GPS時鐘
GPS時鐘也是基於最新型GPS高精度定位授時模組開發的基礎型授時套用產品。能夠按照用戶需求輸出符合規約的時間信息格式，從而完成同步授時服務。其主要原理是通過GPS或其他衛星導航系統的信號馴服晶振，從而實現高精度的頻率和時間信號輸出，是目前達到納秒級授時精度和穩定度在1E12量級頻率輸出的最有效方式。高精度時間基準已經成為通信、電力、廣播電視、安防監控、工業控制等領域的基礎保障平台之一。衛星導航定位系統可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時服務，授時性能優異；高精度、低成本；安全可靠；全天候；覆蓋範圍廣。
GPS時鐘也是基於最新型GPS高精度定位授時模組開發的基礎型授時套用產品。能夠按照用戶需求輸出符合規約的時間信息格式，從而完成同步授時服務。
GPS時鐘主要分為兩類，一類是GPS授時儀，主要輸出時標信息，包括1PPS及TOD信息；另外一類是GPS同步時鐘，後者輸出利用衛星信號馴服OCXO或者銣鍾得到的高穩定頻率信息，以及本地恢復的更平穩的時標信號。
GPS同步時鐘主要由以下幾部分組成：GPS/GNSS接收機，其中可以為GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或銣鍾，本地同步校準單元，測差單元，誤差處理及控制結構，輸入輸出等幾部分。
其主要原理是通過GPS或其他衛星導航系統的信號馴服晶振，從而實現高精度的頻率和時間信號輸出，是目前達到納秒級授時精度和穩定度在1E12量級頻率輸出的最有效方式。
內部還可以增加IRIG-B碼，DCF77碼，NTP時間伺服器等單元。
典型的產品指標如下：
為北京寰亞翔宇研製的一款（TGP2-32型），具有突出的性能價格比。
GPS衛星跟蹤性能：
通道數：50通道
冷啟動時間：32秒
熱啟動時間：小於1秒
定位精度：小於2.5米
1pps秒脈衝精度：30ns（1σ），綜合由於0.5μS;
1PPS信號格式：BNC接口，TTL電平，阻抗：50Ω
NTP時間伺服器精度指標：
內置TNT2-12型NTP時間伺服器為我公司研製的網路授時模組。該時間伺服器可以從GPS設備（內置）或者B碼以及其他時鐘源獲取標準時間信息，並將這些信息提供給網路中有授時需求的計算機或其他終端設備。
支持NTP（V2.0,V3.0,V4.0）/SNTP協定格式。還可支持可設定的UDP連線埠的由寰亞翔宇公司定義的時間廣播數據包。
對於使用自帶網路校時服務的作業系統，只需按要求進行設備，啟動校時服務即可。對於使用不帶網路校時服務的作業系統的客戶，可以採用隨機自帶的授時客戶端軟體。
授時精度：1-10ms（與終端負載相關）
每秒支持NTP申請數：2500次/每網口（非MD5或DEC加密方式）
授時精度：
保持模式15ns，非保持模式30ns
IRIG-B碼輸出精度：小於0.5us（起始上升沿與1PPS同步）
頻率精度：
10MHz：1路，BNC，標準正弦波，50Ω
準確度： 小於1E-12（內置高穩恆溫晶振）
超低相噪。
無線GPS時鐘
第二代無線GPS時鐘
上文講述的是第一代子母鍾結合的GPS時鐘，時間精準，唯一的弊端就是使用不方便。（需要在牆上打洞，布30-50米的天線）
在經過北斗時頻技術有限公司多年研發，已經克服這一難題，推出全新第二代 —— 無線GPS時鐘，即直接插220V電即可使用，其功能同上文所述。
目前正在全國市場推行，替代第一代GPS時鐘。
GPS時鐘同步在數據採集系統中的套用
如今，數據採集系統很多，有基於數位訊號處理器DSP設計的，也有基於現場可程式門陣列FPGA設計的，這些採集系統儘管採集處理數據能力不差，但大多都採用傳統授時模式。而異地同步測量是工程中經常用到的方法，如果用傳統的授時模式，其時鐘頻率的產生是用晶體，而晶體會老化，易受外界環境變化及長期的精度漂移影響，造成授時精度下降，這樣異地同步測量的數據其實在理論上已經不再同步、同時了。本系統採用GPS同步授時方法，結合DSP技術和USB通信技術設計的數據採集系統能較好地解決這個問題。
1 數據採集系統的總體硬體構成與工作原理數據採集系統模擬量輸人、同步採樣控制、A／D轉換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。模擬量輸入部分設有多個通道（如16路），可用來對若干路電壓和若干路電流同時測量。來自PT或CT副邊的電壓或電流，經隔離變換、模擬低通濾波後，被建立在GPS時間基準上的同步採樣系統所採樣，經依次A／D轉換後按順序放入固定RAM區。DSP根據遞歸DFT算法，每來一個新的採樣點計算一次所有被測量的各相基波分量，然後利用GPS接收器串口提供的時間信息和數據窗第一個採樣點的順序編號，給計算結果置以便於識別的“時間標籤”。計算得出的各相量連同其時間標籤按照一定的數據格式，經過DSP匯流排和USB2.0數據線送往PC上位機進行處理和分析。