基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计

·23·

基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计

张国琴,吴玉蓉

(武汉科技学院电子信息工程学院,湖北武汉430073)

　　摘要:文章结合高精度晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点,采用GPS测量监控技术,对高精度晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节,使晶振的输出频率同步在GPS系统上,从而提供高精度的时钟信号。根据此方法研制了具有高性价比的高精度时钟发生装置,并成功的应用于通信系统中。

关键词:GPS;晶振;高精度;时钟

中图分类号:TM764　　　　　　　　文献标识码:B　　　　　　　　文章编号:1006-2394(2010)04-0023-02

DesignofHighPrecisionClockBasedontheGPSDisciplinedOscillator

ZHANGGuo2qin,WUYu2rong

(CollegeofElectronics&InformationEngineering,WuhanUniversityofScienceandEngineering,Wuhan430073,China)

Abstract:AstheGPS2clockisfreeofcumulativeerrorandthehighprecisioncrystaloscillatorisfreeofrandomerror,thetwoclockscanbeeffectivelycombined.ByadoptingadvancedGPSmonitoringandcontrollingtechnology,theoutputfrequencyofthecrystaloscillatorismeasuredandadjusted.Thehighprecisionclockwithhighperformancepriceratioisdesigned,whichhasbeensuccessfullyappliedincommunicationsystem.

Keywords:GPS;crystaloscillator;highprecision;clock

(2)使用高稳定度晶振,以获取高精度的时钟。(3)选用合理的算法,用GPS时钟的长期稳定性(即没有累计误差)来校准晶振时钟,并及时对晶振进

0　引言

本文结合GPS的长期稳定性校准晶振频率,采用GPS测量监控技术,对晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节,使晶振的输出频率同步在GPS系统上,提供高精度的时间频率基准信号。

1　高精度GPS校准晶振时钟设计中应注意的问题

GPS秒脉冲的高精度是统计意义下的,对一个具

行调整。

2　GPS校准晶振时钟的原理结构

图1是一个应用于通信系统的GPS校准时钟原理结构。本文采用的是10MHz带电压调节的恒温晶振,通过时钟芯片产生61.44MHz的信号。但仅由晶振和时钟芯片产生的时钟信号的精度不能满足要求,需要通过GPS的时钟信号进行校准。GPS的秒脉冲信号输入到FPGA,FPGA在1s内对时钟芯片输出的61.44MHz时钟进行计数,过滤掉干扰数据,计算出相

体的秒脉冲,其偏差可能达到200ns,另外,GPS接收机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素,都可能造成秒脉冲的失真,如果直接使用GPS的秒脉冲信号来校

-7

准时钟,其精度只有2×10,因此,不能直接使用秒脉冲信号作为高精度的时钟信号。但可以根据GPS秒时钟没有累计误差的特点,来校准晶振。控制系统选择一个合适的时间长度来校准晶振,晶振越稳定,校准的时间长度就可以越长。根据以上所述,设计高精度的GPS校准晶振时钟需要注意以下几个方面:

(1)消除GPS伪秒脉冲,由于GPS秒脉冲在传递过程中可能受外部电磁干扰而夹杂着伪脉冲,为避免处理器误判断,应予屏蔽。

位偏差,将此相位偏差转换为OCXO控制寄存器的变化,以此变化值来调节OCXO,使它达到稳定的精度。

图1　GPS校准时钟原理结构

　　收稿日期:2009-11　　作者简介:张国琴(1977—),女,讲师,研究方向为数字信号处理。

·24·

2.1　高稳定度恒温晶振提供工作时钟

仪表技术　　2010年第4期

用恒温晶振OCXO提供工作时钟。该晶振采用精密控温,使晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上,具有很高的频率精度和稳定度,是目前石英晶振器件中频率稳定度最高的一种。晶振的频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率间的偏差,精度引起的偏差会给测量系统引入累积误差。晶振频率稳定度是指秒级间隔内的瞬时稳定度,即由晶振“相位噪声”引起的频率随机变化,瞬时稳定度通常会给测量系统引入随机误差。本装置采用新型的高稳定度恒温晶振OD02-5T型晶振,它的频率精度达到10量级,频率

-11

稳定度达到10量级。频率调整范围是电压调整(0

-8

平均时间为2KD,由于KD与K0成反比,即细调的平均时间与K0成反比,OCXO的灵敏度越高,平均时间越长;反之,当OCXO的灵敏度比较低时,平均时间就比较短。时钟校准算法如图2所示。

～5V)为-9×10/8×10,这种可调特性使得此恒

-9

温晶振通过GPS的校准输出频率精度可以达到10。2.2　GPS秒脉冲

GPS接收机接收到的GPS秒脉冲或多或少存在一些误差,GPS秒脉冲的误差服从正态分布,与国际标准时间(UTC)相比只存在单个秒脉冲左右的漂移,从一段时间来看GPS秒脉冲并不存在累计误差。因此首先对单个脉冲的有效性(即是不是伪脉冲)要进行鉴别。在大量统计的意义下,计数值的偏差(对应于一个GPS秒脉冲计数时钟芯片的输出)近似服从正态分布,最大偏差17,由此可以近似算出sigma=17×68.3%=11,算法中采用的滤波门限值为10,比sigma值稍小一点,也就是当技术偏差大于10,就认为当前的GPS秒脉冲是伪脉冲,舍弃不要。另外,对于GPS的长期稳定性,技术上也不可能取无限长。由于所选晶振的稳定度很高,本文选择校准时间为16s。3　GPS校准晶振的算法

图2　时钟校准算法

-7-7

OCXO灵敏度K0表征了OCXO的最小分辨率,此

值越小,表示OCXO的精度越高,它的计算公式为:

