帶GPS授時的TMS320F2812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如今，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很多，有基于數(shù)字信號處理器DSP設(shè)計的，也有基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設(shè)計的，這些采集系統(tǒng)盡管采集處理數(shù)據(jù)能力不差，但大多都采用傳統(tǒng)授時模式。

而異地同步測量是工程中經(jīng)常用到的方法，如果用傳統(tǒng)的授時模式，其時鐘頻率的產(chǎn)生是用晶體，而晶體會老化，易受外界環(huán)境變化及長期的精度漂移影響，造成授時精度下降，這樣異地同步測量的數(shù)據(jù)其實在理論上已經(jīng)不再同步、同時了。本系統(tǒng)采用GPS新型授時方法，結(jié)合DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較好地解決這個問題。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)成與工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸人、同步采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。

模擬量輸入部分設(shè)有多個通道(如16路)，可用來對若干路電壓和若干路電流同時測量。來自PT或CT副邊的電壓或電流，經(jīng)隔離變換、模擬低通濾波后，被建立在GPS時間基準上的同步采樣系統(tǒng)所采樣，經(jīng)依次A／D轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP根據(jù)遞歸DFT算法，每來一個新的采樣點計算一次所有被測量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的時間信息和數(shù)據(jù)窗第一個采樣點的順序編號，給計算結(jié)果置以便于識別的“時間標簽”。計算得出的各相量連同其時間標簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過DSP總線和USB2.0數(shù)據(jù)線送往PC上位機進行處理和分析。

2 基于GPS授時的同步采樣控制單元

同步采樣是實現(xiàn)異地同步測量的關(guān)鍵技術(shù)，只有各測量點的采樣是同步進行的，同一時刻計算出的相量具有統(tǒng)一的參考時問基準，其相位關(guān)系才可直接進行比較。本文討論了無線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時方法。這些授時方法的誤差比較如表1所列。

通過比較不難看出，傳統(tǒng)的時鐘同步方法由于受技術(shù)和經(jīng)濟等因素的影響，在精度和實用性上很難滿足異地同步測量的要求；只有GPS精密授時方法的優(yōu)越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基于GPS時間信號的最新時鐘同步方法。

2.1 GPS系統(tǒng)簡介

GPS(Global Positioing System，全球定位系統(tǒng))是美國研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備組成。空間部分主要由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。在地球的任意處(有360°的視野)至少可以看到3顆衛(wèi)星(根據(jù)筆者實際用的情況看)。地面控制部分包括監(jiān)測站、主控站和注入站。用戶設(shè)備就是GPS接收機，本系統(tǒng)所選擇的接收機是GPS-OEM板(型號是GPS15L，在2.3小節(jié)會詳細討論)，它根據(jù)自己時鐘和接收到的導(dǎo)航電文計算出接收機(天線)所在的位置和GPS時間。