GPS時(shí)鐘系統(tǒng)技術(shù)方案

在電力系統(tǒng)、CDMA2000、DVB、DMB等系統(tǒng)中,高精度的GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）對(duì)維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有至關(guān)重要的意義。

那如何利用GPS OEM來(lái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),產(chǎn)生高精度時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

如在DVB-T單頻網(wǎng)(SFN)中,對(duì)于時(shí)間同步的要求,同步精度達(dá)到幾十個(gè)ns,對(duì)于這樣高精度高穩(wěn)定性的系統(tǒng),如何進(jìn)行商業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)?

一、引言

在電力系統(tǒng)的許多領(lǐng)域，諸如時(shí)間順序記錄、繼電保護(hù)、故障測(cè)距、電能計(jì)費(fèi)、實(shí)時(shí)信息采集等等都需要有一個(gè)統(tǒng)一的、高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。利用GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)是常用的方法之一。

目前，市場(chǎng)上各種類(lèi)型的GPS-OEM板很多，價(jià)格適中，具有實(shí)用化的條件。利用GPS-OEM板進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以精確獲得GPS時(shí)間信息的 GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）。本文就是以加拿大馬可尼公司生產(chǎn)的SUPERSTAR GPS OEM板為例介紹如何開(kāi)發(fā)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的的GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）。

二、GPS授時(shí)模塊

GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）采用SUPERSTAR GPS OEM板作為GPS接受模塊，SUPERSTAR GPS OEM板為并行12跟蹤通道，全視野GPS接受模塊。OEM板具有可充電鋰電池。 L1頻率為1575.42MHz，提供偽距及載波相位觀測(cè)值的輸出和1PPS（1 PULSE PER SECOND）脈沖輸出。OEM板提供兩個(gè)輸入輸出串行口，一個(gè)用作主通信口，可通過(guò)此串行口對(duì)OEM板進(jìn)行設(shè)置，也可從此串口讀取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、日期、所處方位等信息。另一個(gè)串行口用于RTCM格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)的輸出，當(dāng)無(wú)差分信號(hào)或僅用于GPS授時(shí)，此串行口可不用。1PPS脈沖是標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯輸出形式，當(dāng)導(dǎo)航輸出有效時(shí)，該脈沖的上升沿與時(shí)間相對(duì)應(yīng)。1PPS脈沖是每秒中輸出的正脈沖信號(hào)，其幅值為5V，1PPS脈沖的上升沿與UCT標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的秒脈沖同步，其誤差在正負(fù)1μs之內(nèi)?？梢岳么嗣}沖信號(hào)的上升沿作為UTC時(shí)間的對(duì)時(shí)信號(hào)，此外我們可通過(guò)同步脈沖電路將1PPS信號(hào)擴(kuò)展為1PPM（1 PULSE PER MINUTE）、1PPH（1 PULSE PER HOUR）等等根據(jù)實(shí)際情況用于對(duì)時(shí)。每種脈沖的輸出口數(shù)可以根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行擴(kuò)展。

SUPERSTAR GPS OEM板的主串口的通訊數(shù)據(jù)格式可采用CMC BINARY二進(jìn)制或者CMC支持的NMEA的ASCII碼，波特率可以在300bps到38400bps之間根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行調(diào)整，具有8位數(shù)據(jù)位、1位起始位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。GPS數(shù)據(jù)信息中包含衛(wèi)星狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、時(shí)間、高度、速度等等各種信息，對(duì)于同步時(shí)鐘的開(kāi)發(fā)來(lái)講，我們只需要讀取其時(shí)間信息即可。因而，可以通過(guò)主串口對(duì)OEM板進(jìn)行設(shè)置，使其以一定的波特率和某種通訊數(shù)據(jù)格式僅僅發(fā)送時(shí)間信息。例如我們?nèi)舨扇MEA的ASCII碼，則只需讀取以“$GPZDA”為命令頭的時(shí)間數(shù)據(jù)即可，然后可以很方便地從中分離出UTC時(shí)間的年、月、日、時(shí)、分、秒。

三、系統(tǒng)組成

GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）包括GPS接受模塊、中心處理單元、RS-232/485接口、CAN總線接口、同步脈沖發(fā)生電路、顯示電路等幾個(gè)部分。

1.中心處理單元

GPS同步時(shí)鐘采用DS80C320作為系統(tǒng)的CPU。DS80C320是美國(guó)DALLAS公司推出的8位高速單片機(jī)，是與MCS-51系列兼容的單片微機(jī)。由于對(duì)微處理器內(nèi)核進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)省去了多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期，若時(shí)鐘工作頻率相同，執(zhí)行相同的程序代碼，DS80C320的執(zhí)行速度至少為8051的2.5倍。

