高精度 GPS 同步时钟设计

1、高精度GPS同步时钟设计王伟武汉理工大学信息学院,武汉(430070E-mail: zgkjww摘要:本文提出了一种基于专用的RTC(Real-Time Clock实时时钟芯片的高精度守时电路的设计方案,并且把其应用到GPS自主导航用户机上。守时电路采用GPS导航电文校时与实时守时模块相结合,采用模块化、同步化设计;在实际应用中,导航电文中精确的时间信息可以对守时模块的时间进行设定和修改。结合高精度的石英晶体振荡器,该守时模块达到了设计的预期目标,合乎GPS用户机高精度守时的需要。关键词:GPS;RTC;高精度守时电路中图分类号:TN9111 引言近年随着卫星技术的发展,全球定位系统(Glob

2、al Positioning System-GPS也越来越广泛的渗透进了大众的生活,手持以及车载GPS的普及化发展让这个几年前还比较神秘的产品与人们的生活息息相关起来,GPS是具有高精度、全天候、多功能、并且拥有全球覆盖能力的导航系统,该系统不但在导航定位以及测量方面有着广泛的应用,在精确授时方面也是目前全世界都广泛采用的重要方式1。在电力系统,电视广播播出系统中,为取得通信网络的同步,GPS授时系统也得到了大量的应用。本文提出了一种基于低功耗CPLD的高精度守时电路设计方案,整个守时模块采用模块化设计,各实时分频计时子模块采用可综合的VerilogHDL语言编写,对各子模块进行功能和时序仿真

3、,在实际应用中,用户机接收的导航电文中精确的时间信息可以随时被用于调整和设定守时模块的时间2,配合高精度的石英晶体振荡器,该守时模块达到了预期的设计目标。2 相关技术概述2.1 GPS本地守时电路解决方案概述为了能够输出高精度和高稳定性的时钟,目前国内外产品普遍采用的方法是:用GPS 时钟信息来同步(校正本地钟(原子钟、晶振时钟:正常运行时,由卫星接收机通过捕获GPS信号、定位解算来获得GPS 系统的时钟信息,并用于校正本地钟,使本地钟保持与GPS系统时间的同步;当GPS信号不稳定时,由本地钟负责维持时钟信号的输出,直到GPS 信号重新稳定并再次获得GPS的时钟信息后,回到正常运行状态3。2.

4、2 守时系统指标参数选择综合考虑系统时钟信号的频率稳定度和功耗等方面的因素,我们采用高稳定,低功耗10Mhz晶振作为本地守时频标。这样测试终端可以达到在2个月不开机情况下,时间漂移小于1s的要求,另外用户终端具有靠电池维持工作的低功耗守时单元。通过对10Mhz信号分频计数,产生时间信息4。本地钟由导航电文得到,也可以通过外部时间码和1PPS信号对本地时间初始化。在目前的时间基准振荡器中,石英晶体振荡器具有高稳定度和低功耗的特点。按指标要可估算出守时频标的频率准确度应优于210-7,考虑使用环境和功耗要求,采用了高精度,低功耗的温补晶振振荡器(TCXO,晶振频率为10MHZ。3 守时电路的原理与

5、结构时间产生电路包括10Mhz的守时频标(晶体振荡器、频率校正电路、10Mhz分频计时器、电池四部分。频率校正电路产生精确的校准电压对10Mhz频标进行校正。分频计时器对10Mhz频标进行计数,产生本地年,月,日,时,分,秒等时间信息。电池单元对晶振、频率校正电路、分频计时器供电。整机断电后,时间产生电路的运行靠电池供电。石英晶体振荡器随着时间老化将产生频率漂移。本方案中采取了频率测量和校正措施,消除10Mhz频标的频率漂移对守时精度的影响。本地守时电路结构如下图5。 图1 本地守时电路结构图频率测量电路通过1PPS信号对10Mhz信号计数进行,1pps信号通过整机外部输入。为保证测量的精度,

6、可加长10Mhz信号的计数时间,并对计数结果进行平滑处理。当测量守时频标的频率准确度在110-7以内时,不启动频率校正电路。守时模块由三个大模块构成,分别为主计时模块,输入输出时钟数据模块,译码模块,所有的模块都采用同步设计,采用Clockin来同步。3.1 主计时模块主计时模块由9个功能模块组成。10Mhz时钟信号(周期为100ns首先经过10分频产生计时us模块的进位,经过第二个模块产生计时ms模块的进位,并计时得出us值,经过第三个模块产生s的进位,并计时得出ms值。依次经过秒,分,时,日,月,年模块得出所需的进位及其时间。下面以一个模块来说明计时模块的输入输出端的说明: 图2 计时模块

7、输入端口:clkin 10M基准时钟的输入,起到使各个模块同步的作用,有使用在CPLD中的实现。aload 异步加载信号,当要给fdiv28_30_31加载时钟数据时,给w1一个高电平,则data7:0将读取data_in7:0的数据并加载到所在的模块,然后在此时间数据的基础上计时。Data7:0 加载的时钟数据线,输入的时间数据采用BCD编码。In_carry 前一个模块的进位信号。Leapyear 计年模块的反馈输入,以确定是闰年还是平年。Month7:0 计月模块的反馈输入,以确定现时间处在哪个月。Aclr1 异步清零端,高电平使cnt7:0,out_carry清零。输出端口:out_c

