基于XCS10的高精度多功能時(shí)間校驗(yàn)儀系統(tǒng)

李永軍，徐曉蓉，靳永強(qiáng)，王海龍，陳立家

(1.河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開封475001;2.湖南文理學(xué)院，湖南常德415000;3.鄭州華特測(cè)控新技術(shù)公司，河南鄭州450052)

0 引言

由于復(fù)費(fèi)率表是以時(shí)間來劃分區(qū)段［1］，時(shí)間的準(zhǔn)確度會(huì)直接影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，因此校驗(yàn)復(fù)費(fèi)率和多功能電能表時(shí)，除需一個(gè)電能標(biāo)準(zhǔn)外，還需一個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).時(shí)間校驗(yàn)儀的功能就是測(cè)試復(fù)費(fèi)率和多功能電能表的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率和時(shí)段投切誤差，并給被校表授時(shí).為此，校驗(yàn)儀必須有高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).筆者以帶恒溫槽的高精度石英晶體為頻率標(biāo)準(zhǔn)，以GPS所提供的日期、時(shí)間為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以W78E58和XCS10為核心，并配以TMP82C79按鍵模塊和LG12864液晶顯示模塊，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了高精度多功能時(shí)間校驗(yàn)儀系統(tǒng).

1 測(cè)量原理

筆者采用比較法測(cè)頻，在同一時(shí)間T內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率fs和被測(cè)頻率fx同時(shí)計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值分別為 Ns，Nx，則被測(cè)頻率 fx可由式 fx=fs× Nx/Ns求出.為了提高測(cè)量精度，避免從某高電平的中間開始計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)啟停信號(hào)在CPU控制下，由fs或fx的前沿觸發(fā).頻率誤差用相對(duì)誤差re和日誤差de來表示，它們分別由式(1)和式(2)求得，式(1)里fb為基準(zhǔn)頻率標(biāo)稱值.利用CPU提供的軟時(shí)鐘可測(cè)投切時(shí)間，并輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段投切信號(hào)，時(shí)段投切誤差由式(3)求得［2］，負(fù)數(shù)表示快，正數(shù)表示慢.

2 硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以CPU W78E58作為計(jì)算和控制的核心，利用FPGA XCS10構(gòu)成的測(cè)量電路對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)GPS OEM模塊提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和PPS秒脈沖，恒溫石英晶體提供頻率基準(zhǔn).測(cè)量結(jié)果經(jīng)通信模塊傳給PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)被校表授時(shí).鍵盤和顯示作為人機(jī)接口，接收用戶的操作，顯示特定的狀態(tài)信息.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the system

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

采樣是把復(fù)費(fèi)率和多功能電能表的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率和時(shí)段投切信號(hào)接入到系統(tǒng)中，計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率信號(hào)接入方法如圖2所示.該系統(tǒng)通過12個(gè)8選1開關(guān)4051，可測(cè)96路輸入計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率信號(hào) F［1，…，96］.這 96路信號(hào)分成 8組，12個(gè)4051的所有對(duì)應(yīng)位各為一組，由CPU的D0、D1、D2選擇8組信號(hào)中的一組12路送給測(cè)量電路XCS10.

圖2 輸入信號(hào)采樣Fig.2 Input signal sampling

CPU W78E58和FPGA XCS10是該系統(tǒng)的核心，它們的電路連接如圖3所示.W78E58是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)完成計(jì)算的功能.圖3中，P0口為8位數(shù)據(jù)總線，并經(jīng)74LS373產(chǎn)生低8位地址總線，P2口產(chǎn)生高8位地址總線［3］.P1口的P1.4、P1.5、RXD和TXD相互配合完成本系統(tǒng)的通信功能.W78E58既和GPS通信又和PC機(jī)通信，故在GPS發(fā)送的信號(hào)和PC機(jī)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)入W78E58的RXD前，先經(jīng)過一個(gè)2選1電路，由P1.4 TXSEL選擇CPU接收對(duì)象，P1.5選擇CPU是發(fā)送還是接受.P1.1是XCS10的復(fù)位控制端;P1.2標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段輸出端;P1.3蜂鳴器控制端.T0接受FPGA產(chǎn)生的1 kHz信號(hào)，產(chǎn)生軟時(shí)鐘;INT0接受GPS放送的PPS標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖［4］，對(duì)T0產(chǎn)生的軟時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)時(shí);INT1接受FPGA產(chǎn)生的時(shí)段投切信號(hào)中斷申請(qǐng).

FPGA XCS10為系統(tǒng)的測(cè)量核心，它根據(jù)12路頻率輸入信號(hào) Fx［1，…，12］和12路投切脈沖SD［1，…，12］，在 CPU 的控制和協(xié)同下測(cè)量被較表的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率fx和投切時(shí)間t實(shí)測(cè)并通過數(shù)據(jù)總線把測(cè)量結(jié)果傳給CPU，由CPU使用式(1)、(2)和(3)計(jì)算出相對(duì)誤差γe、日誤差de和時(shí)段投切誤差se.同時(shí)XCS10還產(chǎn)生了整個(gè)系統(tǒng)需要的片選信號(hào)如圖4，由該圖很容計(jì)算出各片選的地址，比如在該圖中U4 74F273片選信號(hào)CS12的地址為0E60H.