DS80C320與80C32具有完全相同的封裝，除擁有80C32所具有的I/O口、2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口等資源外，還具有一些新*源，現(xiàn)列舉如下。

a.串行口1

DS80C320額外提供與80C32相同的一個(gè)硬件串行通信口，在GPS同步時(shí)鐘的開(kāi)發(fā)中，我們由串行通信口0獲得GPS時(shí)間數(shù)據(jù)，而由串行通信口1負(fù)責(zé)與各種電網(wǎng)自動(dòng)化裝置進(jìn)行通訊。

b.雙數(shù)據(jù)指針

DS80C320提供兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，當(dāng)GPS時(shí)鐘接收到GPS OEM板信息后，利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，可以將數(shù)據(jù)送到不同的存儲(chǔ)區(qū)域。

c.片內(nèi)復(fù)位電路

DS80C320具有一套完整的上電/掉電復(fù)位邏輯。所以，使用DS80C320，無(wú)需外加外部復(fù)位電路。簡(jiǎn)化了硬件，提高了可靠性。

d.看門(mén)狗定時(shí)器

DS80C320具有一個(gè)可編程的看門(mén)狗定時(shí)器,因而無(wú)須象80C32那樣外加看門(mén)狗電路。

2.同步脈沖發(fā)生電路

P3.2和P3.3是1PPM(1 PULSE PER MINUTE)和1PPH(1 PULSE PER HOUR)脈沖的選通信號(hào)輸出端(為禁止發(fā)送1PPS脈沖,這兩個(gè)控制端在平時(shí)均置為低)。以產(chǎn)生1PPM脈沖為例：當(dāng)由串行口0讀入U(xiǎn)TC時(shí)間信息，并判斷其為某一分鐘的59秒時(shí)刻之后，CPU將P3.2置高,從而在整分時(shí)刻發(fā)送一個(gè)脈沖。當(dāng)再一次讀入時(shí)間信息，并判斷其為整分時(shí)刻時(shí)，重又將P3.2置低,以禁止發(fā)出脈沖。依次循環(huán)，即可得到精確的1PPM脈沖信號(hào)。采用同樣的方法，也可以產(chǎn)生1PPH的脈沖信號(hào)。

由于靜態(tài)空節(jié)點(diǎn)方式控制端與信號(hào)通道隔離較好，耐壓高，所以GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）將同步脈沖信號(hào)作為一個(gè)開(kāi)關(guān)量以靜態(tài)空節(jié)點(diǎn)方式輸出。

3.RS-232/485接口

GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）具有RS232與RS485兩個(gè)通信接口，以滿(mǎn)足不同的通信系統(tǒng)的要求。通過(guò)這兩個(gè)接口，同步時(shí)鐘可以輸出每秒一次包括年、月、日、時(shí)、分、秒在內(nèi)的完整UTC時(shí)間信息，也可以作為通信下位機(jī)在需要的時(shí)候?yàn)樘幱谏衔粰C(jī)的電網(wǎng)自動(dòng)化裝置提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息。

4.CAN總線接口

CAN（Controller Area Network）總線是重要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，目前在電力系統(tǒng)的一些領(lǐng)域（如變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)）中也有重要應(yīng)用。因而在設(shè)計(jì)GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）時(shí)，配置了CAN總線接口。GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）采用PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000作為CAN協(xié)議控制器，PCA82C250作為SJA1000與物理總線的接口。在整分或整時(shí)時(shí)，DS80C320可直接將標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)通過(guò)地址/數(shù)據(jù)總線送入 SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后置位命令寄存器CMR中的發(fā)送請(qǐng)求位TR，啟動(dòng)CAN核心模塊讀取發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，按CAN協(xié)議封裝成一完整CAN 信息幀通過(guò)收發(fā)器發(fā)往總線。也可在電網(wǎng)自動(dòng)化裝置要求時(shí)響應(yīng)外部中斷，將單片機(jī)發(fā)送緩存中的GPS數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議向外輸出。

四、軟件設(shè)計(jì)

GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）的軟件由主程序和接收/發(fā)送中斷子程序組成。在主程序中進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括對(duì)SUPERSTAR GPS OEM板、兩個(gè)串行通信口、內(nèi)置可編程看門(mén)狗、定時(shí)器等的初始化。程序每秒產(chǎn)生一次串行通信口0的中斷，讀取UTC時(shí)間數(shù)據(jù)，并將之轉(zhuǎn)化為北京時(shí)間，以 BCD碼格式通過(guò)串行通信口1發(fā)出。在中斷子程序中，還將對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行判斷，在每分鐘的59秒時(shí)刻和每小時(shí)的59分59秒時(shí)刻產(chǎn)生1PPM和1PPH信號(hào)的選通信號(hào)，在整時(shí)或整分時(shí)刻，則禁止發(fā)出選通信號(hào)。

GPS時(shí)鐘系統(tǒng)（GPS同步時(shí)鐘）也可響應(yīng)電網(wǎng)自動(dòng)化裝置發(fā)來(lái)的校時(shí)命令，將當(dāng)時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)間信息發(fā)送出去。為此只需在程序中增加一個(gè)串行通信口1的中斷子程序，使之按照一定的通信協(xié)議，為電網(wǎng)自動(dòng)化裝置提供實(shí)時(shí)時(shí)間信息。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的基于DS80C320的GPS時(shí)鐘發(fā)生器（GPS同步時(shí)鐘）已用于實(shí)際的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中。調(diào)試和運(yùn)行的結(jié)果表明，該時(shí)鐘裝置為整個(gè)系統(tǒng)提供了精確的時(shí)間信息，具有較高的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。在電力系統(tǒng)事故分析、故障定位、相位測(cè)量等等方面，該同步時(shí)鐘裝置都具有非常廣泛的運(yùn)用前景。