电子论文-GPS高精度水电站授时系统

1、第20卷 第2期 2008年6月浙江水利水电专科学校学报J.ZhejiangWat.Cons&Hydr.CollegeVol.20 No.2Jun.2008GPS高精度水电站授时系统马 艳,谢 楠,田静华(浙江水利水电专科学校,浙江杭州 310018)摘 要:GPS授时以其高精度、实时、抗干扰、技术成熟等优点被诸多领域所应用.研究设计了基于GPS高精度水电站授时系统,该系统可以通过RS232C和RS485输出接收处理后的本地时间,以及由GM-82OEM板直接发送的1PPS和NMEA-0183ASCII码定位导航时间信息.关键词:全球定位系统;授时;GM-82OEM板;UTC;秒脉冲中图

2、分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1008-536X(2008)02-0083-003PrecisionTimingSystemBasedonGPSinHydropowerStationsMAYan,XIENan,TIANJing-hua(ZhejiangWaterConservancyandHydropowerCollege,Hangzhou310018,China)Abstract:GPStimingiswidelyusedinvariousfieldswiththemeritsofhighprecision,realtime,anti-disturbance,maturet

3、echnologyandsoon.Precisiontimingsystem,basedonGPSinhydropowerstations,isstudiedanddesigned.IttransmitslocaltimethroughRS232CandRS485tootherdevices.Inaddition,1PPSandNMEA-0183ASCIIinformationabouttiming,navigationandpositionaredirectlytransmittedbyGM-82OEMcircuit.Keywords:GPS;timing;GM-82OEMcircuit;U

4、TC;pulsespersecond0 引 言水电站发电系统中,发电机的电压相量和功角状况是电力系统运行的主要状态变量,也是系统稳定运行的标志.因此,发电机的电压相量和功角是电力系统稳定监视和控制的关键1-260°的24颗(其中三颗为备用)高轨道卫星构成.GPS除了提供高精度导航定位信息之外,还可以根据其卫星上的精确原子钟实现高精度的授时3.针对这一时间控制要求,采用GPS授时作为基准时间源和统一授时,才使得水电站系统的电力设备和监控系统时间同步成为可能.近年来GPS的OEM接收板大幅度降价,使GPS高精度授时系统在水电站的普及应用成为可能.要实现水电站系统的电压同步相量和功角测量,

5、首先要有一个统一的时间基准,并且该基准要有足够的精度.现行的自动授时系统,大多采用计算机本身的时钟作为标准时间源,但由于计算机是利用晶振来计时,随着晶振频率不同而时间的精确度也不同,不能足以满足同步相量和功角监测的要求.全球定位系统(GlobalPositioningSystem,简称GPS)是美国从20世纪70年代开始研制发展而成的全球性、全天候、连续的星基无线电导航定位系统.GPS由三大子系统构成:空间卫星系统、地面监控系统和用户接收系统,其空间由均匀分布在6个轨道平面上互成收稿日期:2008-02-11作者简介:马 艳(1979-),女,浙江诸暨人,讲师.从事计算机智能控制研究.1 GP

6、S授时系统的基本原理GPS卫星装载了高精度的铯原子钟,所以全球定位系统可在全球范围内提供精确的UTC(UniversalTimeCoordinated)时间信息.GPS系统每秒向地球发送1次信号,其内容是精度达1s的秒脉冲选通信号,以及通过串口输出的UTC时间信息.GPS接收机通过其接口(一般提供RS232串口)与GPS授时系统的接收机通信串口相连接,并将接收的GPS时间信息存入RAM中,然后通过软件对接收的UTC时间信息进行处理和使用,用以校正授时系统时钟的时间,最后再以此标准时间为准通过RS232C和RS485控制校正所有被84浙江水利水电专科学校学报4第20卷控对象的时钟时间.相连,P2