2 基於GPS授時的同步採樣控制單元同步採樣是實現異地同步測量的關鍵技術，只有各測量點的採樣是同步進行的，同一時刻計算出的相量具有統一的參考時問基準，其相位關係才可直接進行比較。本文討論了無線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時方法。這些授時方法的誤差比較如表1所列。通過比較不難看出，傳統的時鐘同步方法由於受技術和經濟等因素的影響，在精度和實用性上很難滿足異地同步測量的要求；只有GPS精密授時方法的優越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基於GPS時間信號的最新時鐘同步方法。2.1 GPS系統簡介GPS（Global Positioing System，全球定位系統）是美國研製的第二代衛星導航系統。GPS系統由空間部分、地面控制部分和用戶設備組成。空間部分主要由21顆工作衛星和3顆備用衛星組成。在地球的任意處（有360°的視野）至少可以看到3顆衛星（根據筆者實際用的情況看）。地面控制部分包括監測站、主控站和注入站。用戶設備就是GPS接收機，本系統所選擇的接收機是GPS-OEM板（型號是GPS15L，在2.3小節會詳細討論），它根據自己時鐘和接收到的導航電文計算出接收機（天線）所在的位置和GPS時間。2.2 GPS授時原理目前的定時型GPS接收機，在其內部時鐘與GPS時間同步後，將給出與UCT時間同步的1 pps（秒脈衝）信號及其對應的時間代碼，如圖2所示。2.3 同步採樣控制單元硬體在設計該模組時，選擇Garmin公司研製開發的GPS15L OEM板和單片機AT89C51分別作為GPS接收機和控制器。該模組體現了整個系統要用到的GPS授時技術，工作原理如下：系統上電復位後，單片機通過串口TXD實現對GPS15L板初始化，設定GPS接收機傳送的數據格式。初始化完畢後，GPS15L板會給出相應信息，單片機識別到這些信息後，開始接收GPS15L板傳送來的時間數據，並對它進行處理，將其轉換成台北時間輸出。如圖3所示，單片機AT89C51的串列口RXD、TXD分別和GPS15L板的TXD1、RXD1連線起通信作用。由於TXD既要在上電時給GPS15L板發出初始化命令，又要在初始化完畢後傳送台北時間，因此為了不使兩階段的工作相互影響，用P1.0口線和若干邏輯門來控制通信的先後順序。GPS15L板初始化後，還會輸出秒脈衝信號。1pps信號有一路作為單片機的外部中斷源，以實現時間信息的同步處理，另外也用來監測信號是否正常。還有一路信號可由單片機P1.1口進行控制，根據監測的結果決定是否需要將其傳送給下一級控制器。另外，本電路選用的高穩晶振是OCXO型號的穩補晶體振盪器，其工作頻率為1 MHz，頻差不大於10-7。它輸出的振盪信號經過整形、電平轉換變為適合TTL電路的電平，經計數器分頻後得到滿足採樣率要求的時鐘信號（採樣率可調）。該時鐘信號每隔1 s被1 pps信號的上升沿同步1次，使之運行在GPS時間基準上。由於1 MHz晶振的穩定度很高，1 s內漂移不超過1μs，因此得到的同步採樣脈衝精度很高。3 ADC與DSP的接口部分DSP晶片採用美國德州儀器（Texas Instruments）公司研製的數位訊號處理器TMS320F2812。它是一個32位定點運算、集成度高、性價比高的DSP晶片。數據採集系統選用ADS8361作為片外ADC模組，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進一步提高系統的A／D轉換精度，增加了片外外設ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A／D轉換器；它同ADS7861（12位）完全兼容，可以與F2812數位訊號處理器直接接口使用。它是由四通道差分輸入分成兩組分別連線到獨立的轉換器上的，可以完成雙信號的同時採集，最高轉換速率可以達到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時具有極強的抗干擾能力，特別適合數據採集的高採樣率要求的場合。此外，ADS8361還提供高速雙串列接口，可以有效地減少軟體開銷，並且功耗非常低，只有150 mW。3.1 ADS8361與TMS320F2812接口電路設計TMS320F2812處理器提供多通道緩衝串口（McBSP）和串列外設接口（SPI），兩種串口都可以與ADS8361接口。根據設計的需要，本系統採用的是McBSP的接口擴展方式。在ADS8361與TMS320F2812的接口硬體設計時，為避免數據信號產生振鈴，特意考慮在DSP與ADS8361之間增加吸收電阻。由於TMS320F2812隻有一個McBSP接口，因此必須將ADS8361設定在模式2和模式4。