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[導(dǎo)讀]提出了基于GPS授時的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改進方法。該方法預(yù)置采集開始時刻,利用GPS授時檢測所產(chǎn)生的觸發(fā)信號,用于同步各異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置。理論分析和仿真實驗結(jié)果表明,上述方法可以達到微秒級的時間同步。

工程中經(jīng)常需要實現(xiàn)異地數(shù)據(jù)的同步采集?,F(xiàn)有的該類系統(tǒng)大多采用對采集的數(shù)據(jù)打“時間戳”的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同步性。大量的“數(shù)據(jù)戳”隨數(shù)據(jù)一起存入RAM,占用了RAM的存儲空間,增加了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。針對上述問題,本文提出了一種電平觸發(fā)的同步方法,其要點是利用GPS授時檢測預(yù)置的采集開始時刻的到來,并在該時刻下一個秒脈沖的上升沿產(chǎn)生高電平的觸發(fā)信號,一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置因而可以同步工作。按照上述方法設(shè)計了具體系統(tǒng),并進行了實驗,結(jié)果表明可以達到1 ?滋s的同步精度[1]。
1 同步原理與實現(xiàn)方案
    GPS接收機輸出的NEMA信息通過串口1送入解碼模塊,并提取GPS狀態(tài)信息和時間信息分別輸出到與門和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊處理輸入的時間信息,并每隔1 s與串口2輸入的預(yù)設(shè)時刻信息比較,若兩者完全相同,則在秒脈沖的下一個上升沿時刻產(chǎn)生同步信號。當GPS狀態(tài)信息與同步信號電平都為高時,產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
    對于一組異地分布需要同步采集的數(shù)據(jù)采集裝置,每個裝置都增加1個(FPGA)同步裝置,預(yù)置相同的采集開始時刻。同步裝置根據(jù)GPS授時信息不斷檢測該時刻的到來,并在該時刻的下一個秒脈沖上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集動作,使得異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
    單個同步裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 設(shè)備簡介
2.1.1 GPS接收機性能簡介

    本系統(tǒng)采用Navysyc CW25接收機,此接收機是一款專門的授時型接收機。該接收機具有12個并行通道,可同時跟蹤12顆衛(wèi)星,完全校準到UTC時間,產(chǎn)生精確度高達幾十納秒的同步授時,并且支持RS-232串口通信,通信速率38 400 b/s。
2.1.2 GPS秒脈沖輸出特性簡介
    秒脈沖PPS(Pulse Per Second)[5-6],是1個電平信號,以方波形式輸出,周期為1 s,高電平持續(xù)時間為100 μs。高電平上升沿為PPS輸出的精確時刻,其波形如圖2所示。


    接收機取得有效導(dǎo)航的時候,脈沖上升沿時刻與UTC時刻相差在±30 ns以內(nèi),RS-232傳輸數(shù)據(jù)中UTC時刻的輸出較秒脈沖上升沿有一定的延遲,即接收機先為用戶提供秒脈沖,再提供對應(yīng)的時間信息,(FPGA)同步控制模塊對此(時間信息的滯后)須進行恰當處理,以使PPS的上升沿與實際的時間信息對應(yīng)。
2.2 系統(tǒng)硬件總體實現(xiàn)
    本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是利用FPGA設(shè)計和實現(xiàn)同步控制功能。由于FPGA與GPS的串口通信采用標準的RS-232接口,所以利用EDK提供的IP核可以直接實現(xiàn)。
3 FPGA設(shè)計
3.1 頂層設(shè)計