7、口连接74LS138译码器来选择它们的地址,由此16C550接收从P0口输出的时间信息然后转换成串口数据.4路串口通信通过各隔离电路分别连接1个MAX232芯片和2个MAX485芯片实现授时.4个16C550的中断请求信号线INT1INT4通过1个与非门连接到AT89S51的外部中断源INT0,且INT1INT4与P1.4P1.7相连.16C550采用1.8432MHz的晶振,复位端均与单片机的复位端RST连在一起.GM-82接收板输出的1PPS经过两次4040计数电路转换成分钟和小时的脉冲1PPM和1PPH.GM-82发送另一路串口数据经隔离电路和一个MAX485芯片与其他设备通信.本系统采

8、用±5V的直流电源以及稳压电路给系统供电.整个系统集成化程度高,模块间接口较简单,体积小,运行稳定可靠.GPS高精度授时系统硬件结构基本框图见图1.2 硬件系统2.1 硬件系统组成选用HOLUX的GM-82型GPSOEM接收板作为GPS用户接收机,能同时追踪12颗卫星,除了发送1PPS并且发送NMEA-01832.2版本ASCII码数据(包括经度、纬度、时间等信息),每当1PPS上升沿时刻更新一次数据.该接收板体积小、性能优良而且价格低廉,易于二次开发.本系统选用AT89S51单片机作为控制中心.选用74HC154作为12位“年年月月日日”、“时时分分秒秒”的译码器;选ULN2003

9、A芯片作为LED显示位选驱动器,它与译码器直接相连从而驱动各个七段LED数码管,用三极管放大电流作为LED数码管的段驱动.单片机P0口和4个16C550数据输入端D0D7图1 GPS高精度水电站授时系统结构框图2.2 授时系统工作原理GM-82OEM接收板到AT89S51单片机的串行传输率为9600bps.单片机以中断方式接收来自GM-82接收板的导航卫星原始数据,丢掉其它数据只保留时间数据,放入缓冲区,然后进行整理并保存到另一个缓冲区.按照显示地址从已经处理好的数据从P0口传送给12位LED数码管显示“年年月月日日”、“时时分分秒秒”.AT89S51单片机从P0口输出时间数据,通过并入串出芯

10、片16C550、光电隔离、MAX232和MAX485主动给2路近距离和2路远距离水电站系统设备授时.从GM-82直接接收的1PPS和另一路串行口以NMEA-0183ASCII码形式直接输出时间信息.1PPS经过计数分频还可以构成1PPM和1PPH,即分钟与小时的脉冲基准.3 软件设计AT89S51单片机采用中断方式接收GM-82按标准格式NMEA-0183以ASCII码形式发送的串口数据.去第2期马 艳等:GPS高精度水电站授时系统85掉其它信息,只保留时间数据,并将其以P0口方式传送给显示模块.对于接收授时的设备或者被控对象,通过P0口以及并口转换成串口的形式主动传输出去.每当相应一路并口数

11、据一次转换完成串口数据并且发送完毕,则发生中断,从查询P1.4P1.7的状态来更新相应串口的时间数据.3.1 GM-82OEM板的串口通信数据格式整的接收这7个字符后,才能保证是所需要的数据.GPS时间中断接收子程序具体流程见图2.本系统采用HOLUX的GM-82型GPSOEM板,其串口通信协议为:串口的默认传输率为4800bps,无奇偶校位,8个数据位,1个起始位,1个停止位.其通信格式选择NMEA-01832.2版本标准,内容包括经度、纬度、高程、速度、时间、卫星状况等许多信息.其中,以ASCII码为输出形式的RMC定位数据语句格式如下2,5./S GPRMC,<1>,<

12、2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,*hh<CR><LF>上面定位数据与本系统相关的符号位含义为S/ GPRMC为定位数据语句起始标志;<1>为协调世界时间UTC内容为“时时分分秒秒”;<2>为工作状态,A为可用,V为接收器报警,本次数据无效;<9>为UTC时间内容为“天天月月年年”;<CR><LF>为语句结束符.3.2 软件设计流