圖4中 74F273的輸入 DB［7，…，0］為 CPU的數(shù)據(jù)總線，輸出為XCS10測(cè)量模塊的控制信號(hào)［5］.XCS10計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率測(cè)量模塊如圖5，其中M［12:1］為12 路待測(cè)輸入信號(hào) Fx［1，…1，2］，M［12:1］和M0即PPS合路成為13路信號(hào)M［12:0］，M［12:0］送到多路開關(guān)W1里，具體測(cè)量第幾路由圖4的S［3:0］選擇.BABF為高穩(wěn)晶體振蕩器產(chǎn)生的高精度10 MHz信號(hào)，用來作為頻率標(biāo)清零信號(hào)由圖4的CLR經(jīng)過非門產(chǎn)生，用來對(duì)兩個(gè)32位的計(jì)數(shù)器U1和U2清零;JZ、STR、LOCK由圖4中74F273提供，分別為基準(zhǔn)選擇、開始計(jì)數(shù)和鎖存信號(hào).被測(cè)信號(hào)Fx和10 MHz的頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別通過2個(gè)32位的計(jì)數(shù)器U1和U2進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果分別鎖存在8個(gè)8位的D觸發(fā)器N1到N8里.CPU根據(jù)片選地址CS14到CS21，經(jīng)數(shù)據(jù)總線把測(cè)量結(jié)果讀入，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出誤差.

圖5 頻率測(cè)量Fig.5 Measure of frequency

頻率測(cè)量過程如下:

MOV DPTR，#CS_IN

MOV A，#00H

MOVX@DPTR，A;采樣第一組F1到F12

MOV DPTR，#CSCLR

MOVX@DPTR，A;清零兩32位的計(jì)數(shù)器

MOV DPTR，#CS12

MOV A，#01

MOVX@DPTR，A;選F1為測(cè)量對(duì)象

MOV A，#21H

MOVX@DPTR，A;開始測(cè)量

CLR ACC.6

MOV DPTR，#CS12

MOVX@DPTR，A;測(cè)量結(jié)束，鎖存結(jié)果

MOV DPTR，#CS14

MOVX A，@DPTR

MOV@R0，A;讀測(cè)量結(jié)果到CPU，同樣操作把CS15到CS21讀到CPU里，前四個(gè)為測(cè)量信號(hào)頻率后四個(gè)為基準(zhǔn)頻率.

時(shí)段投切信號(hào)的采樣和頻率信號(hào)采樣類似，測(cè)量時(shí)直接用2個(gè)8位觸發(fā)器測(cè)得輸入時(shí)段投切脈沖，經(jīng)片選地址CS6和CS7送入CPU，再由式(3)可求得時(shí)段投切誤差.

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件工作過程如圖6，這里初始化包括按鍵模塊TMP82C79的初始化、顯示模塊LG128643的初始化、GPS OEM模塊的初始化及其CPU工作環(huán)境的初始化.本軟件設(shè)計(jì)了4個(gè)大的處理程序分別是按鍵處理程序、顯示處理程序、一秒到處理程序和通信處理程序，每個(gè)處理程序都設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位.主程序工作在查詢方式，一直查詢這四個(gè)標(biāo)志位，查到標(biāo)志位為1轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)處理程序運(yùn)行.

5 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)頻率測(cè)量范圍0.1 Hz～5 MHz;頻率測(cè)量準(zhǔn)確度±0.2×10-6;日誤差準(zhǔn)確度≤20 ms;GPS內(nèi)部對(duì)時(shí)準(zhǔn)確度10-6s;內(nèi)部晶振穩(wěn)定度≤5×10-8/s，符合 JJG596-1999、DL/T614-1997和JJG307-88規(guī)定的對(duì)電能表校驗(yàn)的要求［6］.使用該系統(tǒng)對(duì)復(fù)費(fèi)率和多功能電度表進(jìn)行校驗(yàn)，圖7為主菜單顯示，圖8為1通道的測(cè)量結(jié)果顯示.該系統(tǒng)不但測(cè)量速度快、穩(wěn)定性好、多路測(cè)量，而且計(jì)時(shí)基準(zhǔn)頻率測(cè)量準(zhǔn)確度好、時(shí)段投切信號(hào)測(cè)量分辨率高，完全能滿足對(duì)復(fù)費(fèi)率和多功能電能表的測(cè)量與校驗(yàn).

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of the experiment

［1］李啟丙.高精度多功能時(shí)間校驗(yàn)儀的研究與設(shè)計(jì)［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，22(5):89-92.

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［3］何立民.單片機(jī)高級(jí)教程:應(yīng)用與設(shè)計(jì)［M］2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版，2007:132-175.

［4］謝強(qiáng)，錢光弟.基于GPS時(shí)間源的自控時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20(3):49-53.

［5］PETER J.Ashenden.VHDL設(shè)計(jì)指南［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:326-355.

［6］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司，電能表技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2000.