过了主时钟的周期,不能满足寄存器对建立保持时间的要求,因此,需要在Quart us 软件中为除法器所在的时序路径设置多周期路径约束,该设置指定了寄存器锁存数据之前的时钟周期数,延迟了数据采样沿,能够降低时钟建立关系的要求。2.

16、2脉冲调整模块脉冲调整模块根据补偿周期对晶振信号分频输出1M Hz 信号。脉冲调整模块由分频控制器和可调分频器2部分组成。分频控制器由一个19位计数器和比较器组成,它对可调分频器输出的1M Hz 信号进行计数,若计数值达到补偿周期数,则输出相应的脉冲调整使能位,允许可调分频器进行一次脉冲调整操作。可调分频器根据分频控制器给出的状态,决定当前分频过程中是否添加或扣除一个脉冲的操作。可调分频器由一个5位计数器扩展而来。该计数器对晶振信号进行计数,由其输出端产生3个分别与添加脉冲、扣除脉冲和脉冲不调整相对应的计数值溢出信号,并把它作为计数器的同步复位信号。在某一分频阶段中,由分频控制器输出的控制信号

17、选36研制与开发吴宁,等高精度GPS 同步时钟的研究与实现择这3个信号中的某一个复位5位计数器,同时,选中的复位信号被D 触发器寄存输出,产生标准1M Hz 输出。同步复位信号的选择由多路复用器(MU X 实现,具体代码如下:WIT H div_ctrl SEL ECT /div_ctrl 是分频控制信号Sclr <=add_pulse W H EN “01”sub_pulse W H EN “11”no_addsub W H EN O T H ERS溢出信号由预设的分频比决定,晶振信号为20M Hz ,则此处分频比f req_div 应设为20,代码如下:add_pulse <=

18、1W H EN qout =f req_div EL SE 0sub_pulse <=1W H EN qout =f req_div 22EL SE 0no_addsub <=1W H EN qout =f req_div 21EL SE 0溢出信号总是会早一个时钟节拍有效,当前选择的溢出信号再经过触发器“打一拍”后,就可以得到标准的1M Hz 输出。2.3计时器模块计数器模块通过对1M Hz 信号计数实现实时钟,分为微秒计数器和实时时间计数器2部分。微秒计数器为输入的1M Hz 信号计数,记录秒以下的毫秒、微秒精度的时间,同时输出同步采样脉冲和整秒脉冲;实时时间计数器为微秒计数器

19、输出的秒脉冲计数,记录包括年、月、日、时、分、秒的时间信息,这些时间允许CPU 通过接口模块读取和设置。由于CPU 读写的时间值用BCD 码表示,而计数器内部用二进制表示,因此,计时器模块输出和被写入的时间都需要经过BCD 和二进制的相互转换。2.4IRIG 2B 码解码模块解码模块负责对IRIG 2B 码脉冲进行解释,输出解码的时钟类型和数据信息,并发送中断给CPU 读取时间信息。其接口信号如图4所示 。图4IRIG 2B 码解码器接口信号Fig.4I nterface of IRIG 2B deceder解码器输出4种时间类型:001(秒、010(分、011(时和100(天。每解调出其中一

20、种时间值,发出一个irigb_irq 脉冲信号,时间数据线上存放着解码出的时间数据,通过接口模块供CPU 读取。每秒开始时刻解码器也会发出irigb_irq 信号,通知CPU 对计时模块进行校时,此时的时间类型值为000。CPU 将每秒解码出来的时间信息秒加1处理后应用到下一秒的校时中。由于解码出的天是相对于1月1日的偏移值,因此,CPU 需要将其转换成正常的年/月/日格式再进行校时。2.5CPU 接口模块CPU 接口模块是同步时钟与CPU 进行数据交流的通道,它将同步时钟内部的各个时间输入和输出寄存器以及控制命令都抽象为具有特定地址的逻辑上的寄存器,CPU 通过访问这些地址与同步时钟进行通信

21、。接口模块与CPU 连接的信号线有片选线、读写控制线、4位地址线和16位数据线。访问时序采用异步读写方式,与存储器的访问时序类似。3同步时钟在故障录波器中的应用研制的一款具有相角测量功能的新型故障录波器,对时标精度和异地同步采样提出了很高的要求。如果时间同步精度达到1s ,相角误差将控制在0.018°以内。在故障录波器主控电路板的设计中,采用了本文提出的高精度同步时钟方案,该方案采用FP GA 实现,接口简单,易于集成到电路板中。同步时钟不仅为前置机的数据采集提供10k Hz 同步采样脉冲,而且为数据打上时标,提供时间信息。 主控板的时钟部分结构如图5所示。图5录波器主控电路板时钟部

22、分结构Fig.5Clocking structure of control board forfault w ave recorder主控板CPU 采用TI 公司的DSP 芯片TMS320VC5509A ,主要对采集的数据打上时标和对同步时钟校正绝对时标。该DSP 的工作频率为200M Hz ,指令周期只有5ns ,读取时间信息和校正时标的时间都很短,误差也可通过软件修正。守时时钟用来长期维护系统的时间信息,在主控板掉电的情况下,仍然可以靠电池继续计时,一旦电路板上电,可以迅速提供时间信息校准同步时钟。守时钟用Dallas Semiconductor 公司的DS3231型时钟芯片实现。为了保证

23、守时钟的精度,同步时钟正常工作时还需要对守时钟进行反校时。462008, 32(10经检测,在GPS 信号正常时,录波器的时间误差在0.1s 以内,满足相角测量的要求。在GPS 信号失效6h 后,误差低于55s ,相角误差在1°以内。考虑到系统的精度需求和成本,采用温补晶振。如果有更高的精度和可靠性要求,可以选用恒温晶振,它的频率稳定度和准确度比温控晶振更高。4结语本文根据GPS 时钟与晶振时钟精度互补的特点,通过精确测量晶振时钟工作频率,对晶振时钟可调分频,并用IRIG 2B 码校正绝对时标,产生高精度、高稳定度的同步时钟。采用FP GA 实现的同步时钟具有集成度高、稳定性好、接口

24、简单和成本低等优点,易于集成到应用系统中。该同步时钟已应用于嵌入式故障录波器中,不仅在GPS 正常时能够与GPS 时钟保持高度同步,而且在GPS 失效时仍能稳定工作长达6h ,为实现精确、可靠的实时监测和故障分析奠定了坚实基础。该时钟也适用于其他需要高精度同步时钟的各种工业应用场合,具有良好的应用前景。参考文献1L EWANDOWSKI W ,PETIT G ,T HOMADS C.Precision andaccuracy of GPS time transfer.IEEE Trans on Instrumentation and Measurement ,1993,42(2:4742479

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