分布式測(cè)量系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)分布式測(cè)量系統(tǒng)不同測(cè)量單元之間時(shí)間統(tǒng)一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路傳輸電路。詳細(xì)分析了電路的設(shè)計(jì)原理、元器件的選擇和電路的具體實(shí)現(xiàn)，并對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的電路在實(shí)際運(yùn)行中穩(wěn)定可靠，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：分布式測(cè)量：時(shí)間統(tǒng)一；分路電路

    在現(xiàn)代許多分布式測(cè)量系統(tǒng)，如激光陀螺形變測(cè)量系統(tǒng)、分布式聲源定位系統(tǒng)等高精度分布式測(cè)量系統(tǒng)中，為了精確地獲取信息，各個(gè)測(cè)量單元之間的測(cè)量時(shí)間必須是同步的，即需要考慮不同測(cè)量單元之間的時(shí)間統(tǒng)一。實(shí)現(xiàn)時(shí)間統(tǒng)一最直接的方法是將一個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳輸給測(cè)量單元使用，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)信號(hào)的多路傳輸。筆者針對(duì)分布式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路電路，可以將GPS數(shù)據(jù)或B碼終端輸出的信號(hào)分成多路，以滿足不同測(cè)量單元之間實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量的需求。

1 分路電路設(shè)計(jì)方案
    分布式測(cè)量系統(tǒng)一般是基于不同位置的測(cè)量單元敏感各自所在位置的信息，經(jīng)過(guò)處理得出安裝點(diǎn)之間相關(guān)的信息。處于不同位置的測(cè)量單元單獨(dú)完成信息的采集，時(shí)統(tǒng)設(shè)備的信號(hào)經(jīng)過(guò)分路電路分路后，對(duì)每個(gè)測(cè)量單元提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，將測(cè)量單元測(cè)得的數(shù)據(jù)打上時(shí)標(biāo)，按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，就可以實(shí)現(xiàn)精確地分布式測(cè)量。其中分路的實(shí)現(xiàn)是將GPS接收板輸出的兩路信號(hào)直接在電路上分為兩路，將信號(hào)進(jìn)行處理后傳輸給測(cè)量單元使用。
    在實(shí)際測(cè)量中，不同測(cè)量位置之間的距離往往較遠(yuǎn)，可達(dá)到數(shù)百米。由于RS-232是單端信號(hào)傳輸，存在共地噪聲、不能抑制共模干擾和傳輸距離短等問(wèn)題，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后傳輸信號(hào)。考慮到RS-422是差分傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，在低于100 kB／s傳輸速率時(shí)，可以達(dá)到最大傳輸距離1 200 m，采用RS-422接口在不同測(cè)量單元之間傳輸時(shí)統(tǒng)信號(hào)，可以提高信號(hào)的傳輸距離、完整性和電磁兼容性，增強(qiáng)抗干擾能力。
    時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路電路的原理框圖如圖1所示。

    由圖1可以看出，GPS接收板輸出的兩路信號(hào)首先在電路中分路，然后選擇合適的芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，傳輸給測(cè)量單元使用。當(dāng)能接收到GPS信號(hào)時(shí)，分布式測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)直接由GPS接收板提供，其輸出包括1路PPS信號(hào)和1路GPS數(shù)據(jù)包。由于受外界環(huán)境和條件的影響，會(huì)出現(xiàn)不能接收到GPS信號(hào)的情況，因此需要考慮使用其它的時(shí)間統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行分布式測(cè)量的時(shí)間統(tǒng)一，比較常見(jiàn)的是使用B碼進(jìn)行測(cè)量單元的時(shí)間統(tǒng)一。其中GPS數(shù)據(jù)包采用的是RS-232電氣協(xié)議，PPS信號(hào)和B碼信號(hào)為TTL信號(hào)，均可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后以RS-422差分形式傳輸。

2 分路電路的實(shí)現(xiàn)
    按照?qǐng)D1所示的原理，對(duì)時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路電路的器件進(jìn)行選擇。RS-422接口轉(zhuǎn)換芯片選擇MAXIM公司的MAX488芯片，全雙工，含有接收和發(fā)送模塊。GPS接收模塊采用加拿大NovAtel公司生產(chǎn)的OEMV系列板，此處采用OEMV-1G。OEMV-1G需要兩個(gè)輸入電源，分別是接收板所需電源+3．3 V，天線增益所需電源+5 V。RS-422轉(zhuǎn)換芯片MAX488需電源+5 V。外部供應(yīng)電源為+24～+30 V的直流電源，因而需要直流電源轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換為+5 V供MAX488和GPS天線使用，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為+3．3 V供GPS接收板使用。此處選擇臺(tái)灣PowerGood公司生產(chǎn)的提供+5 V輸出的ESB2450系列芯片和美國(guó)Texas Instruments公司生產(chǎn)的提供+3_3 V輸出的產(chǎn)品REG1117芯片。設(shè)計(jì)的分路電路實(shí)物圖如圖2所示。

