基于FPGA和單片機(jī)的守時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾一凡，吳思琪

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

精確的時(shí)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(shí)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(shí)間同步要求[1-2]，因此開(kāi)展守時(shí)理論和方法的研究對(duì)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(shí)間同步的基準(zhǔn)，具有較高的時(shí)間精度。但是一旦發(fā)生特殊事件，導(dǎo)致信號(hào)微弱甚至是消失時(shí)，GPS/北斗的可利用性就會(huì)受到限制，無(wú)法利用它來(lái)進(jìn)行守時(shí)。而守時(shí)系統(tǒng)則是一種可以利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)對(duì)本地信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的系統(tǒng)，可在GPS/北斗受限時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為電力系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間信號(hào)。

目前，對(duì)于守時(shí)系統(tǒng)的研究主要集中在跟蹤及保持守時(shí)系統(tǒng)的精度、跟蹤過(guò)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(cè)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(shí)間同步技術(shù)。參考文獻(xiàn)[9]～[12]中的守時(shí)電路是通過(guò)接收FPGA送來(lái)的高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，對(duì)外部頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高精度分頻計(jì)時(shí)，產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持同步的時(shí)間信號(hào)，并通過(guò)軟件對(duì)守時(shí)電路的時(shí)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(jì)時(shí)器，通過(guò)與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)守時(shí)。該方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易，但調(diào)整速度較慢，且普通晶振工作一段時(shí)間后頻率會(huì)產(chǎn)生一些變化，不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jì)方案：以10 MHz高精度雙恒溫槽的恒溫晶體振蕩器MV180及GPS時(shí)標(biāo)作為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，應(yīng)用 Cyclone III系列 FPGA設(shè)計(jì)分頻、調(diào)頻、調(diào)相電路，通過(guò)1T高速單片機(jī)對(duì)整個(gè)守時(shí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高可靠性和高精度的守時(shí)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

恒溫晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)波形轉(zhuǎn)換和分頻處理，產(chǎn)生頻率為1 Hz的秒脈沖信號(hào)，將此信號(hào)的頻率與GPS/北斗時(shí)標(biāo)信號(hào)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(lái)決定，因此校正的過(guò)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(lái)完成，最終實(shí)現(xiàn)與GPS/北斗時(shí)標(biāo)信號(hào)完全同頻。

將分頻后產(chǎn)生的秒脈沖和GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)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(shí)現(xiàn)與時(shí)標(biāo)信號(hào)完全同相位。這樣，經(jīng)過(guò)調(diào)頻、調(diào)相處理后，便可產(chǎn)生與時(shí)標(biāo)信號(hào)完全同頻、同相位的守時(shí)脈沖。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 守時(shí)系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 本地時(shí)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(hào)，頻率可變范圍為±40 Hz，改變晶振的外部控制電壓可對(duì)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(hào)，老化率為±510-10/天，±510-8/年。

本地時(shí)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(shí)鐘信號(hào)需為同頻率方波信號(hào)，因此需將原晶振輸出信號(hào)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(mǎn)足施密特觸發(fā)器的觸發(fā)條件。經(jīng)過(guò)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(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的本地時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 輸入時(shí)鐘的調(diào)頻處理

由于晶振本身在運(yùn)行一段時(shí)間后可能存在一些頻率上的誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)輸入時(shí)鐘不準(zhǔn)確，因此需對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。將系統(tǒng)輸入時(shí)鐘接到工作頻率為32 MHz的STC 1T高速單片機(jī)的計(jì)數(shù)器端口，通過(guò)門(mén)控方式控制計(jì)數(shù)的時(shí)間，每秒記得的脈沖數(shù)即為系統(tǒng)時(shí)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(méi)有嚴(yán)格的比例關(guān)系和數(shù)學(xué)模型。因此，整個(gè)調(diào)頻過(guò)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(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)得出，調(diào)整時(shí)間間隔設(shè)置在100 s時(shí)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(cè)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(duì)軌輸出的特點(diǎn)。由單片機(jī)發(fā)送來(lái)的DA數(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成控制電壓送入晶振，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)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(guò)分頻后的秒脈沖信號(hào)很可能會(huì)與GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生相位差，此時(shí)需對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相差的調(diào)整。輸出秒脈沖相對(duì)GPS/北斗時(shí)標(biāo)可能有相位超前、滯后和無(wú)相位差3種情況。調(diào)相部分利用FPGA實(shí)現(xiàn)相差檢測(cè)與判斷電路、相差計(jì)數(shù)電路、超前/滯后脈沖處理電路，并通過(guò)相應(yīng)的軟件控制各部分電路的工作。

