摘  要： 介紹守時(shí)系統(tǒng)的重要作用及其發(fā)展現(xiàn)狀，分析了守時(shí)系統(tǒng)發(fā)展過程中遇到的一些問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)以GPS/北斗信號(hào)作為時(shí)標(biāo)的守時(shí)系統(tǒng)。采用雙恒溫槽的恒溫晶振MV180作為系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘，使用單片機(jī)控制DAC7512對其頻率進(jìn)行調(diào)整。首先，系統(tǒng)對調(diào)整后的本地時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，再與GPS/北斗接收到的標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行比較，通過FPGA和單片機(jī)對分頻后的信號(hào)進(jìn)行相位的調(diào)整，最終輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，從而快速獲得高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，并能在GPS/北斗失鎖后對該信號(hào)進(jìn)行保持，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。
關(guān)鍵詞： GPS時(shí)標(biāo)；守時(shí)系統(tǒng)；相位調(diào)整；D/A轉(zhuǎn)換；時(shí)間同步；電力系統(tǒng)

　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]，因此開展守時(shí)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(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，無法利用它來進(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(shí)間同步技術(shù)。參考文獻(xiàn)[9]~[12]中的守時(shí)電路是通過接收FPGA送來的高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，對外部頻率標(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)，并通過軟件對守時(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，通過與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)守時(shí)。該方法實(shí)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(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1T高速單片機(jī)對整個(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(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。

　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(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，通過門控方式控制計(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(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：


　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)通過門控電路控制相差計(jì)數(shù)的開啟和關(guān)閉。當(dāng)存在相差時(shí)，相差檢測端輸出高電平，門控信號(hào)開啟，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對相差脈沖進(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(shí)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(shí)鐘通過，對超前的相位進(jìn)行校正。當(dāng)本地時(shí)鐘不超前時(shí)，超前處理開關(guān)置低電平，本地時(shí)鐘可正常通過。

　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(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)的過程中，系統(tǒng)能夠快速地對本地時(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。
 

　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)，滿足電力行業(yè)的需求，具有較高的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
[1] 郭彬.基于北斗/GPS雙模授時(shí)的電力系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.
[2] 王新軍.應(yīng)用GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星授時(shí)裝置研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.
[3] 董紹武.守時(shí)中的若干重要技術(shù)問題研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2007.
[4] MIHAI G. Recent advances and applications of synchronized phasor measurements in power systems[J]. Proceedings of the 9th WSEAS/IASME International Conference on Electric Power Systems， High Voltages， Electric Machines， 2009（10）：82-89.
[5] 羅志坤，萬全，歐朝龍，等.電能計(jì)量GPS授時(shí)與時(shí)鐘校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制[J].湖南電力，2008，28（1）：13-19.
[6] 楊京渝.智能電網(wǎng)時(shí)間同步方案[J].華電技術(shù)，2011（12）：36-38.
[7] 李永樂，江道灼，禹化然.一種基于多授時(shí)源多授時(shí)方式的電力系統(tǒng)同步授時(shí)方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011（21）：76-79.
[8] 胡春陽，焦群.電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)可行性研究[J].電力系統(tǒng)通信，2011（1）：1-5.
[9] 周啟民.高精度守時(shí)電路設(shè)計(jì)及其在導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.
[10] 廖瑛.基于GPS技術(shù)與FPGA技術(shù)的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.
[11] 劉進(jìn)，黃秋元，沈兵.自主導(dǎo)航用戶機(jī)高精度守時(shí)電路的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2007，30（5）：16-23.
[12] 郭峰.基于FPGA的作戰(zhàn)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2009（10）：9-11.
[13] 原玉磊，夏天倚，陳淵.基于單片機(jī)晶振的守時(shí)研究[J].電子測量技術(shù)，2011，34（11）：20-22.
[14] 李展，張瑩，周渭.基于單片機(jī)和GPS信號(hào)的校頻系統(tǒng)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2005，28（1）：68-75.
[15] 陳貴軍.基于北斗和GPS授時(shí)系統(tǒng)的研制[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2011.