8、arry 输出的进位信号,提供给下一个模块计时使用。Cnt7:0 在此模块中起计日数据,采用BCD码输出。3.2 译码模块译码模块的主要作用是读写控制信号和读写地址信号。Adr1作为产生读写控制信号控制读写Adr0作为读写地址译码的输入信号信号。 10-1100-01图3 译码模块Adr1:0为10-11为读时间数据地址信号 10为读秒,分,时信号11为读日,月,年信号。Adr1:0为00-01为写时间数据地址信号 00为写秒,分,时信号01为写日,月,年信号。3.3 输入输出模块本设计采用的16位时间数据的读出与写入,在设计中将输入时间数据总线跟输出时间数据总线复用6。每次读出写入时把读写秒

9、,分看成一个整体,计为整体A(把小时,日看成另一个整体进行读出写入,计为整体B,把月,年看成另一个整体。每个模块的读出写入数据都采用BCD码表示。3.3.1 输入在给计时模块计时置数之时,首先应给月,年赋值。每次置16位数,时间分3次注入。1置数据整体月,年时首先给Aclr1置1,将计时模块清0。2给Addr【2:0】赋值011经过译码器产生的Waddr【3】作为LPM_DFF的使能,并同时作为给计时模块置数的异步控制端,这个异步控制端需要延迟一个LCELL。3置数的同时应该给WD一个上升沿信号。以确保置入的数据加载到计时模块。4置秒,分,小时,日同样。 图4 输入模块3.3.2 输出从计时模

10、块读时间数据,首先应从秒,分,时模块中读数据,然后读日,月,年的数据。秒,分,时模块的读数跟日,月,年的读数通过地址来区分。时间分两次读出。1读整体A(即秒,分,时时首先给Addr【1:0】赋值为10,以译码器产生的Raddr0为1,即使LPM_DFF使能,输出三态同时打开。2进行读时间数据时应给RD一个上升沿的信号进行读出。3之后在in_out_data23:0是所得的秒,分,时的时间信息。4读整体B(即日,月,年时将首先给Addr【1:0】赋值为11译码器产生的Raddr【1】作为LPM_DFF的使能,并同时作为给模块置数的异步控制端。置数的同时应该给WD一个上升沿信号。5之后在in_ou

11、t_data23:0是所得的日,月,年的时间信息。 Raddr0 Data_out17.0 TRI in_out_data7.0 inst 图 5 输出模块图 4 守时电路系统调试与实现 在把守时电路各部分模块分别搭建完成后， 在顶层模块中调用根据不同功能而编写的子 模块，进行功能仿真、测试完毕后，将守时模块硬件工程下载到低功耗 CPLD 中。本设计基 于系统化的设计思想， 对整个电路进行了合理的模块划分。 在守时模块的设计中运用了硬件 描述语言以及 modelsim 进行了仿真，综合，适配，下载，最后在 Xilinx 公司的 XC2S100 芯 片上实现，实现了设计要求。目前该守时电路已经应

12、用到导航用户机中，通过与导航定位主 机联调测试，误差为两个月偏差小于一秒，满足高精度守时的要求。 5 结论 本文根据 GPS 时钟与晶振时钟精度互补的特点, 提出了一种高精度的守时方案，即通 过精确测量晶振时钟工作频率,对晶振时钟可调分频,产生高精度、高稳定度的同步时钟。本 设计基于系统化的设计思想，对整个电路进行了合理的模块划分，易于集成到应用系统中。 该同步时钟已应用 GPS 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,为实现精确、可靠的实时授时奠定了坚实基础。本文同时还给出了一种 实时守时电路设计的新方法， 该设计也适用于其他需要高精

13、度同步时钟的各种工业应用领域, 具有良好的应用前景。 参考文献 1 魏武财. 北斗导航系统与 GPS 的比较. 航海技术，2003 年第 6 期. 2 边少锋，李文魁.卫星导航系统概论M.北京：电子工业出版社，2005. 3 马均璞，魏智.实时时钟电路设计.国外电子元器件，2003 . 4 Lewandowski W,Azoubib J,Klepczynski W J. GPS:Primary Tool for Time transfer C/Proceedings of IEEE,1999.163-172 5 李树洲.卫星导航定位系统星地时间同步方法.无线电工程 2002. 6 曾爱华，殷瑞

14、祥，陈敏.带有 48 字节的日历时钟芯片的设计J.电子技术应用，2005，（6） Design of High Accuracy Gps Synchronization Clock Wang Wei College of Information Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan（430070） Abstract In this paper,a new design of high accuracy synchronization clock is proposed for navigation user machine of Gps,which is based on the special Real-Time Clock chips.The time of navigation user machine can be regulated by navigation information and real punctual module.It adopts modular and synchronous design. In practice, time in navigation information can regulate and adjust time of punctual circuit.C