本設(shè)計(jì)通過(guò)異或門(mén)和D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)相差的檢測(cè)和狀態(tài)判斷。當(dāng)兩信號(hào)存在相差時(shí)，異或門(mén)輸出為1，此時(shí)檢測(cè)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(shí)，D觸發(fā)器輸出為低電平，相位滯后時(shí)輸出為高電平，因此，可判斷出當(dāng)前兩信號(hào)的相位關(guān)系。

本設(shè)計(jì)通過(guò)門(mén)控電路控制相差計(jì)數(shù)的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)存在相差時(shí)，相差檢測(cè)端輸出高電平，門(mén)控信號(hào)開(kāi)啟，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對(duì)相差脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定相位差的時(shí)間，再根據(jù)超前和滯后的不同情況通過(guò)軟件控制超前/滯后脈沖處理電路對(duì)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(shí)鐘相位超前，將超前處理開(kāi)關(guān)置高電平，經(jīng)與非門(mén)后變?yōu)榈碗娖剑瑥亩柚贡镜貢r(shí)鐘通過(guò)，對(duì)超前的相位進(jìn)行校正。當(dāng)本地時(shí)鐘不超前時(shí)，超前處理開(kāi)關(guān)置低電平，本地時(shí)鐘可正常通過(guò)。

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(shí)鐘相位滯后，將滯后處理開(kāi)關(guān)置低電平，信號(hào)不經(jīng)過(guò)分頻，使脈沖更快通過(guò)，抵消相位的滯后。當(dāng)本地時(shí)鐘不滯后時(shí)，開(kāi)關(guān)置高電平，信號(hào)經(jīng)分頻后正常通過(guò)。

圖5 滯后脈沖處理電路

調(diào)相過(guò)程使用STC單片機(jī)自帶的PCA計(jì)數(shù)器對(duì)相位差進(jìn)行計(jì)數(shù)，記得的時(shí)間T作為超前滯后調(diào)整的依據(jù)。若超前，則開(kāi)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

守時(shí)系統(tǒng)的校正過(guò)程如表1所示。

表1 守時(shí)系統(tǒng)的校正過(guò)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(guò)程中減小與時(shí)標(biāo)信號(hào)的相位差，最終在規(guī)定精度范圍內(nèi)達(dá)到與GPS/北斗時(shí)標(biāo)信號(hào)完全同步的效果，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的精確守時(shí)。

在跟蹤GPS/北斗時(shí)標(biāo)的過(guò)程中，系統(tǒng)能夠快速地對(duì)本地時(shí)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(shí)標(biāo)信號(hào)之間的相位關(guān)系。

圖7 輸出秒脈沖與GPS時(shí)標(biāo)的相位比較

如圖7所示，經(jīng)守時(shí)系統(tǒng)調(diào)整后的輸出與GPS/北斗時(shí)標(biāo)之間由相位差造成的時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)作用使其輸出秒信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間平均相位差導(dǎo)致的時(shí)間誤差不大于0.72 μs/min，完全符合國(guó)家規(guī)定的守時(shí)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(jì)的守時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的頻率與相位的調(diào)整，使之成為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，并在GPS/北斗信號(hào)失鎖后能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)守時(shí)系統(tǒng)的精度和可靠性得到了充分保證，能夠?yàn)檎麄€(gè)電力系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間同步基準(zhǔn)，滿(mǎn)足電力行業(yè)的需求，具有較高的實(shí)用性。

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