13、程图本系统的软件主要分为初始化、GPS数据接收、时间显示、数据传送子程序4个部分.时间显示程序较简单,单片机与被授时设备的数据传送与一般串行通信基本相似,本文不多加叙述.下面主要介绍系统初始化和GPS数据接收的软件设计.系统上电后硬件复位,所有显示为全熄状态.此时单片机将初始化GPS-OEM和串口初始化,即设置串口的传输率为9600bps,无奇偶校验,8个数据位,1个起始位,1个停止位,其通信格式选择NMEA-0183的2.2标准,并以ASCII码形式输出;同时单片机设置中断优先级、对P0P2口进行初始化、设置显示初始值、接收和发送缓冲区.初始化后,系统开始进人正常工作状态,主程序包括两个方面

14、:一方面进行时间显示,另一方面发送已经处理好的当地时间.由于GM-82板1PPS就发送的一条时间定位信息,要完整的接收这条“/S GPRMC”语句,就必须判断这条语句的头,也就是“/S GPRMC,”这7个字符.当完图2 GPS时间中断接收子程序流程图GM-82板传送过来的是格林威治UTC时间,北京时间和格林威治UTC时间相差8个小时,即北京时间=UTC时间+8.但在格林威治UTC时间16时以后,北京时间已经是第2天的凌晨了,也就是当算出的北京时间大于或者等于24时,必须减去24才是正确的北京时间,具体流程见图3.图3 北京时间显示子程序流程图4 结 语本文设计的GPS高精度水电站授时系统采用

15、成(下转第88页)88浙江水利水电专科学校学报第20卷过RTK流动站测得,外业工作采集工作量比较大,而且由于这种方法求得的WGS-84坐标相对精度较底,该方法求得转换参数精度不是很高,由于受基准站作业半径,对较远距离的控制点的WGS-84坐标的获得需要多次搬站,不利于大面积工程.第2种方法求转换参数,需要当地的WGS-84坐标,对控制点要求比较高.但由于已知高精度WGS-84坐标,外业采控制点的工作量可以取消,节省了工同的计算方法求得坐标转换参数,经比较后选择残差较小、精度较高的一组参数使用.(2)由于坐标转换参数的求解精度与已知点两套坐标的精度和区域内点位的分布有关,因此坐标转换参数是有区域

16、性的,它仅适用于已知点所圈定的区域和临近地区,其外推精度明显低于内插精度.因此,在一个测区求解的坐标转换参数不能直接应用到其它测区.作时间,还能得到较高精度的转换参数.在一些以往已经做过GPS控制但控制点已经有些破坏了,实地点并不多的情况下或控制点间距较远使用第一种方法求解转换参数较难的情况下第二种方法显得尤为实用.4 求解转换参数方法应注意的问题为了提高测量的精度在求解转换参数时,应该注意:(1)求解坐标转换参数所使用的已知控制点(通常称为基准点)的精度、密度及分布状况对坐标转换参数的求解质量有着直接影响.因此,所选定的基准点要求精度要高,并且应均匀分布在测区周围.基准点的数量视测区的大小一

17、般取36点为宜.一般地,在求解坐标转换参数时,应采取不同基准点的匹配方案,用不(上接第85页)本低、技术成熟又易于购买的GM-82型GPSOEM接收板,使整个系统精度高、集成化程度高、输出模块接口较简单、总成本低廉、运行稳定可靠、且具有较好的抗干扰能力.本系统为水电站电力设备和监控系统提供了高精度的时间信号,具有很强的实用价值.参考文献:1 郝 波,岳 军,尹常永.基于同步相量测量的高精度授时信号的5 结 语GPSRTK定位技术是一种定位快速,精度高的测量方法,而求解转换参数是其定位过程中的重要步骤.在工作过程中,我们应该根据实际情况灵活机动的选择转换参数的求解方法,合理的选择控制点可以达到提高测量精度、增强工作效率的目的.参考文献:1 刘基余,李征航,王跃虎.全球定位系统原理及其应用M.北京:测绘出版社,1995.2 刘大杰.施一民,过静君.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理M.上海:同济大学出版社,1997.3 刘经南,葛茂荣.92中国GPS会战(A级网)数据处理分析J.武汉测绘科技大学学报,1996,20(1):40-45.研