基于FPGA和單片機(jī)的守時系統(tǒng)設(shè)計

曾一凡，吳思琪

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

精確的時間在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，不僅僅在電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中需要時間同步，在監(jiān)控、調(diào)度和數(shù)據(jù)交換等方面也有高精度的時間同步要求[1-2]，因此開展守時理論和方法的研究對于電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展具有極其重要的意義[3]。電網(wǎng)中普遍采用GPS/北斗作為時間同步的基準(zhǔn)，具有較高的時間精度。但是一旦發(fā)生特殊事件，導(dǎo)致信號微弱甚至是消失時，GPS/北斗的可利用性就會受到限制，無法利用它來進(jìn)行守時。而守時系統(tǒng)則是一種可以利用標(biāo)準(zhǔn)時標(biāo)對本地信號進(jìn)行校準(zhǔn)，并在規(guī)定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的系統(tǒng)，可在GPS/北斗受限時作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘為電力系統(tǒng)提供高精度的時間信號。

目前，對于守時系統(tǒng)的研究主要集中在跟蹤及保持守時系統(tǒng)的精度、跟蹤過程的調(diào)整速度和系統(tǒng)的便攜性上。參考文獻(xiàn)[4]闡述了若干種測量相位差的方法。參考文獻(xiàn)[5]～[8]介紹了幾種目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的時間同步技術(shù)。參考文獻(xiàn)[9]～[12]中的守時電路是通過接收FPGA送來的高精度標(biāo)準(zhǔn)時間信息，對外部頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高精度分頻計時，產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)時間保持同步的時間信號，并通過軟件對守時電路的時間進(jìn)行校準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)[13]、[14]采用普通晶振和單片機(jī)構(gòu)成計時器，通過與上位機(jī)通信實現(xiàn)守時。該方法實現(xiàn)起來較容易，但調(diào)整速度較慢，且普通晶振工作一段時間后頻率會產(chǎn)生一些變化，不能實現(xiàn)信號的穩(wěn)定保持。

為了達(dá)到高速、高精度及良好穩(wěn)定性的要求，本文提出了以下的設(shè)計方案：以10 MHz高精度雙恒溫槽的恒溫晶體振蕩器MV180及GPS時標(biāo)作為系統(tǒng)時鐘輸入，應(yīng)用 Cyclone III系列 FPGA設(shè)計分頻、調(diào)頻、調(diào)相電路，通過1T高速單片機(jī)對整個守時系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號，實現(xiàn)了一個高可靠性和高精度的守時系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

恒溫晶振的輸出信號經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換和分頻處理，產(chǎn)生頻率為1 Hz的秒脈沖信號，將此信號的頻率與GPS/北斗時標(biāo)信號的頻率進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行頻率校正。由于輸出頻率的最終值由加在控制端的控制電壓來決定，因此校正的過程由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前頻率控制DAC7512輸出不同的電壓值來完成，最終實現(xiàn)與GPS/北斗時標(biāo)信號完全同頻。

將分頻后產(chǎn)生的秒脈沖和GPS時標(biāo)信號進(jìn)行相位比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行調(diào)相處理，最終實現(xiàn)與時標(biāo)信號完全同相位。這樣，經(jīng)過調(diào)頻、調(diào)相處理后，便可產(chǎn)生與時標(biāo)信號完全同頻、同相位的守時脈沖。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 守時系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 本地時鐘的產(chǎn)生

恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生中心頻率為10 MHz的正弦波信號，頻率可變范圍為±40 Hz，改變晶振的外部控制電壓可對其頻率進(jìn)行校正。該晶振供電電壓為12 V，輸出交流正弦信號，老化率為±510-10/天，±510-8/年。

本地時鐘發(fā)生電路由5 V直流電源、5 V轉(zhuǎn)12 V DC-DC模塊和正弦波轉(zhuǎn)方波電路構(gòu)成。由于最終生成的本地時鐘信號需為同頻率方波信號，因此需將原晶振輸出信號進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換。本文采用施密特觸發(fā)器74HC14將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，波形轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 正弦波轉(zhuǎn)方波電路

將晶振的輸出接入該電路進(jìn)行耦合，并外加偏置電壓使其電壓范圍滿足施密特觸發(fā)器的觸發(fā)條件。經(jīng)過兩次施密特觸發(fā)器的變換，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)的10 MHz方波信號作為整個系統(tǒng)的本地時鐘信號。

2.2 輸入時鐘的調(diào)頻處理

由于晶振本身在運(yùn)行一段時間后可能存在一些頻率上的誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)輸入時鐘不準(zhǔn)確，因此需對其進(jìn)行調(diào)整。將系統(tǒng)輸入時鐘接到工作頻率為32 MHz的STC 1T高速單片機(jī)的計數(shù)器端口，通過門控方式控制計數(shù)的時間，每秒記得的脈沖數(shù)即為系統(tǒng)時鐘的頻率值。

根據(jù)MV180的f-V特性，頻率隨著控制電壓的變化呈緩慢變化，且只在總體上呈正向變化，并沒有嚴(yán)格的比例關(guān)系和數(shù)學(xué)模型。因此，整個調(diào)頻過程不應(yīng)該太快，且需選擇合適的算法，而不是單純的比例控制[15]。通過進(jìn)一步的實驗得出，調(diào)整時間間隔設(shè)置在100 s時效果較好，且調(diào)整較為方便，既保證了精度，又提高了系統(tǒng)工作效率。其調(diào)整算法歸納如下：