K0=OCXO频率变化范围/OCXO寄存器变化范围

KD为相位检测器灵敏度,它由后台进行时钟校准

4　结论

本文根据GPS时钟无累积误差和恒温晶振无随机误差的特点,提出了通过GPS校准晶振产生高精度时钟的方法;并研制出了高精度的时钟发生装置,成功的运用到了通信系统用扫频仪中。研制出的时钟的精度可达

-9

到2×10,由于这样的精度同时可以满足电力系统继电保护等系统的要求,同样也可以推广到电力系统中;同时也可以为定时信号发生器提供1级时钟同步信号,还可以向外提供跟踪GPS以及UTC时间的时钟信号。参考文献:

[1]李泽文,曾祥君.基于高精度晶振的GPS秒时钟误差在线

时算出,计算过程为:设置测量周期为15s,设置OCXO寄存器的值为1,记录计数器的值COUNTmin,设置OCXO寄存器的值为4095,记录计数器的值COUNTmax,则:

4095-1KD=COUNTmax-COUNTmin如果GPS信号无效,不进行时钟校准,此时时钟

的精度依赖于OCXO本身的稳定性和当前的环境特性,如温度、电压稳定性等。

(1)当计数值不等于61.44MHz时,进入粗调状态,平均时间为16s,以使OCXO快速进入细调状态。

(2)当计数值达到61.44MHz时,进入细调状态,

修正方法[J].电力系统自动化,2006,30(13):55-58.

(下转第27页)

2010年第4期　　仪表技术

·27·

时间、路程的实时显示。4　关键技术解析4.1　控制算法

speed。智能车的电机转速与单片机输出的占空比有

本系统中舵机采用PID控制算法,PID控制的原理框图如图5所示。

关,speed_ini用来设置初始化占空比,speed_max用来

控制PWM波的最大占空比,此时电机的转速最大,锁定该最大值,直到速度减小为止。光电码盘以20ms为周期计数,当相邻周期内的脉冲数小于low_speed,智能车开始加速;当大于门限值时,则开始减速。4.4　状态信息监测

显示部分主要包括时间、速度、路程三部分。时间由单片机内部定时器提供;常用的转速测量方法有测频法和测周期法,测频法适用于高转速的测量,测周法适用于低转速的测量,因为智能车的转速相对较高,故采用了测频法来测速;路程是对速度在复位到停止时间段的积分(即:S=

0

图5　PID控制原理框图

PID控制属于线性控制,它根据给定值r(t)与实

际输出值y(t)的差构成控制偏差:

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

TDde(t)

dt

vdt)。最终将这三个参数通过∫

t

PID的控制率为:

u(t)=kPe(t)+

无线串口传回给控制中心,由用户程序界面完成显示功能。5　结束语1TI

0

∫

t

e(t)dt+(2)

式中:KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD为微分时间常数。

实际中由于积分量对小车的影响相对较小,所以智能车采用PD控制。舵机的控制方法如下:首先定义方向的初始位置k0,以轨道边沿值与初始值的偏差

u(0)=m-k0作为控制偏差,其中m为小车轨道边沿

的实际输出值,k0为导航线中心位置初始值,智能车的控制率为:

di=X0+kp·u[0]+kd·(u[0]-u[1])制偏差变化率。4.2　控制指令的形成

(3)

本文将LabWindows/CVI与智能车相结合,通过

无线模块的数据收发,实现了智能车的部分遥控功能、状态的实时监测功能以及PID参数在线设置。在使用该方法以前每次调试时间(包括启动时间、停车时间、程序下载时间等)平均需要5min,应用该方法后仅需要10s即可完成PID控制参数的设置,在方便了智能车调试的同时,也极大地缩短了智能车的开发周期。参考文献:

[1]艾宁,谭启寅,马文军,等.智能车运动状态实时监测系统

式中:di为方向控制量,X0为初始值,u[0]-u[1]为控

的设计与实现[J].电子产品世界,2007(8):156-157.

[2]冯莹,王天质,时龙兴.基于LabWindows/CVI的电子系统

首先将速度控制和PID参数设置的控制指令定义在同一帧数据中,帧格式如表1所示。

表1　控制指令帧格式

帧头

速度控制

档位选择

P参数

I参数

D参数

电压/电流性能测试系统[J].电脑知识与技术,2009,5(10):1617-1619.

[3]史君成,张淑伟,律淑珍.LabWindows虚拟仪器设计[M].

北京:国防工业出版社,2007.

数值

帧尾

[4]白金,韩俊伟.基于Matlab/Simulink环境下的PID参数整

数值数值

定[J].哈尔滨商业大学学报,2007,23(6):674-676.

　　然后根据需求,选择速度档位,选择档位的同时

(如:点击了面板中高速的按钮)便会自动生成指令发送出去。由于小车在调试的过程中采用PID参数试凑法,所以PID参数要不断地改变,方法是先设置PID参数值,然后点击发送按钮,指令即可生成并最终通过无线串口发射出去。4.3　速度控制

(许雪军编发)

(上接第24页)

[2]曾祥君,尹项根.晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟

的方法及实现[J].电力系统自动化,2003,27(8):49-53.

[3]龚庆武,刘美观,左克锋,等.同步采样装置中防止干扰秒

时钟信号的措施[J].电力系统自动化,2000,24(1):45-47.

[4]藏其源,林时昌.振荡器的频率稳定度及其对电子系统的

速度控制主要针对智能车的初始化速度参数组的选择。初始化速度参数组包括:初始化速度speed_ini、最大速度speed_max、加速门限及刹车门限brake_

影响[M].北京:北京宇航出版社,1990.

(郁菁编发)