    此電路的直流特性如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用屏蔽線為安普六類屏蔽線，其阻抗為0．08 Ω／m，線數(shù)為8根。實(shí)驗(yàn)采用線長(zhǎng)為215 m的屏蔽線時(shí)，單端線阻為17 Ω。實(shí)驗(yàn)中的電源是由測(cè)量單元通過(guò)屏蔽線接入時(shí)統(tǒng)設(shè)備的，當(dāng)接入+24 V電源時(shí)，在時(shí)統(tǒng)設(shè)備中的GPS接收模塊不工作，測(cè)量PowerGood ESB2450芯片輸入端電壓為15．8 V，此時(shí)電源線上壓降約為8 V，輸入電壓不能滿足最低輸入電壓18 V的要求，電路不能工作，計(jì)算可得屏蔽線的壓降為40 mV／m，因而在供電電源+24 V時(shí)屏蔽線長(zhǎng)度不超過(guò)180 m。此傳輸距離的限制不是由于數(shù)據(jù)傳輸速度造成的，而是因?yàn)槭茈娫垂╇姷挠绊?，時(shí)統(tǒng)設(shè)備的電壓會(huì)受到傳輸電路壓降的限制，可以采用電氣特性更為優(yōu)良的屏蔽線或者采用單獨(dú)給時(shí)統(tǒng)設(shè)備供電的方式提高傳輸距離。之后采用傳輸距離為150 m的屏蔽線進(jìn)行測(cè)試。
    實(shí)驗(yàn)主要是利用示波器測(cè)試時(shí)統(tǒng)設(shè)備和測(cè)量單元之間的延遲，以及測(cè)量單元之間的時(shí)間同步性。使用的示波器型號(hào)為Tektronix的TDS10 12B，示波器的采樣時(shí)間分辨率為1 ns。測(cè)試的主要內(nèi)容是：
    GPS信號(hào)的同步性：時(shí)統(tǒng)設(shè)備接收的GPS接收模塊發(fā)出的GPS信號(hào)與測(cè)量單元接收的GPS信號(hào)。
    PPS信號(hào)的同步性：時(shí)統(tǒng)設(shè)備接收的GPS接收模塊發(fā)出的PPS信號(hào)與測(cè)量單元接收的PPS信號(hào)。
    實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形如圖3和圖4所示。圖3中通道1和通道2為GPS信號(hào)在時(shí)統(tǒng)設(shè)備和測(cè)量單元處的波形，圖4中通道1和通道2為為PPS信號(hào)在時(shí)統(tǒng)設(shè)備和測(cè)量單元處的波形。對(duì)它們進(jìn)行多次測(cè)量的結(jié)果如表2所示。其中A代表時(shí)統(tǒng)設(shè)備，B、C分別代表不同的測(cè)量單元。

    由表2數(shù)據(jù)可以看出，時(shí)統(tǒng)設(shè)備與測(cè)量單元之間的時(shí)間延遲很小，其值在1．000μs左右，主要是由于電子器件本身的延遲以及傳輸線路的延遲造成?？紤]到傳輸線路長(zhǎng)度為150 m，則線路延遲為0．500 μs，增加電路引起的延遲為0．500μs。
    測(cè)量單元之間有時(shí)間同步誤差，其值在0．020μs左右，主要是由于采用分立的元器件以及傳輸線路不一致造成的，信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)使用的是分立的MAX488芯片，因此會(huì)造成不同測(cè)量單元之間的信號(hào)有時(shí)間同步誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)
    由于GPS信號(hào)需要在通視的情況下才可接收，容易受地形地貌的影響，使用時(shí)需要考慮環(huán)境因素，因此在考慮時(shí)間統(tǒng)一時(shí)就要設(shè)計(jì)另外的不依賴GPS的同步方式。本文設(shè)計(jì)的分路電路在不僅可以對(duì)GPS提供的時(shí)統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行差分傳輸，還可以對(duì)其它同步方式比如B碼終端提供的時(shí)統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行差分傳輸，以滿足分布式測(cè)量系統(tǒng)在不同測(cè)量環(huán)境中的需要。由測(cè)試結(jié)果可以看出：所設(shè)計(jì)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)分路電路線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、時(shí)間延遲小，已經(jīng)應(yīng)用于激光陀螺形變測(cè)量系統(tǒng)中，在其它分布式測(cè)量系統(tǒng)，如分布式溫度測(cè)量、分布式聲源定位系統(tǒng)中也能得到很好的應(yīng)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值。