基于FPGA的高精度守时方法研究

王 军，王 磊，张福弟，何 昕，曹永刚

（1.苏州科技学院，江苏苏州215009；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；

3.中国人民解放军63861部队，吉林白城137001）

基于FPGA的高精度守时方法研究

王 军1，2，王 磊1，张福弟2，3，何 昕2，曹永刚2

（1.苏州科技学院，江苏苏州215009；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；

3.中国人民解放军63861部队，吉林白城137001）

提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的高精度守时方法，以统计学为基准，结合高精度恒温晶振和北斗/GPS双模接收器产生同步标准秒脉冲信号.当授时系统导航卫星失连，系统根据存储晶振脉冲数计算出均值和方差，动态设置系统晶振脉冲计数器阈值从而模拟产生高精度秒脉冲信号，消除晶振累积误差.实验结果表明，1 h内授时系统守时误差小于250 ns，可满足授时系统在电力、靶场等系统中的守时要求.

FPGA；双模；失连；守时

1　引 言

高精度授时系统被广泛用于卫星导航、电力同步采样系统中［1］.起初高精度授时系统在导航卫星失连下，由于恒温晶振实际值与标称值存在误差，所以1 h守时误差可达到几微秒.近些年，部分学者提出统计每分钟标准秒脉冲信号下授时晶振产生的总脉冲数的方法来修正导航卫星失连后授时系统的守时误差［2］.但此方法精确度取决于导航卫星失连前1 min的晶振计数模块记录的脉冲数值，因而灵活性低且并未从根本上消除累积误差带来的影响.针对现有技术的不足，本文提出一种以统计学为基础消除累积误差的高精度守时方法.

2　守时总体方案

守时方案设计了5个模块:导航卫星信号接收模块、时间解码模块、晶振计数模块、模拟秒脉冲产生模块、显示模块.守时方案框图如图1所示.由导航卫星信号接收模块接收卫星信号，输出标准秒脉冲和时间码至FPGA时间解码模块，FPGA解出时间信息并根据通讯协议发送给显示模块［3-5］.晶振输出脉冲至FPGA，晶振计数模块计录标准秒脉冲每个周期内晶振脉冲数［6］.当记录时间达到30 min，计算这组数据的均值和方差.导航卫星失连后，根据前30 min计算的均值和方差动态设置晶振计数模块的脉冲产生计数器阈值以产生高精度的模拟秒脉冲.

图1　守时总体方案框图Fig.1　Punctuality diagram of the overall scheme

3　守时硬件设计

FPGA采用Altera公司Cyclone II系列中的EP2C8T144C8N，该芯片具有144个IO端口、36个RAM块、2个PLL锁相环、18个嵌入式乘法器、四种配置方式和AS、JTAG下载调试接口. EP2C8T144C8N拥有丰富的资源且编程灵活，使得该芯片作为系统主控芯片［7-9］.导航卫星信号接收模块采用MHKJ-1612为主芯片，其能提供精确的授时服务.通过使用量化误差信息去补偿时间脉冲中的颗粒误差，导航卫星信号接收模快能够配置输出时间脉冲频率，授时精度可高达15 ns.即使设备在有遮挡物的情况下保证有一颗卫星正常连接，芯片就能输出准确的时间信息.导航卫星信号接收模块与FPGA采用串口通信，有多种波特率可供选择.系统晶振采用恒温晶振，频率精度可以达到正负0.2 ppm.消耗电流一般300 m A～2 A，主要应用于卫星，通讯基站等.守时部分硬件连接图如图2所示.

图2　守时部分硬件连接示意图Fig.2　Punctuality part of the hardware connection diagram

4　守时软件设计

4.1同步秒脉冲信号设计

授时系统导航卫星连接正常情况下，导航卫星信号接收模块接收到卫星信号产生标准秒脉冲和时间码，并发送给FPGA接收模块.FPGA利用PLL锁相环将50 MHz恒温晶振倍频到200 MHz，当晶振计数模块脉冲计数值达到阈值或检测到导航卫星信号接收模块输出的标准秒脉冲信号上升，FPGA产生100 ms高电平信号并将晶振计数器清0，随后产生低电平信号.同步标准秒脉冲产生流程图如图3所示.

4.2平均脉冲数及方差设计

图3　同步标准秒脉冲产生流程图Fig.3　Synchronous standard second pulse received flow chart

图4　平均1 s晶振的脉冲数及方差产生的流程图Fig.4　Crystal's average pulses number per second and variance received flow chart

4.3导航卫星失连后的高精度秒脉冲产生设计

导航卫星失连后，FPGA根据每秒内晶振脉冲数的平均值和方差，求出+3 s和-3 s作为设定脉冲计数的两个阈值BV1、BV2.在一个周期T内，前当晶振脉冲计数达到BV1的时候，产生一个滞后模拟秒脉冲（与标准秒脉冲秒头相比）；后当晶振脉冲计数达到BV2的时候，产生一个超前模拟秒脉冲.产生的模拟秒脉冲秒头在标准秒脉冲左右有规律的晃动从而消除累积误差.导航卫星失连后的高精度秒脉冲产生流程图如图5所示.

图5　GPS失步后的高精度秒脉冲产生流程图Fig.5　After GPS out-of-step high-accuracy second pulse received flow chart

5　实验结果分析

为避免测试结果的偶然性，实验使用4套授时系统板，采用50 MHz标称值的恒温晶振，精度可达正负0.2 ppm.先将恒温晶振输出的50 MHz的脉冲信号倍频到200 MHz，然后统计标准秒脉冲信号每个周期下授时系统恒温晶振所产生的脉冲数值的均值和动态方差.测试结果如表1所示.

