将北斗卫星授时（GPS时钟系统）技术应用数据采集系统

将北斗卫星授时（GPS时钟系统）技术应用数据采集系统
将北斗卫星授时（GPS时钟系统）技术应用数据采集系统

如今，数据采集系统很多，有基于数字信号处理器DSP设计的，也有基于现场可编程门阵列FPGA设计的，这些采集系统尽管采集处理数据能力不差，但大多都采用传统授时模式。而异地同步测量是工程中经常用到的方法，如果用传统的授时模式，其时钟频率的产生是用晶体，而晶体会老化，易受外界环境变化及长期的精度漂移影响，造成授时精度下降，这样异地同步测量的数据其实在理论上已经不再同步、同时了。本系统采用GPS新型授时方法，结合DSP技术和USB通信技术设计的数据采集系统能较好地解决这个问题。

1、数据采集系统的总体硬件构成与工作原理

数据采集系统模拟量输人、同步采样控制、A／D转换以及微处理器和接口组成，如图1所示。

模拟量输入部分设有多个通道(如16路)，可用来对若干路电压和若干路电流同时测量。来自PT或CT副边的电压或电流，经隔离变换、模拟低通滤波后，被建立在GPS时间基准上的同步采样系统所采样，经依次A／D转换后按顺序放入固定RAM区。DSP根据递归DFT算法，每来一个新的采样点计算一次所有被测量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的时间信息和数据窗第一个采样点的顺序编号，给计算结果置以便于识别的“时间标签”。计算得出的各相量连同其时间标签按照一定的数据格式，经过DSP总线和USB2.0数据线送往PC上位机进行处理和分析。

2、基于GPS授时的同步采样控制单元

同步采样是实现异地同步测量的关键技术，只有各测量点的采样是同步进行的，同一时刻计算出的相量具有统一的参考时问基准，其相位关系才可直接进行比较。本文讨论了无线电广播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS这六种不同的授时方法。这些授时方法的误差比较如表1所列。

通过比较不难看出，传统的时钟同步方法由于受技术和经济等因素的影响，在精度和实用性上很难满足异地同步测量的要求；只有GPS精密授时方法的优越性能满足要求。为此，本文所介绍的是一种基于GPS时间信号的最新时钟同步方法。

2.1 GPS系统简介

GPS(Global Positioing System，全球定位系统)是美国研制的第二代卫星导航系统。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备组成。空间部分主要由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。在地球的任意处(有360°的视野)至少可以看到3颗卫星(根据笔者实际用的情况看)。地面控制部分包括监测站、主控站和注入站。用户设备就是GPS接收机，本系统所选择的接收机是GPS-OEM板(型号是GPS15L，在2.3小节会详细讨论)，它根据自己时钟和接收到的导航电文计算出接收机(天线)所在的位置和GPS时间。

2.2 GPS授时原理

目前的定时型GPS接收机，在其内部时钟与GPS时间同步后，将给出与UCT时间同步的1 pps(秒脉冲)信号及其对应的时间代码，如图2所示。

2.3 同步采样控制单元硬件

在设计该模块时，研制开发的OEM板和单片机分别作为GPS接收机和控制器。该模块体现了整个系统要用到的GPS授时技术，工作原理如下：系统上电复位后，单片机通过串口TXD实现对GPS15L板初始化，设置GPS接收机传送的数据格式。初始化完毕后，GPS15L板会给出相应信息，单片机识别到这些信息后，开始接收GPS15L板传送来的时间数据，并对它进行处理，将其转换成北京时间输出。如图3所示，单片机AT89C51的串行口RXD、TXD分别和GPS15L板的TXD1、RXD1连接起通信作用。由于TXD既要在上电时给GPS15L板发出初始化命令，又要在初始化完毕后传送北京时间，因此为了不使两阶段的工作相互影响，用P1.0口线和若干逻辑门来控制通信的先后顺序。GPS15L板初始化后，还会输出秒脉冲信号。1pps信号有一路作为单片机的外部中断源，以实现时间信息的同步处理，另外也用来监测信号是否正常。还有一路信号可由单片机P1.1口进行控制，根据监测的结果决定是否需要将其传送给下一级控制器。

另外，本电路选用的高稳晶振是OCXO型号的稳补晶体振荡器，其工作频率为1 MHz，频差不大于10-7。它输出的振荡信号经过整形、电平转换变为适合TTL电路的电平，经计数器分频后得到满足采样率要求的时钟信号(采样率可调)。该时钟信号每隔1 s被1 pps信号的上升沿同步1次，使之运行在GPS时间基准上。由于1 MHz晶振的稳定度很高，1 s内漂移不超过1μs，因此得到的同步采样脉冲精度很高。

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