    利用FPGA實現(xiàn)基于GPS的異地數(shù)據(jù)采集同步控制系統(tǒng)的核心處理單元,采用自頂向下的設(shè)計方法,用Verilog HDL語言描述,使用Xilinx Spartan-3A FPGA在ISE 10.1中進行仿真、綜合和實現(xiàn)[2-3]。頂層設(shè)計由解碼模塊、I/O控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。
    工作過程為:串口接收到GPS接收機發(fā)來的NEMA $POLYT語句,I/O控制模塊檢測語句開始和結(jié)束標志字符,并檢查語句格式的正確性,將正確的語句存入輸入緩存;解碼模塊提取出NEMA信息中的時間信息和GPS定位信息,時間信息輸入數(shù)據(jù)處理模塊,GPS定位信息作為“與門”輸入;數(shù)據(jù)處理模塊中,將解碼模塊送來的時間信息進行處理并鎖存,與預(yù)設(shè)的時間信息比對,當兩者完全相同時,在下一個PPS上升沿時刻產(chǎn)生同步信號,此同步信號和GPS定位信息相與生成觸發(fā)信號,觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡同步開始工作。
3.2 解碼模塊
    解碼模塊的任務(wù)是提取GPS接收機發(fā)來的NEMA語句中的時間信息。FPGA的串口接收到GPS接收機發(fā)來的NEMA $POLYT語句,I/O控制模塊檢測語句開始和結(jié)束標志字符,并檢查語句格式的正確性,將正確的語句存入輸入緩存,再從緩存中提取出時間信息并鎖存。$POLYT語句格式如下:$POLYT,hhmmss.ss,ddmmyy,UTC_TOW,week,GPS_TOW,Clk_B,Clk_D,PG,cs,每一項以逗號相隔,其中“hhmmss”項為格林威治時間的時、分、秒信息,F(xiàn)PGA控制板通過解讀此報文信息便可得到與1 PPS信號對應(yīng)的時間信息[3]。解碼模塊工作的程序流程圖如圖3所示。


3.3 數(shù)據(jù)處理模塊
    數(shù)據(jù)處理模塊的作用有兩部分:調(diào)整從緩存提取的時間信息和產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。
    調(diào)整時間信息包括2個方面,(1)GPS接收機輸出的時間是GMT時間,需要轉(zhuǎn)換成當前地理位置所在時區(qū)的時間。(2)由于GPS接收機的時間信息總是在與之對應(yīng)的秒脈沖上升沿到來后從串口發(fā)出,所以在t時刻的秒脈沖上升沿到來時,t時刻的時間信息還未被數(shù)據(jù)處理單元接收到。為了實現(xiàn)秒脈沖和時間信息的同步輸出,需要將t-1時刻的時間信息加1 s作為t時刻的絕對時間。圖4所示顯示了調(diào)整前后的時間與秒脈沖的對應(yīng)關(guān)系。


    將調(diào)整后的時間信息與預(yù)設(shè)的時間信息進行比較,兩者完全相同。在下一個PPS脈沖的上升沿對應(yīng)時刻產(chǎn)生1個電平信號,此信號和GPS狀態(tài)信息“相與”后輸出信號即為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號。仿真結(jié)果如圖5所示。


    本文提出了一種改進的基于GPS的異地數(shù)據(jù)采集的同步方法,并利用FPGA進行了具體設(shè)計和實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明,上述方法和設(shè)計克服了常用的“時間戳”方式占用額外存儲空間和加重數(shù)據(jù)處理負擔的缺點,滿足分布式數(shù)據(jù)采集對同步精度的要求,并且有助于實現(xiàn)同步裝置的小型化、高穩(wěn)定性,便于維護與升級。
參考文獻
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[3] Xilinx Inc. DS312 PDF, Spartan-3A FPGA Family:Complete Data Sheet[Z]. Xilinx Inc, 2006.
[4] BAUCH A, PIESTER D, MOUDRAK A,et al. Time comparisons between USNO and PTB: a model for the determination of the time offset between GPS time and the future galileo system time[C]. Frequency Control Symposium and Exposition, Montreal, Canada, 2004.
[5] 王琦,胡修林.基于OEM板的GPS定位接收機的研究與實現(xiàn)[J].電子工程師,2004,30(11):4-6.
[6] 苗世洪,王少榮,劉沛.一種基于GPS的時間同步裝置[J].電子計算機與外部設(shè)備,2000,24(1):15-16.

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