基于XCS10的高精度多功能时间校验仪系统

2012-09-13李永军徐晓蓉靳永强王海龙陈立家

郑州大学学报（工学版） 2012年1期

李永军，徐晓蓉，靳永强，王海龙，陈立家

(1.河南大学物理与电子学院，河南开封475001;2.湖南文理学院，湖南常德415000;3.郑州华特测控新技术公司，河南郑州450052)

0 引言

由于复费率表是以时间来划分区段［1］，时间的准确度会直接影响计量的准确性，因此校验复费率和多功能电能表时，除需一个电能标准外，还需一个时间标准.时间校验仪的功能就是测试复费率和多功能电能表的计时基准频率和时段投切误差，并给被校表授时.为此，校验仪必须有高精度的频率标准和时间标准.笔者以带恒温槽的高精度石英晶体为频率标准，以GPS所提供的日期、时间为时间标准，以W78E58和XCS10为核心，并配以TMP82C79按键模块和LG12864液晶显示模块，设计和实现了高精度多功能时间校验仪系统.

1 测量原理

笔者采用比较法测频，在同一时间T内对标准频率fs和被测频率fx同时计数，若计数值分别为 Ns，Nx，则被测频率 fx可由式 fx=fs× Nx/Ns求出.为了提高测量精度，避免从某高电平的中间开始计数，计时启停信号在CPU控制下，由fs或fx的前沿触发.频率误差用相对误差re和日误差de来表示，它们分别由式(1)和式(2)求得，式(1)里fb为基准频率标称值.利用CPU提供的软时钟可测投切时间，并输出标准时段投切信号，时段投切误差由式(3)求得［2］，负数表示快，正数表示慢.

2 硬件结构

该系统的总体硬件结构如图1所示，它以CPU W78E58作为计算和控制的核心，利用FPGA XCS10构成的测量电路对采样信号进行测量，测量时GPS OEM模块提供标准时间和PPS秒脉冲，恒温石英晶体提供频率基准.测量结果经通信模块传给PC机，由PC机对被校表授时.键盘和显示作为人机接口，接收用户的操作，显示特定的状态信息.

图1 系统硬件结构Fig.1 Hardware structure of the system

3 设计实现

采样是把复费率和多功能电能表的计时基准频率和时段投切信号接入到系统中，计时基准频率信号接入方法如图2所示.该系统通过12个8选1开关4051，可测96路输入计时基准频率信号 F［1，…，96］.这 96路信号分成 8组，12个4051的所有对应位各为一组，由CPU的D0、D1、D2选择8组信号中的一组12路送给测量电路XCS10.

图2 输入信号采样Fig.2 Input signal sampling

CPU W78E58和FPGA XCS10是该系统的核心，它们的电路连接如图3所示.W78E58是整个系统的控制核心，同时完成计算的功能.图3中，P0口为8位数据总线，并经74LS373产生低8位地址总线，P2口产生高8位地址总线［3］.P1口的P1.4、P1.5、RXD和TXD相互配合完成本系统的通信功能.W78E58既和GPS通信又和PC机通信，故在GPS发送的信号和PC机发送的信号进入W78E58的RXD前，先经过一个2选1电路，由P1.4 TXSEL选择CPU接收对象，P1.5选择CPU是发送还是接受.P1.1是XCS10的复位控制端;P1.2标准时段输出端;P1.3蜂鸣器控制端.T0接受FPGA产生的1 kHz信号，产生软时钟;INT0接受GPS放送的PPS标准秒脉冲［4］，对T0产生的软时钟进行对时;INT1接受FPGA产生的时段投切信号中断申请.

FPGA XCS10为系统的测量核心，它根据12路频率输入信号 Fx［1，…，12］和12路投切脉冲SD［1，…，12］，在 CPU 的控制和协同下测量被较表的计时基准频率fx和投切时间t实测并通过数据总线把测量结果传给CPU，由CPU使用式(1)、(2)和(3)计算出相对误差γe、日误差de和时段投切误差se.同时XCS10还产生了整个系统需要的片选信号如图4，由该图很容计算出各片选的地址，比如在该图中U4 74F273片选信号CS12的地址为0E60H.

图4中 74F273的输入 DB［7，…，0］为 CPU的数据总线，输出为XCS10测量模块的控制信号［5］.XCS10计时基准频率测量模块如图5，其中M［12:1］为12 路待测输入信号 Fx［1，…1，2］，M［12:1］和M0即PPS合路成为13路信号M［12:0］，M［12:0］送到多路开关W1里，具体测量第几路由图4的S［3:0］选择.BABF为高稳晶体振荡器产生的高精度10 MHz信号，用来作为频率标清零信号由图4的CLR经过非门产生，用来对两个32位的计数器U1和U2清零;JZ、STR、LOCK由图4中74F273提供，分别为基准选择、开始计数和锁存信号.被测信号Fx和10 MHz的频率标准信号分别通过2个32位的计数器U1和U2进行计数，计数结果分别锁存在8个8位的D触发器N1到N8里.CPU根据片选地址CS14到CS21，经数据总线把测量结果读入，并根据测量结果计算出误差.

图5 频率测量Fig.5 Measure of frequency

频率测量过程如下:

MOV DPTR，#CS_IN

MOV A，#00H

MOVX@DPTR，A;采样第一组F1到F12

MOV DPTR，#CSCLR

MOVX@DPTR，A;清零两32位的计数器

MOV DPTR，#CS12

MOV A，#01

MOVX@DPTR，A;选F1为测量对象

MOV A，#21H

MOVX@DPTR，A;开始测量

CLR ACC.6

MOV DPTR，#CS12

MOVX@DPTR，A;测量结束，锁存结果

MOV DPTR，#CS14

MOVX A，@DPTR

MOV@R0，A;读测量结果到CPU，同样操作把CS15到CS21读到CPU里，前四个为测量信号频率后四个为基准频率.

时段投切信号的采样和频率信号采样类似，测量时直接用2个8位触发器测得输入时段投切脉冲，经片选地址CS6和CS7送入CPU，再由式(3)可求得时段投切误差.

4 软件设计

软件工作过程如图6，这里初始化包括按键模块TMP82C79的初始化、显示模块LG128643的初始化、GPS OEM模块的初始化及其CPU工作环境的初始化.本软件设计了4个大的处理程序分别是按键处理程序、显示处理程序、一秒到处理程序和通信处理程序，每个处理程序都设置了一个标志位.主程序工作在查询方式，一直查询这四个标志位，查到标志位为1转到对应处理程序运行.

5 结论

经测试该系统频率测量范围0.1 Hz～5 MHz;频率测量准确度±0.2×10-6;日误差准确度≤20 ms;GPS内部对时准确度10-6s;内部晶振稳定度≤5×10-8/s，符合 JJG596-1999、DL/T614-1997和JJG307-88规定的对电能表校验的要求［6］.使用该系统对复费率和多功能电度表进行校验，图7为主菜单显示，图8为1通道的测量结果显示.该系统不但测量速度快、稳定性好、多路测量，而且计时基准频率测量准确度好、时段投切信号测量分辨率高，完全能满足对复费率和多功能电能表的测量与校验.