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GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）技術方案

岳峰 15901092122
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　　在電力系統、CDMA2000、DVB、DMB等系統中,高精度的GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）對維持系統正常運轉有至關重要的意義。

　　那如何利用GPS OEM來進行二次開發,產生高精度時鐘發生器是一個研究的熱點問題。

　　如在DVB-T單頻網(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定性的系統,如何進行商業級設計?

　　一、引言

　　在電力系統的許多領域，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一的、高精度的時間基準。利用GPS衛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，可以精確獲得GPS時間信息的 GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）。本文就是以加拿大馬可尼公司生產的SUPERSTAR GPS OEM板為例介紹如何開發應用于電力系統的的GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）。

　　二、GPS授時模塊

　　GPS時鐘系統（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格式的差分數據的輸出，當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，當導航輸出有效時，該脈沖的上升沿與時間相對應。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。可以利用此脈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）等等根據實際情況用于對時。每種脈沖的輸出口數可以根據應用要求進行擴展。

　　SUPERSTAR GPS OEM板的主串口的通訊數據格式可采用CMC BINARY二進制或者CMC支持的NMEA的ASCII碼，波特率可以在300bps到38400bps之間根據應用要求進行調整，具有8位數據位、1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗位。GPS數據信息中包含衛星狀態、經度、緯度、時間、高度、速度等等各種信息，對于同步時鐘的開發來講，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板進行設置，使其以一定的波特率和某種通訊數據格式僅僅發送時間信息。例如我們若采取NMEA的ASCII碼，則只需讀取以“$GPZDA”為命令頭的時間數據即可，然后可以很方便地從中分離出UTC時間的年、月、日、時、分、秒。

　　三、系統組成

　　GPS時鐘系統（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、同步脈沖發生電路、顯示電路等幾個部分。

　　1.中心處理單元

　　GPS同步時鐘采用DS80C320作為系統的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。由于對微處理器內核進行了重新設計省去了多余的時鐘和存儲周期，若時鐘工作頻率相同，執行相同的程序代碼，DS80C320的執行速度至少為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/計數器、串行口等資源外，還具有一些新*源，現列舉如下。

　　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同步時鐘的開發中，我們由串行通信口0獲得GPS時間數據，而由串行通信口1負責與各種電網自動化裝置進行通訊。

　　b.雙數據指針

　　DS80C320提供兩個數據指針，當GPS時鐘接收到GPS OEM板信息后，利用這兩個數據指針，可以將數據送到不同的存儲區域。

　　c.片內復位電路

　　DS80C320具有一套完整的上電/掉電復位邏輯。所以，使用DS80C320，無需外加外部復位電路。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。

2.同步脈沖發生電路

　　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(為禁止發送1PPS脈沖,這兩個控制端在平時均置為低)。以產生1PPM脈沖為例：當由串行口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,從而在整分時刻發送一個脈沖。當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,以禁止發出脈沖。依次循環，即可得到精確的1PPM脈沖信號。采用同樣的方法，也可以產生1PPH的脈沖信號。

　　由于靜態空節點方式控制端與信號通道隔離較好，耐壓高，所以GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）將同步脈沖信號作為一個開關量以靜態空節點方式輸出。

　　3.RS-232/485接口

　　GPS 時鐘系統（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自動化裝置提供準確的時間信息。

　　4.CAN總線接口

　　CAN（Controller Area Network）總線是重要的現場總線之一，目前在電力系統的一些領域（如變電站綜合自動化系統）中也有重要應用。因而在設計GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）時，配置了CAN總線接口。GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）采用PHILIPS公司生產的SJA1000作為CAN協議控制器，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據通過地址/數據總線送入 SJA1000的發送緩沖區，然后置位命令寄存器CMR中的發送請求位TR，啟動CAN核心模塊讀取發送緩沖區中的數據，按CAN協議封裝成一完整CAN 信息幀通過收發器發往總線。也可在電網自動化裝置要求時響應外部中斷，將單片機發送緩存中的GPS數據以CAN協議向外輸出。

　　四、軟件設計

　　GPS 時鐘系統（GPS同步時鐘）的軟件由主程序和接收/發送中斷子程序組成。在主程序中進行系統的初始化，包括對SUPERSTAR GPS OEM板、兩個串行通信口、內置可編程看門狗、定時器等的初始化。程序每秒產生一次串行通信口0的中斷，讀取UTC時間數據，并將之轉化為北京時間，以 BCD碼格式通過串行通信口1發出。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秒時刻產生1PPM和1PPH信號的選通信號，在整時或整分時刻，則禁止發出選通信號。

　　GPS時鐘系統（GPS同步時鐘）也可響應電網自動化裝置發來的校時命令，將當時的準確時間信息發送出去。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議，為電網自動化裝置提供實時時間信息。

　　五、結束語

　　本文所介紹的基于DS80C320的GPS時鐘發生器（GPS同步時鐘）已用于實際的變電站綜合自動化系統中。調試和運行的結果表明，該時鐘裝置為整個系統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。