其中，DAn和DAn-1為當(dāng)前和上一次送入 D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)值；F為頻率標(biāo)準(zhǔn)值；f為當(dāng)前測得的頻率值；N為調(diào)頻系數(shù)，介于0～1之間，根據(jù)頻率差值的不同選擇相應(yīng)的系數(shù)。

DAC7512是12位的D/A轉(zhuǎn)換器，具有串行輸入和軌對軌輸出的特點。由單片機(jī)發(fā)送來的DA數(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成控制電壓送入晶振，實現(xiàn)本地時鐘的頻率調(diào)節(jié)。其電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，VDD為該芯片電源電壓。

2.3 輸出秒脈沖的調(diào)相處理

經(jīng)過分頻后的秒脈沖信號很可能會與GPS時標(biāo)信號產(chǎn)生相位差，此時需對該信號進(jìn)行相差的調(diào)整。輸出秒脈沖相對GPS/北斗時標(biāo)可能有相位超前、滯后和無相位差3種情況。調(diào)相部分利用FPGA實現(xiàn)相差檢測與判斷電路、相差計數(shù)電路、超前/滯后脈沖處理電路，并通過相應(yīng)的軟件控制各部分電路的工作。

本設(shè)計通過異或門和D觸發(fā)器實現(xiàn)對相差的檢測和狀態(tài)判斷。當(dāng)兩信號存在相差時，異或門輸出為1，此時檢測D觸發(fā)器的輸出，如圖3所示。

圖3 相位狀態(tài)判斷

由圖3可知，輸出秒脈沖相位超前時，D觸發(fā)器輸出為低電平，相位滯后時輸出為高電平，因此，可判斷出當(dāng)前兩信號的相位關(guān)系。

本設(shè)計通過門控電路控制相差計數(shù)的開啟和關(guān)閉。當(dāng)存在相差時，相差檢測端輸出高電平，門控信號開啟，由單片機(jī)的計數(shù)器對相差脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而確定相位差的時間，再根據(jù)超前和滯后的不同情況通過軟件控制超前/滯后脈沖處理電路對相差進(jìn)行調(diào)整。

超前脈沖處理電路如圖4所示。若本地時鐘相位超前，將超前處理開關(guān)置高電平，經(jīng)與非門后變?yōu)榈碗娖?，從而阻止本地時鐘通過，對超前的相位進(jìn)行校正。當(dāng)本地時鐘不超前時，超前處理開關(guān)置低電平，本地時鐘可正常通過。

圖4 超前脈沖處理電路

滯后脈沖處理電路如圖5所示。若本地時鐘相位滯后，將滯后處理開關(guān)置低電平，信號不經(jīng)過分頻，使脈沖更快通過，抵消相位的滯后。當(dāng)本地時鐘不滯后時，開關(guān)置高電平，信號經(jīng)分頻后正常通過。

圖5 滯后脈沖處理電路

調(diào)相過程使用STC單片機(jī)自帶的PCA計數(shù)器對相位差進(jìn)行計數(shù)，記得的時間T作為超前滯后調(diào)整的依據(jù)。若超前，則開啟超前脈沖處理電路T秒后再關(guān)閉；若滯后，根據(jù)T的大小選擇相應(yīng)的步長進(jìn)行調(diào)整，既保證了調(diào)整的速度，又增加了校正后秒脈沖的相位準(zhǔn)確度。

調(diào)相處理部分的程序流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)相處理流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

守時系統(tǒng)的校正過程如表1所示。

表1 守時系統(tǒng)的校正過程

由表1可以看出，該系統(tǒng)具有良好的校正性能，能夠較快速地在校正過程中減小與時標(biāo)信號的相位差，最終在規(guī)定精度范圍內(nèi)達(dá)到與GPS/北斗時標(biāo)信號完全同步的效果，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的精確守時。

在跟蹤GPS/北斗時標(biāo)的過程中，系統(tǒng)能夠快速地對本地時鐘進(jìn)行調(diào)頻調(diào)相，并在校準(zhǔn)后使其保持在規(guī)定的精度范圍內(nèi)。圖7為校正后的輸出秒脈沖與GPS/北斗時標(biāo)信號之間的相位關(guān)系。

圖7 輸出秒脈沖與GPS時標(biāo)的相位比較

如圖7所示，經(jīng)守時系統(tǒng)調(diào)整后的輸出與GPS/北斗時標(biāo)之間由相位差造成的時間誤差僅為40 ns左右，精確度較高。

GPS失鎖后的相差數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出，當(dāng)GPS/北斗失鎖后，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)作用使其輸出秒信號的長時間平均相位差導(dǎo)致的時間誤差不大于0.72 μs/min，完全符合國家規(guī)定的守時系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 0.92 μs/min，且具有較高的可靠性。

表2 GPS失鎖后的相差數(shù)據(jù)

利用FPGA和單片機(jī)設(shè)計的守時系統(tǒng)可實現(xiàn)對時鐘信號的頻率與相位的調(diào)整，使之成為標(biāo)準(zhǔn)時間信號，并在GPS/北斗信號失鎖后能夠長時間保持。系統(tǒng)設(shè)計中采用的高精度恒溫晶振能夠提供穩(wěn)定的頻率輸出，有效保證了系統(tǒng)的精度。同時，F(xiàn)PGA的使用增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定度，使整個守時系統(tǒng)的精度和可靠性得到了充分保證，能夠為整個電力系統(tǒng)提供高精度的時間同步基準(zhǔn)，滿足電力行業(yè)的需求，具有較高的實用性。

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