摘 要： 介紹守時系統(tǒng)的重要作用及其發(fā)展現(xiàn)狀，分析了守時系統(tǒng)發(fā)展過程中遇到的一些問題，設(shè)計了一個以GPS/北斗信號作為時標的守時系統(tǒng)。采用雙恒溫槽的恒溫晶振MV180作為系統(tǒng)的輸入時鐘，使用單片機控制DAC7512對其頻率進行調(diào)整。首先，系統(tǒng)對調(diào)整后的本地時鐘信號進行分頻處理，再與GPS/北斗接收到的標準秒信號進行比較，通過FPGA和單片機對分頻后的信號進行相位的調(diào)整，最終輸出標準秒脈沖信號，從而快速獲得高精度的時間基準，并能在GPS/北斗失鎖后對該信號進行保持，實現(xiàn)時間同步。
關(guān)鍵詞： GPS時標；守時系統(tǒng)；相位調(diào)整；D/A轉(zhuǎn)換；時間同步；電力系統(tǒng)
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，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，無法利用它來進行守時。而守時系統(tǒng)則是一種可以利用標準時標對本地信號進行校準，并在規(guī)定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的系統(tǒng)，可在GPS/北斗受限時作為標準時鐘為電力系統(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[4]闡述了若干種測量相位差的方法。參考文獻[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[9]~[12]中的守時電路是通過接收FPGA送來的高精度標準時間信息，對外部頻率標準進行高精度分頻計時，產(chǎn)生與標準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行校準。參考文獻[13]、[14]采用普通晶振和單片機構(gòu)成計時器，通過與上位機通信實現(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高速單片機對整個守時系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，最終輸出標準秒脈沖信號，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/北斗時標信號的頻率進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進行頻率校正。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/北斗時標信號完全同頻。
將分頻后產(chǎn)生的秒脈沖和GPS時標信號進行相位比較，根據(jù)比較結(jié)果進行調(diào)相處理，最終實現(xiàn)與時標信號完全同相位。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。
將晶振的輸出接入該電路進行耦合，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，最終輸出標準的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)輸入時鐘不準確，因此需對其進行調(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：
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，由單片機的計數(shù)器對相差脈沖進行計數(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。
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信號的相位差，最終在規(guī)定精度范圍內(nèi)達到與GPS/北斗時標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/北斗時標的過程中，系統(tǒng)能夠快速地對本地時鐘進行調(diào)頻調(diào)相，并在校準后使其保持在規(guī)定的精度范圍內(nèi)。圖7為校正后的輸出秒脈沖與GPS/北斗時標信號之間的相位關(guān)系。
利用FPGA和單片機設(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，使之成為標準時間信號，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，滿足電力行業(yè)的需求，具有較高的實用性。
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