表1　导航卫星未失连下每秒晶振脉冲数值的均值和方差Tab.1　Crystal's average pulses number per second and variance when navigation satellite works

图6　均值随时间变化折线图Fig.6　Average changes over time line chart

图7　方差随时间变化折线图Fig.7　Variance changes over time line chart

表1统计了不同时刻秒脉冲单位时间内晶振的脉冲数值的平均值和方差.图6图7横坐标为时间，纵坐标为均值和方差，折线图直观的反映了均值和方差随着时间的变化趋势.表2统计了在导航卫星失连下不同时刻模拟秒脉冲与标准秒脉冲的误差.图8横坐标为时间，纵坐标为误差大小，折线图直观的反映了误差随着时间的变化趋势.

图8　守时误差随时间变化折线图Fig.8　Punctuality error changes over time line chart

表2　导航卫星失连下守时误差Tab.2　Punctuality error when navigation satellite lost

6　结 语

本文通过统计30 min内标准秒脉冲每秒晶振脉冲数值的均值和动态方差，动态设置晶振计数模块计数阈值以产生模拟秒脉冲，以达到高精度守时目的.从实验可知，秒脉冲在导航卫星失连1 h内，与标准秒脉冲相比秒头误差不超过250 ns，符合电力、靶场等系统守时要求.

［1］ 罗卫兵，胡健生.基于STM32+ucGUI的北斗导航定位系统设计［J］.液晶与显示，2014，29（2）:195-201.

Luo W B，Hu J S.Design of Beidou navigation system based on STM32&ucGUI［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Display，2014，29（2）:195-201.（in Chinese）

［2］ 杨永标，杨晓渝，周捷.利用FPGA实现GPS失步下精确守时［J］.电力自动化设备，2007，27（7）:109-112.

Yang Y B，Yang X Y，Zhou J.Realize accurate timing with FPGA during GPS synch failure［J］.Electric Power Automation Equipment，2007，27（7）:109-112.（in Chinese）

［3］ 张学明，张振娅，戴明，等.机载-设备IRIG-B（AC）码的滤波及其数字相位补偿［J］.光学精密工程，2009，17（1）: 213-219.

Zhang X M，Zhang Z Y，Dai M，et al.Filtering and digital phase compensation of IRIG-B（AC）code in airborne equipment［J］.Optics and Precision Engineering，2009，17（1）:213-219.（in Chinese）

［4］ 魏丰，朱广伟，王瑞清，等.一种GPS校准的数字式高精度守时钟［J］.仪器仪表学报，2011，32（4）:920-926.

Wei F，Zhu G W，Wang R Q，et al.GPS disciplined precise digital timekeeping clock［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，32（4）:920-926.（in Chinese）

［5］ 赵东艳，原义栋，石磊，等.用于智能电网建设的北斗/GPS高精度授时方案关键技术［J］.电网技术，2013，37（9）: 2621-2625.

Zhao D Y，Yuan Y D，Shi L，et al.Key Technology in Beidou/GPS high-precision time service scheme for smart grid construction［J］.Power System Technology，2013，37（9）:2621-2625.（in Chinese）

［6］ 梁军，冉建华.基于单片机的秒脉冲误差测量系统设计［J］.舰船电子工程，2010，30（4）:178-180.

Liang J，Ran J H.A design of a MCU based measure system for the error of 1PPS［J］.Ship Electronic Engineering，2010，30（4）:178-180.（in Chinese）

［7］ 张鹏，杜彬彬，任勇峰.基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现［J］.电子器件，2014，37（1）:81-84.

Zhang P，Du B B，Ren Y F.Design and implement of ultrasound data acquisition device based on FPGA［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2014，37（1）:81-84.（in Chinese）

［8］ 何斌.FPGA的EDA设计方法［J］.光学精密工程，1995，3（6）:113-116.

He B.EDA design method for FPGA［J］.Optics and Precision Engineering，1995，3（6）:113-116.（in Chinese）

［9］ 王剑.基于FPGA的高速多路同步数据采集系统［J］.科技视界，2013（27）:42-43.

Wang J.High-speed multi-channel synchronous data acquisition system based on FPGA［J］.Science&Technology Vision，2013（27）:42-43.（in Chinese）

Method for high accuracy time keeping based on FPGA

WANG Jun1，2，WANG Lei1，ZHANG Fu-di2，3，HE Xin2，CAO Yong-gang2

（1.Science and Technology University of Suzhou，Jiangsu，215009，China；
2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033 China；
3.The PLA Unit 63861，Baicheng 137001，China）

Based on Field-Programmable Gate Array（FPGA），a high precision time keeping technology is proposed.Combined with high precision constant temperature crystals and BD/GPS dual-mode synchronous，standard second pulse signal is received based on statistics.If navigation satellite loses the connection，FPGA will set the pounding threshold of crystal pulse according to average value and variance to simulate producing highly precision second pulse so that cumulative error can be eliminated.Experimental results show that timing system error is less than punctual 250 ns in one hour which fully meets the requirements of time keeping of the timing system in the power systems，range systems and other systems.

FPGA；dual-mode；connection losing；time keeping

1007-2780（2015）06-1052-05

TN967.2

A doi:10.3788/YJYXS20153006.1052

王军（1979-），男，博士，江苏苏州人，主要研究方向为光电测控技术.E-mail:wjyhl@126.com

王磊（1991-），男，硕士，江苏盐城人，主要研究方向为智能信息处理技术.E-mail:demowl@163.com

2015-03-18；

2015-06-11.

国家自然科学基金（No.61472267）

Supported by National Nature Science Foundation of China（No.61472267）

∗通信联系人，E-mail:wjyhl@126.com