GPS時鐘發(fā)生器技術(shù)方案

如何利用GPS OEM來進行二次開發(fā),產(chǎn)生高精度時鐘發(fā)生器是一個研究的熱點問題。在電力系統(tǒng)、CDMA2000、DVB、DMB等系統(tǒng)中,高精度的GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）對維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)有至關(guān)重要的意義。

如在DVB-T單頻網(wǎng)(SFN)中,對于時間同步的要求,同步精度達到幾十個ns,對于這樣高精度高穩(wěn)定性的系統(tǒng),如何進行商業(yè)級設(shè)計?

1 引言

在電力系統(tǒng)的許多領(lǐng)域，諸如時間順序記錄、繼電保護、故障測距、電能計費、實時信息采集等等都需要有一個統(tǒng)一的、高精度的時間基準。利用GPS衛(wèi)星信號進行對時是常用的方法之一。

目前，市場上各種類型的GPS-OEM板很多，價格適中，具有實用化的條件。利用GPS-OEM板進行二次開發(fā)，可以精確獲得GPS時間信息的GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）。本文就是以加拿大馬可尼公司生產(chǎn)的SUPERSTAR GPS OEM板為例介紹如何開發(fā)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的的GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）。

2 GPS授時模塊

GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）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值的輸出和1PPS（1 PULSE PER SECOND）脈沖輸出。OEM板提供兩個輸入輸出串行口，一個用作主通信口，可通過此串行口對OEM板進行設(shè)置，也可從此串口讀取國際標準時間、日期、所處方位等信息。另一個串行口用于RTCM格式的差分數(shù)據(jù)的輸出，當(dāng)無差分信號或僅用于GPS授時，此串行口可不用。1PPS脈沖是標準的TTL邏輯輸出形式，當(dāng)導(dǎo)航輸出有效時，該脈沖的上升沿與時間相對應(yīng)。1PPS脈沖是每秒中輸出的正脈沖信號，其幅值為5V，1PPS脈沖的上升沿與UCT標準時間的秒脈沖同步，其誤差在正負1μs之內(nèi)?？梢岳么嗣}沖信號的上升沿作為UTC時間的對時信號，此外我們可通過同步脈沖電路將1PPS信號擴展為1PPM（1 PULSE PER MINUTE）、1PPH（1 PULSE PER HOUR）等等根據(jù)實際情況用于對時。每種脈沖的輸出口數(shù)可以根據(jù)應(yīng)用要求進行擴展。

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)用要求進行調(diào)整，具有8位數(shù)據(jù)位、1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗位。GPS數(shù)據(jù)信息中包含衛(wèi)星狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、時間、高度、速度等等各種信息，對于同步時鐘的開發(fā)來講，我們只需要讀取其時間信息即可。因而，可以通過主串口對OEM板進行設(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”為命令頭的時間數(shù)據(jù)即可，然后可以很方便地從中分離出UTC時間的年、月、日、時、分、秒。

3 系統(tǒng)組成

GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）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、顯示電路等幾個部分。

3.1中心處理單元

GPS同步時鐘采用DS80C320作為系統(tǒng)的CPU。DS80C320是美國DALLAS公司推出的8位高速單片機，是與MCS-51系列兼容的單片微機。由于對微處理器內(nèi)核進行了重新設(shè)計省去了多余的時鐘和存儲周期，若時鐘工作頻率相同，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個定時/計數(shù)器、串行口等資源外，還具有一些新增資源，現(xiàn)列舉如下。

a.串行口1

DS80C320額外提供與80C32相同的一個硬件串行通信口，在GPS同步時鐘的開發(fā)中，我們由串行通信口0獲得GPS時間數(shù)據(jù)，而由串行通信口1負責(zé)與各種電網(wǎng)自動化裝置進行通訊。

b.雙數(shù)據(jù)指針

DS80C320提供兩個數(shù)據(jù)指針，當(dāng)GPS時鐘接收到GPS OEM板信息后，利用這兩個數(shù)據(jù)指針，可以將數(shù)據(jù)送到不同的存儲區(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，無需外加外部復(fù)位電路。簡化了硬件，提高了可靠性。

d.看門狗定時器

DS80C320具有一個可編程的看門狗定時器,因而無須象80C32那樣外加看門狗電路。
3.2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)脈沖的選通信號輸出端(為禁止發(fā)送1PPS脈沖,這兩個控制端在平時均置為低)。以產(chǎn)生1PPM脈沖為例：當(dāng)由串行口0讀入UTC時間信息，并判斷其為某一分鐘的59秒時刻之后，CPU將P3.2置高,從而在整分時刻發(fā)送一個脈沖。當(dāng)再一次讀入時間信息，并判斷其為整分時刻時，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。采用同樣的方法，也可以產(chǎn)生1PPH的脈沖信號。

由于靜態(tài)空節(jié)點方式控制端與信號通道隔離較好，耐壓高，所以GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）將同步脈沖信號作為一個開關(guān)量以靜態(tài)空節(jié)點方式輸出。

3.3RS-232/485接口

GPS 時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）具有RS232與RS485兩個通信接口，以滿足不同的通信系統(tǒng)的要求。通過這兩個接口，同步時鐘可以輸出每秒一次包括年、月、日、時、分、秒在內(nèi)的完整UTC時間信息，也可以作為通信下位機在需要的時候為處于上位機的電網(wǎng)自動化裝置提供準確的時間信息。

3.4CAN總線接口

CAN（Controller Area Network）總線是重要的現(xiàn)場總線之一，目前在電力系統(tǒng)的一些領(lǐng)域（如變電站綜合自動化系統(tǒng)）中也有重要應(yīng)用。因而在設(shè)計GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）時，配置了CAN總線接口。GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）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。在整分或整時時，DS80C320可直接將標識符和數(shù)據(jù)通過地址/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)送請求位TR，啟動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信息幀通過收發(fā)器發(fā)往總線。也可在電網(wǎng)自動化裝置要求時響應(yīng)外部中斷，將單片機發(fā)送緩存中的GPS數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議向外輸出。

4 軟件設(shè)計

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

GPS時鐘發(fā)生器（GPS同步時鐘）也可響應(yīng)電網(wǎng)自動化裝置發(fā)來的校時命令，將當(dāng)時的準確時間信息發(fā)送出去。為此只需在程序中增加一個串行通信口1的中斷子程序，使之按照一定的通信協(xié)議，為電網(wǎng)自動化裝置提供實時時間信息。

5 結(jié)束語

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