TMS320F2812與ADS8361的硬體接口電路如圖4所示，ADS8361的CLOCK、（RD+CONVST）和SDA引腳分別連線到McBSP的CLKX、（FSX+FSR）和DR引腳。由於McBSP上只連線一個A／D轉換晶片，片選信號（CS）直接接地，如果需要擴展多個A／D轉換晶片，則可以採用GPIO控制片選信號；同時使用通用I／O控制ADS8361的工作模式，使M0=0，M1=1；DX控制ADS8361的通道選擇。3.2 模擬輸入信號調理電路的設計電力系統的相電流和相電壓分別經過CT和PT變換後，輸出為標準±10 V的模擬電壓信號。此模擬電壓信號需要經過前端的低通濾波器，濾除不必要的高頻噪聲信號，以及將模擬輸入信號範圍由±10 V變換成後端A／D所能接受的信號範圍。每一路的模擬調理電路如圖5所示。4 USB接口通信電路部分通信電路採用USB接口，USB接口晶片選用Cypress公司的CY7C68001。CY7C68001與TMS320F2812的連線電路如圖6所示。CY7C68001作為TMS320F2812的外設，採用異步存儲器接口與TMS320F2812相連線，上位PC機可以喚醒CY7C68001，也可以配置USB晶片。USBCS是CY7C68001的片選信號線，在USBCS為低電平時，CY7C68001採用異步讀寫方式完成二者之間的數據和命令的交換。CY7C68001有兩種對外接口，分別是FIFO數據接口和命令口。數據採集系統將這兩種對外接口配置在地址範圍是0x004000～0x004004的空間，分配如表2所列。TMS320F2812通過CY7C68001的FIFO數據接口可以訪問4個1 KB的FIFO中的數據，而FIFO數據接口的選擇是通過控制地址線A[2：0]來實現的。當TMS320F2812的地址線A[2：0]為100B時，選中CY7C68001的命令口，然後通過命令口可以訪問37個暫存器、Endpoint0緩衝器（64位元組FIFO）和描述表（500位元組FIFO）等。如果將Endpoint0緩衝器和描述表也看成暫存器，那么單個命令口內含了眾多的暫存器，對這些暫存器進行讀／寫訪問採用二次定址方式，即首先通過命令口將要定址的暫存器子地址和操作類型（讀操作或寫操作）寫入，然後再通過命令口將數據讀出或寫入相應的暫存器。CY7C68001還有一個中斷信號USBINT和4個狀態信號（USBREADY、FLAGA、FLAGB、和FLAGC）。中斷信號USBINT占用TMS320F2812的外部中斷XINT1，狀態信號USBREADY、FLAGA、FLAGB和FLAGC配置在另一個擴展的暫存器中，TMS320F2812可對其進行查詢，從而得到USB的狀態。USB晶片的WAKEUP也配置在另一個擴展的暫存器中，TMS320F2812通過對這個暫存器的寫操作達到喚醒USB的目的。5 系統的軟體部分系統的軟體部分包括主程式和各中斷程式以及系統與上位PC機的USB通信程式。主程式完成各變數及串列口的初始化，並利用傅立葉變換算法計算出各採樣點的實部和虛部。中斷程式包括A／D轉換程式、GPS時間信息的讀取程式等。本文重點介紹用於讀取GPS接收器串口輸出的中斷回響程式的設計思路，程式流程如圖7所示。6 電源設計電源電路採用降額設計，並採用高精度電源電路，可保證供電系統的可靠性。① ADS8361的內部參考電源為+2.5 V。② GPS15L OEM板的供電電壓為3.3～5.4 V，GPS接收天線的供電電壓為3.0 V。③ TMS320F2812要求雙電源（1.9 V和3.3 V）為CPU、Flash、ROM、ADC和I／O接口供電。當上電時，為了保證晶片內各個模組的正確復位，TMS320F2812供電需要滿足一定的時序。該系統先給所有+3.3 V的電源引腳（VDDIO、VDD3VFL、VDDA1、VDDA2、VDDREF）上電，再接通1.9 V（VDD、VDD1）的晶片核心電源；當VDDIO的電壓上升到2.5 V時，VDD才上升到0.3 V，這樣才能保證片內各個模組上電時能正確復位。掉電時，在VDD下降到1.5 V之前，系統復位。這樣才能保證在VDD、VDDIO掉電之前片內Flash模組正確復位。該系統設計中，選用TI公司提供的雙電源輸出、Low-Dropout型電源TPS76801QDR來給TMS320F2812供電，實現上述的供電時序。結語本數據採集系統為四通道，A／D轉換精度為16位，轉換精度高並且抗干擾能力極強，通過USB能夠實時海量傳輸所採集到的數據。另外最重要的是，用GPS授時模式代替傳統授時模式，特別適合需要異地同步採集的場合。例如：在高速電氣化鐵道電氣參數參量中，為了能夠同步獲得列車電流、位置以及鋼軌電位、鋼軌電流、吸上線電流，只需要在列車上和鋼軌地面兩個測量點同時使用同樣的數據採集系統，這樣測得的相量數據就有統一的時間基準，便於科學地分析這些參數。